以機制對抗耐藥性：多肽抗生素綜述

       WHO已經警告，抗生素耐藥問題正日趨嚴重，而新開發(fā)的抗生素不足以應對人類的感染風險。不過，不少公衛(wèi)專家認為，50年后我們仍會有抗生素問世，只不過與現(xiàn)有的抗生素形式不同。展望未來之前，可以先回顧我們取得的歷史成就。

       多肽抗生素（AMP，Antimicrobial Peptides），也稱為抗菌肽、宿主防御肽，是在各種生物體中發(fā)現(xiàn)的天然存在的多肽分子，來源包括人類、動物、植物和微生物。這些肽在先天免疫系統(tǒng)防御微生物感染方面發(fā)揮著至關重要的作用。它們具有抗菌特性，可以抑制生長或殺死多種微生物，包括細菌、真菌、病毒，甚至一些寄生蟲。

       AMP具有廣譜活性，可以針對多種病原體，有效對抗各種類型的細菌、真菌和病毒。這種廣譜活性在處理耐藥微生物時尤其有價值。AMP通常會快速破壞微生物細胞膜的完整性，導致細胞裂解和死亡。這種快速作用模式與許多針對特定細胞過程的傳統(tǒng)抗生素形成鮮明對比。除了直接抗菌作用外，一些 AMP還可以調節(jié)免疫反應。它們可以將免疫細胞遞送到感染部位，增強吞噬作用（免疫細胞吞噬和消滅病原體的過程），甚至具有抗炎特性，包括皮膚感染、呼吸道感染和全身感染的局部治療。人們還在研究它們在傷口愈合、癌癥治療和其他醫(yī)療應用中的潛力。

       由于AMP針對微生物細胞膜的物理結構而不是特定的細胞過程，因此它們導致微生物產生耐藥性的可能性較低。這使它們成為對抗耐藥菌株的潛在候選者。

       AMP的例子包括防御素、抗菌肽等。這些肽是抵御感染的第一道防線的一部分，由多種細胞產生，包括白細胞和皮膚、粘膜和其他組織中的上皮細胞。研究人員正在積極研究抗菌肽，以更好地了解其作用機制，優(yōu)化其在臨床環(huán)境中的使用，開發(fā)新的治療策略來對抗感染和抗生素耐藥病原體。

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       粘菌素，第一個藥用多肽抗生素

       1947年，第一個抗生素多肽多粘菌素（polymyxins）家族被發(fā)現(xiàn)，由多粘類芽孢桿菌 (Paenibacillus polymyxa) 產生，[1] 包含多粘菌素B1, B2, E等成員（圖1）。

       圖1. 多肽抗生素多粘菌素：多粘菌素B1，多粘菌素 B2，多粘菌素E（colistin）化學結構。

       多粘菌素首次臨床應用是在1959年，粘菌素（Colistin, 粘菌素中文名與其家族多粘菌素容易混淆。粘菌素也被稱為多粘菌素polymyxin E）。Colistin（polymyxin E）是一種抗生素藥物，用作治療包括肺炎在內的多重耐藥性革蘭氏陰性菌感染的最后手段。粘菌素于1949年在日本首次由Y. Koyama從一瓶發(fā)酵的多粘芽孢桿菌中分離出來， 并于1959年用于臨床，商品名為Cortisporin?。

       多粘菌素鈉是一種毒性較低的前藥，于1959年可用于注射。在1980年代，由于腎毒性和神經毒性，多粘菌素的使用被廣泛停止。隨著多重耐藥細菌在1990年代變得更加普遍，粘菌素開始重新審視作為一種緊急解決方案，盡管它具有毒性。[2]

       粘菌素Colistin是一種表面活性劑，可滲透并破壞細菌細胞膜。粘菌素是聚陽離子的（含有多個2,4-二氨基丁酸Dab殘基），同時具有疏水性和親脂性部分。它與細菌細胞質膜相互作用，改變其滲透性。這種作用是殺菌的。還有證據(jù)表明多粘菌素進入細胞并沉淀細胞質成分，主要是核糖體。

