摘 要: 昆虫体内的抗菌肽是宿主免疫防御系统的重要成分, 具有分子质量小、热稳定性好、抗菌谱广等特点。由于抗菌肽有其自身独特的化学结构, 因而其作用机理与抗生素及化学药物不同, 能有效抑杀真菌、病毒、寄生虫, 而病原体不产生抗药性, 并能选择性杀灭肿瘤细胞, 对人畜却无毒副作用。因此, 抗菌肽在生物农业和医药方面都有很好的开发前景。
富含抗菌肽的昆虫食品
1、昆虫抗菌肽与抗生素的比较
抗生素的发现是医学史上的一个里程碑。抗生素的发现对病原菌感染性疾病的治疗产生了革命性飞跃, 已成为人们对抗病原菌感染的强有力的武器。但是随着抗生素的大量使用, 近年来耐药菌株及多重耐药菌株的不断增加, 也使得病原菌的抗药性大大的提高, 抗感染治疗已陷入耐药菌危机之中。以青霉素为例, 现在青霉素的使用量比最初发现时的使用量增加了几十倍。更为严重的是, 现在出现的抗生素的抗药菌群抗药性, 几乎所有的抗生素对他们都没有作用。并且, 在近几十年的时间,没有新的抗生素能解决其抗药性的问题。为应对耐药菌感染, 人类在不断研究和开发新型抗菌药物。近年来出现的抗菌肽就是一类具有巨大发展潜力的新型抗菌药物。
抗菌肽( Antimicrobial peptides ) 是生物免疫系统产生的一类抵抗外界病原体感染的肽类生物活性物质, 广泛存在于昆虫、植物、动物及人体内。昆虫是地球上现存种类最多、数量最大的低等动物, 而尤以家蝇的繁殖率最高。和其他高等动物一样, 昆虫也具有一个完整的细胞和体液免疫反应系统, 存在着防御病原体感染, 保持自我稳定和免疫监督的种种机能, 但其免疫体系远不如高等动物那样专一、完善和发达。昆虫既没有专门和高效的免疫器官和组织 ( T、B 淋巴系统) , 体液中也没有免疫球蛋白及补体的存在, 而昆虫能在自然界中占据极大的优势, 表明其防御系统必然有其独到之处。昆虫免疫的研究是当前一个迅速发展的新领
以家蝇为例, 千百年来, 苍蝇出没于肮脏之地, 一只苍蝇身上通常带有60多种病菌, 还带有很多的病毒和寄生虫卵, 其体内带的病菌更多, 是体外的800 多倍, 苍蝇能传播伤寒、痢疾、霍乱等30 多种疾病。然而苍蝇自身却百病不染、百毒不侵, 从蝇蛆中提取的抗菌肽, 是一种特殊的抗菌、抗病毒的活性物质, 经科学家探索发现, 苍蝇体内有一种特殊的昆虫免疫组分, 即抗菌活性蛋白或称为抗菌肽, 据测定, 这种抗菌肽只需要万分之一的浓度就可以杀死多种病菌。
大自然中的抗菌肽
2、抗菌肽及抗生素的作用机理研究发现, 抗菌肽对正常哺乳动物细胞及昆虫细胞的体外培养, 连续 48~72 h 均无不良影响, 但对肿瘤细胞则有选择性杀伤作用。这种选择性杀伤作用可能与细胞骨架结构差异有关。抗菌肽对人髓样白血病细胞 ( K552) 、艾氏腹水瘤、直肠癌 ( HR8340)及肝癌细胞 ( BEL- 7402) 等均有杀伤作用。实验证明, 蝇蛆治疗创伤感染的惊人功效是通过分泌抗菌活性物质发挥作用的。但随着抗生素的发现以及其良好的抗菌效果, 蝇蛆治疗渐渐为人们所淡忘。近年来, 由于耐药菌株的大量出现以及化学抗菌药物带来的不良反应, 临床医生和科研工作者们又重新关注并着手研究蝇蛆的抗感染治疗。因用活蝇蛆治疗时, 存在病人的难以接受性, 因此提取蝇蛆分泌的抗菌肽, 鉴定其分子结构, 或通过人工合成、分子克隆生产高效的抗菌肽用于抗感染治疗显得尤为重要。
抗菌肽除有非特异性的抗细菌、真菌、病毒等病原体外, 还有抗肿瘤细胞的作用, 因此, 又称为肽抗生素。由于其广谱抗菌性, 特别是对多重耐药菌和肿瘤细胞有杀伤作用, 且不破坏机体的正常细胞等特性。有望成为抗肿瘤、抗感染的良好药物,使人类及动物摆脱 “ 耐药菌危机” 和找到治疗肿瘤的新途径, 并将会给临床医学和临床药物学领域带来革命性的进展, 有着广阔的开发应用前景, 是目前抗病原微生物药物开发研究中的一个热点。
目前, 人们已经成功地克隆了一些抗菌肽的cDNA, 并将其连接到杆状病毒或其他载体上, 在昆虫、酵母等真核系统和大肠杆菌原核系统中进行表达。利用抗菌肽的广谱抗菌特点, 将克隆的抗菌肽基因导入动、植物体内, 所得到的转基因动、植物具有明显的抗病能力, 由此可见, 对昆虫抗菌肽的研究不仅具有重要的理论意义, 而且具有广阔的应用前景。当昆虫受到外界抗原刺激, 如病原微生物的入侵时就会迅速地被诱导合成抗菌肽。抗菌肽还具有热稳定性、水溶性好、无免疫原性、抗菌谱广等的特点。现在抗菌肽被认为是从细菌到昆虫乃至高等哺乳动物体内均普遍存在的一类防御性多肽, 称之为 “ 第二防御体系” 。
