摘 要: 昆蟲體内的抗菌肽是宿主免疫防禦系統的重要成分, 具有分子品質小、熱穩定性好、抗菌譜廣等特點。由于抗菌肽有其自身獨特的化學結構, 因而其作用機理與抗生素及化學藥物不同, 能有效抑殺真菌、病毒、寄生蟲, 而病原體不産生抗藥性, 并能選擇性殺滅惡性良性腫瘤細胞, 對人畜卻無毒副作用。是以, 抗菌肽在生物農業和醫藥方面都有很好的開發前景。
富含抗菌肽的昆蟲食品
1、昆蟲抗菌肽與抗生素的比較
抗生素的發現是醫學史上的一個裡程碑。抗生素的發現對病原菌感染性疾病的治療産生了革命性飛躍, 已成為人們對抗病原菌感染的強有力的武器。但是随着抗生素的大量使用, 近年來耐藥菌株及多重耐藥菌株的不斷增加, 也使得病原菌的抗藥性大大的提高, 抗感染治療已陷入耐藥菌危機之中。以青黴素為例, 現在青黴素的使用量比最初發現時的使用量增加了幾十倍。更為嚴重的是, 現在出現的抗生素的抗藥菌群抗藥性, 幾乎所有的抗生素對他們都沒有作用。并且, 在近幾十年的時間,沒有新的抗生素能解決其抗藥性的問題。為應對耐藥菌感染, 人類在不斷研究和開發新型抗菌藥物。近年來出現的抗菌肽就是一類具有巨大發展潛力的新型抗菌藥物。
抗菌肽( Antimicrobial peptides ) 是生物免疫系統産生的一類抵抗外界病原體感染的肽類生物活性物質, 廣泛存在于昆蟲、植物、動物及人體内。昆蟲是地球上現存種類最多、數量最大的低等動物, 而尤以家蠅的繁殖率最高。和其他高等動物一樣, 昆蟲也具有一個完整的細胞和體液免疫反應系統, 存在着防禦病原體感染, 保持自我穩定和免疫監督的種種機能, 但其免疫體系遠不如高等動物那樣專一、完善和發達。昆蟲既沒有專門和高效的免疫器官群組織 ( T、B 淋巴系統) , 體液中也沒有免疫球蛋白及補體的存在, 而昆蟲能在自然界中占據極大的優勢, 表明其防禦系統必然有其獨到之處。昆蟲免疫的研究是目前一個迅速發展的新領
以家蠅為例, 千百年來, 蒼蠅出沒于肮髒之地, 一隻蒼蠅身上通常帶有60多種病菌, 還帶有很多的病毒和寄生蟲卵, 其體内帶的病菌更多, 是體外的800 多倍, 蒼蠅能傳播傷寒、痢疾、霍亂等30 多種疾病。然而蒼蠅自身卻百病不染、百毒不侵, 從蠅蛆中提取的抗菌肽, 是一種特殊的抗菌、抗病毒的活性物質, 經科學家探索發現, 蒼蠅體内有一種特殊的昆蟲免疫組分, 即抗菌活性蛋白或稱為抗菌肽, 據測定, 這種抗菌肽隻需要萬分之一的濃度就可以殺死多種病菌。
大自然中的抗菌肽
2、抗菌肽及抗生素的作用機理研究發現, 抗菌肽對正常哺乳動物細胞及昆蟲細胞的體外培養, 連續 48~72 h 均無不良影響, 但對惡性良性腫瘤細胞則有選擇性殺傷作用。這種選擇性殺傷作用可能與細胞骨架結構差異有關。抗菌肽對人髓樣白血病細胞 ( K552) 、艾氏腹水瘤、直腸癌 ( HR8340)及肝癌細胞 ( BEL- 7402) 等均有殺傷作用。實驗證明, 蠅蛆治療創傷感染的驚人功效是通過分泌抗菌活性物質發揮作用的。但随着抗生素的發現以及其良好的抗菌效果, 蠅蛆治療漸漸為人們所淡忘。近年來, 由于耐藥菌株的大量出現以及化學抗菌藥物帶來的不良反應, 臨床醫生和科研工作者們又重新關注并着手研究蠅蛆的抗感染治療。因用活蠅蛆治療時, 存在病人的難以接受性, 是以提取蠅蛆分泌的抗菌肽, 鑒定其分子結構, 或通過人工合成、分子克隆生産高效的抗菌肽用于抗感染治療顯得尤為重要。