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       多肽抗生素（AMPs, Anti-Microbial Peptides）

       常見抗生素，根據(jù)其藥理學和化學結構，可以大致分為：青霉素類（Penicillins）、頭孢菌素類（Cephalosporins）、四環(huán)素類（Tetracyclines）、氨基糖苷類（Aminoglycosides）、大環(huán)內酯類（Macrolides）、克林霉素類（Clindamycin）、磺胺類（Sulfonamides）、甲氧芐啶（trimethoprim）、甲硝唑（Metronidazole）、替硝唑（tinidazole）、喹諾酮類（Quinolones）、呋喃妥因（Nitrofurantoin）和多肽類。

       多肽類抗生素（AMP，或稱抗菌肽）是一類化學性質不同的抗感染和抗腫瘤抗生素。屬于AMP的多肽抗生素包括放線菌素-D（actinomycin D/Cosmegen?）, 桿菌肽（bacitracin /Bacitracin?），粘菌素（colistin /Cortisporin?），以及多粘菌素 B（polymyxin B）（圖1,2）。放線菌素-D 已用于癌癥化學療法。大多數(shù)其他多肽抗生素對于全身給藥而言毒性太大，但可以作為淺切口和擦傷的防腐劑安全地局部給藥于皮膚。

       圖2. 多肽抗生素放線菌素-D (actinomycin D) 和桿菌肽 (bacitracin) 化學結構。

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       多肽抗生素抗菌機理

       抗生素的抗菌機理大致可以分為三大類：抑制細胞壁合成、增加細胞膜通透性、干擾蛋白質合成、核酸代謝和其他代謝過程（如葉酸合成）（圖3）。

       圖3. 常見的抗生素抗菌機制

       多肽抗生素AMPs主要通過兩種不同的機制發(fā)揮其抗菌作用: 1) 靶向膜的 AMP 破壞細菌細胞膜結構的完整性；2）非膜靶向的 AMP則主要通過抑制核酸、酶和其他功能蛋白的合成（圖4）。這兩種機制中，前者破壞細菌膜的穩(wěn)定性，破壞細胞膜；后者能夠跨膜轉移而不破壞細胞膜，但會破壞正常細胞功能。

       圖4. 多肽抗生素AMPs作用機制。（圖片來源：Journal of Applied Microbiology）

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       膜破壞機制

       膜活性多肽抗生素可以通過受體介導或非受體介導的相互作用與微生物細胞表面相互作用，甚至有些高效的AMP無需任何特定受體即可與細胞表面上的一般目標產生初始相互作用。AMP的物理化學特性，例如凈電荷、疏水性、兩親性、膜曲率和自聚集傾向，在導致膜完整性破壞的肽-膜相互作用的管理中具有重要作用。[3]這種抑制導致細胞包膜的滲透性增加、細胞內容物滲漏，最終導致細胞死亡。

       膜活性AMP的作用機制主要依靠陽離子和疏水作用。尤其是帶正電荷殘基（例如精氨酸和賴氨酸等）的AMP與帶負電荷的細菌細胞表面的靜電作用，為AMP與膜結合提供了重要的驅動力。[4] 細菌細胞膜的特點是帶有豐富的負電荷，例如陰離子脂質含量較高，包括磷脂磷脂酰甘油（PG）、心磷脂和磷脂酰絲氨酸，這些負電荷與AMP上的正電荷（主要是銨離子）產生強大的經典引力，而動物細胞膜則具有兩性離子磷脂，例如磷脂酰膽堿（PC）和鞘磷脂（因此較小受到AMPs的破壞與干擾）。

       此外，磷壁酸、脂磷壁酸和脂多糖（LPS）是其他帶負電荷的細菌細胞表面成分，也被認為是AMP的潛在靶標。因此，與AMP和細菌膜之間發(fā)生的相互作用相比，AMP和哺乳動物細胞膜之間的靜電相互作用相對較弱。此外，哺乳動物細胞膜含有膽固醇，可增強細胞膜的穩(wěn)定性并阻止AMP的插入，[5] 為AMPs使用的安全性提供了保障。