抗菌肽和常规的抗生素不同, 抗生素是通过一系列酶合成的产物, 而抗菌肽则是某个特定编码的产物。在杀菌机理上, 抗生素一般是通过抑制细菌细胞壁、蛋白质或 DNA 等的合成来达到杀菌的目的, 所以抗生素的抗菌一般是用特殊的受体, 细菌容易通过变异对抗生素产生抗药性, 而抗菌肽抗菌时一般没有特殊的抗体, 抗菌肽一般是通过物理的作用造成细胞膜的穿孔而达到广谱抗菌的效果, 所以抗菌肽的使用不易产生抗菌性和交叉抗性。
昆虫诱导出的这些抗菌物质不仅具有广谱的抗细菌、抗病毒活力, 而且还具有抗真菌、抗疟原虫和抗锥虫的活性, 昆虫抗菌肽对肿瘤细胞和癌细胞具有特异性的杀伤作用, 而对正常的细胞无害, 更引人关注的是, 有些昆虫的抗菌物质对一些 DNA和 RNA病毒有明显的抑制作用。目前, 在抗菌蛋白和抗菌肽的诱导机理、抗菌蛋白和抗菌肽的一级结构和三级结构以及抗菌物质对细菌、真菌等病原体作用机理的研究方面也取得了很多进展。
3、抗菌肽的分类
抗菌肽按其结构、功能分为: 杀菌肽、防御素( 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 ) 。昆虫抗菌肽包括天蚕素类 ( Cecropins ) 、昆虫防御素 ( 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 ) 。
抗菌肽按其来源一般又可分为以下几类: ①哺乳动物抗菌肽, 哺乳动物抗菌肽主要存在于嗜中性粒细胞及皮肤和黏膜的上皮细胞, 其中研究最多的是防御素类抗菌肽, 也是抗菌肽家族中最大的一类; ②两栖动物抗菌肽, 两栖动物皮肤长期裸露,在长期的自然选择过程中为抵御有害环境因子侵袭逐渐形成了一系列保护机理——它们的皮肤分泌液含大量的杀菌和防御天敌的生物胺及抗菌肽类物质, 其含量之高是哺乳动物无可比拟的, 因而被称为生物胺和抗菌肽的大储存库; ③昆虫抗菌肽, 昆虫在动物界中数量最多, 分布最广, 并且有高度的适应能力和防御机理, 昆虫免疫防御体系中没有抗体、补体的参与, 主要是由一系列抗菌肽发挥作用, 自1981年Boma等人首次从惜古比天蚕的蛹中诱导出抗菌肽——天蚕素以来, 已有170多种昆虫抗菌肽被发现; ④植物抗菌肽, 同昆虫一样, 植物虽无特异的免疫系统, 但对动物细胞有一定的杀伤作用, 而且与动物和细菌抗菌肽相比, 植物防御素抑杀真菌的活性很高; ⑤细菌抗菌肽, 虽然抗菌肽能被抑杀, 但是细菌也能产生抗菌肽来保护自己,其中, 细菌素是最常见的一类抗菌肽, 它能特异性杀死竞争菌, 而对宿主自身无害。
4、昆虫抗菌肽的应用前景
各种动物在长期的自然进化过程中, 其体内已建立了平衡的微生物菌群共生生态系统, 并建立了一套维持其体内菌群稳态的机制。抗菌肽是这一机制中的主要因子之一, 并广泛存在于所有脊椎动物和无脊椎动物机体中。高等动物肠道微生物菌群发达, 不同动物的肠道内源性抗菌肽能抑制其相应的外源性病原菌, 而对动物肠道中共生生态系统中的微生物和动物细胞无杀伤作用, 即高等动物肠道抗菌肽具有 “ 种” 特异性。尽管高等动物肠道抗菌肽具有此优点, 但它们在动物体内表达分泌量有限, 加上现代畜禽饲养业日益呈集约化, 病原传播和入侵及各种应激作用日益强化, 使得畜禽肠道表达量有限的抗菌肽更难以对动物自身的保健起很大作用。如能应用抗菌肽作饲料添加剂, 则可使饲养动物受到外源病原菌入侵或应激时能特异性地维持其健康和生长。寻找各种饲养动物内源性抗菌物质, 以现代生物技术方法, 工业化生产这些在抗病原菌上具有动物 “ 种” 专一性或特异性的系列产品, 无疑将是
“ 后抗生素时代” 的一条出路。
仔猪腹泻、奶牛乳房炎及各种病毒性疾病如猪瘟、鸡新城疫等一直是棘手的疾病, 严重影响畜牧业和养殖业的发展。借鉴已成功的昆虫抗菌肽转基因工程, 如转基因蚊子、转基因马铃薯、转基因水稻等, 把特异的抗菌肽基因转入畜禽特定细胞让其表达, 从而产生抗病新品种, 不失为一条发展畜牧生产的新思路, 前景深远。抗菌肽基因表达调控及抗菌肽添加剂研究表明, 抗生素添加剂的使用严重破坏了动物肠道的微生物平衡, 并易在动物体内残留, 严重影响了畜产品的品质和人类的健康, 应用环保型抗菌肽添加剂, 无疑将是一条新的出路。家蝇抗菌肽在畜牧业中的试验表明, 针对肉鸡的试验, 显示抗菌肽能够提高肉鸡饲料转化率 3.64%,成活率提高10%; 乳猪的试验表明, 家蝇抗菌肽可以有效降低仔猪黄痢和白痢的发生率, 显著提高仔猪的成活率。
苍蝇、黑水虻, 这种大自然创造的神奇的物种, 为我们抵御自然, 将会带来一屡曙光。作为一种新发现的物质, 抗菌肽的应用方向仍在不断探索之中。经过多方研究, 抗菌肽显示出诱人的应用前景—— —即抗生素替代药物。