抗菌肽除有非特異性的抗細菌、真菌、病毒等病原體外, 還有抗惡性良性腫瘤細胞的作用, 是以, 又稱為肽抗生素。由于其廣譜抗菌性, 特别是對多重耐藥菌和惡性良性腫瘤細胞有殺傷作用, 且不破壞機體的正常細胞等特性。有望成為抗惡性良性腫瘤、抗感染的良好藥物,使人類及動物擺脫 “ 耐藥菌危機” 和找到治療惡性良性腫瘤的新途徑, 并将會給臨床醫學和臨床藥物學領域帶來革命性的進展, 有着廣闊的開發應用前景, 是目前抗病原微生物藥物開發研究中的一個熱點。
目前, 人們已經成功地克隆了一些抗菌肽的cDNA, 并将其連接配接到杆狀病毒或其他載體上, 在昆蟲、酵母等真核系統和大腸杆菌原核系統中進行表達。利用抗菌肽的廣譜抗菌特點, 将克隆的抗菌肽基因導入動、植物體内, 所得到的轉基因動、植物具有明顯的抗病能力, 由此可見, 對昆蟲抗菌肽的研究不僅具有重要的理論意義, 而且具有廣闊的應用前景。當昆蟲受到外界抗原刺激, 如病原微生物的入侵時就會迅速地被誘導合成抗菌肽。抗菌肽還具有熱穩定性、水溶性好、無免疫原性、抗菌譜廣等的特點。現在抗菌肽被認為是從細菌到昆蟲乃至高等哺乳動物體内均普遍存在的一類防禦性多肽, 稱之為 “ 第二防禦體系” 。
抗菌肽和正常的抗生素不同, 抗生素是通過一系列酶合成的産物, 而抗菌肽則是某個特定編碼的産物。在殺菌機理上, 抗生素一般是通過抑制細菌細胞壁、蛋白質或 DNA 等的合成來達到殺菌的目的, 是以抗生素的抗菌一般是用特殊的受體, 細菌容易通過變異對抗生素産生抗藥性, 而抗菌肽抗菌時一般沒有特殊的抗體, 抗菌肽一般是通過實體的作用造成細胞膜的穿孔而達到廣譜抗菌的效果, 是以抗菌肽的使用不易産生抗菌性和交叉抗性。
昆蟲誘導出的這些抗菌物質不僅具有廣譜的抗細菌、抗病毒活力, 而且還具有抗真菌、抗瘧原蟲和抗錐蟲的活性, 昆蟲抗菌肽對惡性良性腫瘤細胞和癌細胞具有特異性的殺傷作用, 而對正常的細胞無害, 更引人關注的是, 有些昆蟲的抗菌物質對一些 DNA和 RNA病毒有明顯的抑制作用。目前, 在抗菌蛋白和抗菌肽的誘導機理、抗菌蛋白和抗菌肽的一級結構和三級結構以及抗菌物質對細菌、真菌等病原體作用機理的研究方面也取得了很多進展。
3、抗菌肽的分類
抗菌肽按其結構、功能分為: 殺菌肽、防禦素( Defensins ) 、蛙皮素 ( Magainin) ——含脯氨酸的抗菌肽 ( Praline- rich peptides ) 、蜂毒素 ( Melittin) ——富含甘氨酸的抗菌肽( Glysine- rich peptides ) 。昆蟲抗菌肽包括天蠶素類 ( Cecropins ) 、昆蟲防禦素 ( In-sect defensins ) 、富含脯氨酸的抗菌肽 ( Proline- richpeptides ) 和富含甘氨酸的抗菌肽 ( Glysine- rich pep-tides ) 。