       除了豐富的負電荷之外，疏水性本身也是肽的主要特征（主鏈與疏水性的側鏈），控制疏水殘基與膜脂脂肪?；湹南嗷プ饔?，從而控制肽的跨膜片段插入，以及分配到雙層的疏水核心中，也是多肽抗生素干擾破壞細菌細胞膜的重要機制之一。[6]但并非疏水性越高越好，一般來說，中等疏水性肽具有最 佳活性，而高度疏水性肽表現(xiàn)出強烈的溶血活性和降低的抗菌活性。[7] 除此之外，多肽的兩親性 (同時具備親水和親脂的結構) 有助于AMP的α-螺旋二級結構與膜的結合親和力。兩親性 AMP的疏水性殘基與脂質雙層結合，而它們的親水性殘基與磷脂基團相互作用。[8]

       隨著與膜結合的AMP濃度增加，它們會產生肽-肽或脂質-肽復合物。當AMP在膜中的積累達到臨界聚集濃度時，AMP會滲透到雙層的疏水核心并在細胞質膜中形成跨膜孔（圖4）。[9]

       ●　在桶板模型中，AMP 分子通過多肽親水區(qū)域的相互作用和自組裝吸附在膜表面。當橫向積累的肽單體在膜上達到一定密度時，肽塊垂直旋轉到質膜。最后，肽塊位于雙層的疏水區(qū)域，并構建一個親水表面向內的通道。[10]

       ●　環(huán)形桶模型中，肽垂直插入雙層中，類似于桶壁模型，但形成肽-脂質復合物，而不是肽-肽相互作用。肽的這種構象促進細菌細胞膜的局部彎曲，部分被肽包圍，部分被磷脂頭基團包圍，導致形成“環(huán)形孔”。[11]

       ●　在地毯模型中，由于帶正電荷的陽離子肽和帶負電荷的極性磷脂頭之間的相互作用，AMPs平行于膜表面結合。當肽達到臨界濃度后，它們重新定向到膜內部并形成具有疏水核心的膠束，導致膜崩解。[11]

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       非膜活性機制

       雖然AMP的殺菌作用最初是由膜活性機制主導的，但隨后人們了解到許多AMP靶向必需的細胞成分和細胞功能，導致細菌死亡的機制。這些AMP首先在不干擾細胞膜的情況下轉移到細胞內，然后通過與細胞內靶標相互作用來阻止關鍵的細胞過程。例如抑制蛋白質和核酸的合成，以及酶和蛋白質的降解。[12] 更具體地說，多肽抗生素可以阻止細胞質中合成的肽聚糖前體轉運到在細菌細胞壁，肽聚糖是細菌細胞壁形成的關鍵因素。這種同一抑制細菌細胞壁生長，從而抑制細菌復制的多肽抗生素，是開發(fā)新抗菌藥物的主要力量。

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       多肽抗生素的耐藥性問題

       許多傳染性病原體，尤其是革蘭氏陰性菌，已經對常規(guī)抗生素產生了耐藥性。在極少數(shù)情況下，這些病原體對所有市售抗生素都有耐藥性。這種耐藥現(xiàn)象不僅限于細菌，還延伸到致病真菌、病毒和寄生蟲。同其它類型的抗生素一樣，AMPs也面臨著耐藥性的挑戰(zhàn)。耐藥性是細菌響應這些藥物的使用而發(fā)生突變的結果，例如通過阻斷作用位點產生耐藥性，因此它不能對抗細菌的功能。這種耐藥性發(fā)生的方法可能解釋了多肽抗生素無法作用于革蘭氏陰性菌，即具有薄肽聚糖層的細菌，其中生長培養(yǎng)基的變化導致細菌外膜發(fā)生變化而使得AMPs無法作用。[13]

       相對來說，多肽類抗生素較少出現(xiàn)耐藥性，例如桿菌肽。在大多數(shù)情況下，多肽克服耐藥性的能力源于它們抑制細胞壁合成的作用機制，從而在耐藥性能夠形成之前阻止細菌細胞的增殖。這些新型抗生素可以替代傳統(tǒng)抗生素，細菌衍生的多肽抗生素是人類對抗細菌耐藥性的重大寶庫。特別是從芽孢桿菌（Bacillus species）中分離出的多肽抗生素，有可能成為克服當前抗生素缺點的最有前途的候選者。[14]

       各種芽孢桿菌菌株的多肽抗生素已被廣泛表征，并且已發(fā)現(xiàn)其中許多肽適用于各種應用。[15] 芽孢桿菌屬產生大量具有不同基本化學結構的肽類抗生素，[16] 包括細菌素、糖肽、脂肽和環(huán)肽。[17] 因此，芽孢桿菌屬的多肽抗生素可能是傳統(tǒng)抗生素的有前途的替代品，可有效治療單藥和多藥耐藥的傳染性病原體。[18]

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       上市多肽抗生素

       目前，乳鏈菌肽nisin、短桿菌肽gramicidin、多粘菌素polymyxins、達托霉素daptomycin和蜂毒肽melittin因其抗菌效力而在臨床上用作抗生素。

       ●　Nisin乳鏈菌肽

       乳鏈菌肽Nisin是FDA批準的GRAS（generally regarded as safe通常被認為是安全的）肽，具有公認的臨床應用潛力。近二十年來，乳鏈菌肽的應用已擴展到生物醫(yī)學領域。研究報道，乳鏈菌肽可以阻止耐藥菌株的生長，如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、肺炎鏈球菌、腸球菌和艱難梭菌。現(xiàn)在已證明乳鏈菌肽對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性疾病相關病原體具有抗菌活性。據(jù)報道，乳鏈菌肽具有抗生物膜特性，可以與常規(guī)治療藥物協(xié)同作用。此外，與宿主防御肽一樣，乳鏈菌肽可激活適應性免疫反應并具有免疫調節(jié)作用。越來越多的證據(jù)表明乳鏈菌肽可以影響腫瘤的生長并對癌細胞表現(xiàn)出選擇性細胞毒性。[19]

       ●　Gramicidin D短桿菌肽D

       Gramicidin D（短桿菌肽D）是一種殺菌抗生素，用于治療皮膚病和眼科感染。商品名包括Sofracort, Soframycin, Triple Antibiotic, Viaderm Kc等。Gramicidin D是三種抗生素化合物的異質混合物，Gramcidin A、B 和 C，分別占80%、6% 和14%，所有這些都從土壤細菌物種短芽孢桿菌中獲得，統(tǒng)稱為Gramcidin D。短桿菌肽是具有交替D和L氨基酸的15個殘基肽，它們在細胞脂質雙層的疏水內部組裝形成 β-螺旋。

       Gramicidin D對大多數(shù)革蘭氏陽性菌和一些革蘭氏陰性生物具有活性，主要用作局部抗生素，也存在于Polysporin滴眼液中。由于該藥物具有高度溶血性，因此不能內服，因此只能以洗劑或軟膏的形式在皮膚上使用。它主要用于治療感染的表面?zhèn)?，以及眼、鼻和喉嚨感染。它通常與其他兩種抗生素（neomycin和多粘菌素B）一起作為眼藥水給藥。

       短桿菌肽 D 結合并插入細菌膜（強烈偏好革蘭氏陽性細胞膜）。這導致膜破裂和透化（它充當通道）。這導致 (i) 細胞內溶質（例如 K+ 和氨基酸）的損失；(ii) 跨膜電位的耗散；(iii) 呼吸抑制；(iv) ATP 池減少；(v) 抑制 DNA、RNA 和蛋白質合成，從而導致細胞死亡。