抗菌肽按其來源一般又可分為以下幾類: ①哺乳動物抗菌肽, 哺乳動物抗菌肽主要存在于嗜中性粒細胞及皮膚和黏膜的上皮細胞, 其中研究最多的是防禦素類抗菌肽, 也是抗菌肽家族中最大的一類; ②兩栖動物抗菌肽, 兩栖動物皮膚長期裸露,在長期的自然選擇過程中為抵禦有害環境因子侵襲逐漸形成了一系列保護機理——它們的皮膚分泌液含大量的殺菌和防禦天敵的生物胺及抗菌肽類物質, 其含量之高是哺乳動物無可比拟的, 因而被稱為生物胺和抗菌肽的大儲存庫; ③昆蟲抗菌肽, 昆蟲在動物界中數量最多, 分布最廣, 并且有高度的适應能力和防禦機理, 昆蟲免疫防禦體系中沒有抗體、補體的參與, 主要是由一系列抗菌肽發揮作用, 自1981年Boma等人首次從惜古比天蠶的蛹中誘導出抗菌肽——天蠶素以來, 已有170多種昆蟲抗菌肽被發現; ④植物抗菌肽, 同昆蟲一樣, 植物雖無特異的免疫系統, 但對動物細胞有一定的殺傷作用, 而且與動物和細菌抗菌肽相比, 植物防禦素抑殺真菌的活性很高; ⑤細菌抗菌肽, 雖然抗菌肽能被抑殺, 但是細菌也能産生抗菌肽來保護自己,其中, 細菌素是最常見的一類抗菌肽, 它能特異性殺死競争菌, 而對宿主自身無害。
4、昆蟲抗菌肽的應用前景
各種動物在長期的自然進化過程中, 其體内已建立了平衡的微生物菌群共生生态系統, 并建立了一套維持其體内菌群穩态的機制。抗菌肽是這一機制中的主要因子之一, 并廣泛存在于所有脊椎動物和無脊椎動物機體中。高等動物腸道微生物菌群發達, 不同動物的腸道内源性抗菌肽能抑制其相應的外源性病原菌, 而對動物腸道中共生生态系統中的微生物和動物細胞無殺傷作用, 即高等動物腸道抗菌肽具有 “ 種” 特異性。盡管高等動物腸道抗菌肽具有此優點, 但它們在動物體内表達分泌量有限, 加上現代畜禽飼養業日益呈集約化, 病原傳播和入侵及各種應激作用日益強化, 使得畜禽腸道表達量有限的抗菌肽更難以對動物自身的保健起很大作用。如能應用抗菌肽作飼料添加劑, 則可使飼養動物受到外源病原菌入侵或應激時能特異性地維持其健康和生長。尋找各種飼養動物内源性抗菌物質, 以現代生物技術方法, 工業化生産這些在抗病原菌上具有動物 “ 種” 專一性或特異性的系列産品, 無疑将是
“ 後抗生素時代” 的一條出路。
仔豬腹瀉、奶牛乳房炎及各種病毒性疾病如豬瘟、雞新城疫等一直是棘手的疾病, 嚴重影響畜牧業和養殖業的發展。借鑒已成功的昆蟲抗菌肽轉基因工程, 如轉基因蚊子、轉基因馬鈴薯、轉基因水稻等, 把特異的抗菌肽基因轉入畜禽特定細胞讓其表達, 進而産生抗病新品種, 不失為一條發展畜牧生産的新思路, 前景深遠。抗菌肽基因表達調控及抗菌肽添加劑研究表明, 抗生素添加劑的使用嚴重破壞了動物腸道的微生物平衡, 并易在動物體内殘留, 嚴重影響了畜産品的品質和人類的健康, 應用環保型抗菌肽添加劑, 無疑将是一條新的出路。家蠅抗菌肽在畜牧業中的試驗表明, 針對殭屍電腦的試驗, 顯示抗菌肽能夠提高殭屍電腦飼料轉化率 3.64%,成活率提高10%; 乳豬的試驗表明, 家蠅抗菌肽可以有效降低仔豬黃痢和白痢的發生率, 顯著提高仔豬的成活率。
蒼蠅、黑水虻, 這種大自然創造的神奇的物種, 為我們抵禦自然, 将會帶來一屢曙光。作為一種新發現的物質, 抗菌肽的應用方向仍在不斷探索之中。經過多方研究, 抗菌肽顯示出誘人的應用前景—— —即抗生素替代藥物。