       ●　Daptomycin達托霉素

       Daptomycin（達托霉素）是一種環(huán)狀脂肽類抗生素，用于治療由敏感的革蘭氏陽性菌引起的復雜皮膚和皮膚結構感染以及金黃色葡萄球菌引起的菌血癥。以Cubicin, Dapzura等商品名銷售。達托霉素適用于治療1歲及以上患者的復雜皮膚和皮膚結構感染（cSSSI）。它還適用于治療一歲及以上患者的金黃色葡萄球菌血流感染（菌血癥），包括患有右側感染性心內膜炎的成年患者。[20]

       ●　Colistin（前文介紹）

       ●　Vancomycin萬古霉素

       Vancomycin（萬古霉素）是一種糖肽類抗生素，用于治療嚴重但易感的細菌感染，例如MRSA（耐甲氧西林金黃色葡萄球菌）感染，商品名包括Firvanq, Vancocin等。萬古霉素是一種支鏈三環(huán)糖基化非核糖體肽，通常被保留為“最后的藥物”，僅在其他抗生素治療失敗后才使用。

       萬古霉素的殺菌作用主要來自抑制細胞壁生物合成。萬古霉素可防止 N-乙酰胞壁酸（NAM）和 N-乙酰葡糖胺（NAG）肽亞基摻入肽聚糖基質中，而肽聚糖基質是革蘭氏陽性細胞壁的主要結構成分。萬古霉素與NAM/NAG肽的末端 D-丙氨酰-D-丙氨酸部分形成氫鍵，阻止NAM/NAG肽亞基摻入肽聚糖基質中。此外，萬古霉素改變細菌細胞膜的通透性和RNA合成。萬古霉素與其他抗生素之間無交叉耐藥性。

       ●　Oritavancin奧利萬星

       奧利萬星（Oritavancin）是一種抗菌肽，用于治療由敏感的革蘭氏陽性菌引起的急性細菌性皮膚和皮膚結構感染。商品名包括Kimyrsa, Orbactiv等。奧利萬星適用于治療患有急性細菌性皮膚和皮膚結構（包括皮下）感染的成年患者。

       奧利萬星通過三種不同的機制對抗易感的革蘭氏陽性生物。首先，它與肽聚糖前體結合，抑制轉糖基作用（聚合）。這個過程通常發(fā)生在細菌的細胞壁合成過程中。其次，奧利萬星通過與細胞壁五甘氨酰肽橋接片段結合，抑制細菌細胞壁生物合成過程中的交聯(lián)。最后，這種藥物還通過破壞細菌細胞膜發(fā)揮作用，干擾其完整性，最終通過各種機制導致細胞死亡。[21]

       ●　Dalbavancin達巴萬星

       Dalbavancin（達巴萬星）是一種抗菌肽藥物，用于治療由敏感的革蘭氏陽性菌菌株引起的急性細菌性皮膚和皮膚結構感染（ABSSSI）。商品名為Dalvance。達巴萬星具有類似于萬古霉素的作用譜和作用機制，萬古霉素是一種天然形成的糖肽類抗菌劑。

       達巴萬星的殺菌作用主要來自細胞壁生物合成的抑制。此外，達巴萬星還能改變細菌細胞膜的通透性和RNA合成。

       ●　Telavancin特拉萬星

       Telavancin（特拉萬星）是一種抗菌肽，用于治療復雜的皮膚和皮膚結構感染，以及各種類型的醫(yī)院獲得性細菌性肺炎。商品名為Vibativ。特拉萬星是一種殺菌脂糖肽，對多種革蘭氏陽性菌具有活性。Telavancin通過與D-Ala-D-Ala 結合防止 N-乙酰胞壁酸（NAM）和N-乙酰葡糖胺（NAG）的聚合，以及肽聚糖的交聯(lián)。細菌細胞壁合成因此受到抑制。此外，由于親脂性側鏈部分，特拉萬星破壞膜電位和細胞通透性。這種額外的殺菌機制使特拉萬星有別于萬古霉素。