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抗菌肽在调节动物免疫力方面的研究进展

栏目:关于抗菌肽 发布时间:2020-06-17
一种古老的生物活性分子——抗菌肽

[摘要] 抗菌肽是一种古老的生物活性分子,作为宿主防御系统的重要组成成分,其广谱抗菌活性和多方面免疫调节功能,日益引起医药界和生物学界的广泛关注并逐渐成为研究热点。人们有望利用其不引起有害炎症反应的特性,来激活并加强宿主的免疫反应。作者主要综述了目前抗菌肽在调节动物免疫方面的研究进展。

[关键词] 抗菌肽;先天性免疫;特异性免疫

免疫是多细胞动物用来识别和对抗外源病菌感染的一种高效而保守的机制,在对抗炎症和感染中起重要作用。生物有机体生活在充满病原微生物的环境中,通过进食、皮肤接触等,随时都可能受感染并发病。如果皮肤和黏膜组成的第一道防线被破坏,宿主就启动先天免疫和特异性免疫来清除侵入的病原,而能迅速对病菌感染做出反应的先天免疫是生物体的重要防御机制。过去,一般认为先天免疫效应分子主要包括吞噬细胞(嗜中性粒细胞、巨噬细胞) 、肥大细胞、炎症介导因子、干扰素和补体等。经研究发现,机体内经诱导产生的自然小分子多肽——抗菌肽同样具有多方面免疫活性,是宿主免疫体系的重要组成部分(Beutler ,2004) 。

  1、抗菌肽概述  

抗菌肽(antimicrobial peptides ,AMPs) 是一类具有抗微生物活性的阳离子短肽总称。Boman等(1972)首次从惜古比天蚕(hyatophoracecropia)蛹中分离出第一个杀菌肽并命名为天蚕素(cecropin)后,人们相继在细菌、真菌、动物和植物等几乎所有生物中都发现了不同抗菌肽,目前世界上已知的抗菌肽有1200多种。按不同来源,分为杀菌肽(cecropins)、防御素(defensin) 、蜂毒素(melit tin)和蛙皮素(magainin) 等4类,研究最多的是防御素,脊椎动物中发现的防御素就有100余种。抗菌肽一般由30-40个氨基酸组成,分子质量一般为4000u,且大多数带正电荷,又称阳离子抗菌肽,具两性电解性质,水溶性好。不同序列的抗菌肽,结构差异也很大,包括α和β2折叠型,环状结构的抗菌肽。一般认为这种结构多样性是动物在应对病菌适应和多样性上的一种有选择性的进化(Hancock等,1998) 。

抗菌肽不仅可以由嗜中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞产生,在黏膜和皮肤的上皮细胞、枝状细胞和角蛋白细胞中都可以产生。可以为组成型表达,也可以由前炎症因子和体外病原诱导产生(Zasloff ,2002) 。

  2、抗菌肽的体外活性  

已有的研究结果表明,抗菌肽在体外可直接杀灭病原微生物, 具有广谱抗菌活性, 不仅可以抗G+ 、G-菌和真菌、原虫等多种病原微生物,还可以抗肿瘤和癌细胞,甚至可以直接杀灭有包膜的流感病毒、疱疹病毒、艾滋病病毒等,是宿主防御外界病原体入侵的重要分子屏障。对于抗菌肽直接杀灭病原微生物的作用机理,存在很多不同观点(McCaf2ferty等,1999)。最为广泛接受的是膜攻击观点,即抗菌肽通过结合于细胞质膜上,导致膜通透性增大的方式来杀死细菌这点上是达成共识的。这也正是抗菌肽与青霉素等传统抗生素对细菌作用机不同的本质所在,从而大大降低了耐药菌株产生的几率。一般,抗菌肽对正常宿主细胞是无害的,但一些特殊抗菌肽如蜜蜂毒液中的蜂毒素、蜂毒肽和蝎子毒液中的蝎毒素等对正常宿主细胞有潜在的毒性。毒性识别主要基于靶目标膜的脂质组成(不含胆固醇、带负电荷表面)和电位差(Lehrer等,2002;Wieprecht 等,2000) 。

  3、抗菌肽的免疫调节活性  

抗菌肽是生物在长期进化过程中为适应环境、求得生存而最早产生的免疫活性分子,具有选择性效应和分子质量小无抗原性等特点,被认为是天然免疫的重要介质,在宿主对抗病原入侵的免疫防御中起着极其重要的作用,因此被形象地称为“天然抗菌剂”或“阳离子宿主防御肽”(Hancock 等,2000) 。大量研究结果证明,作为宿主防御系统的重要组成成分,抗菌肽在体内除了能以直接杀死病原菌的方式起作用外,更多的时候是作为免疫效应分子来启动、调节宿主免疫防御体系,从而促进免疫功能来消除感染,保护宿主免受病原微生物侵害。

3. 1 适应性表达可提高宿主抗感染能力
早在一些动物模型的试验中,人们就发现抗菌肽的表达与机体抗感染过程密切相关。如牛感染似隐孢菌时,肠防御素含量提高5倍;猪感染沙门氏菌时,cathe2licidin 的表达量增加3倍。同样地,在一些感染疾病的人类患者中也可以看到类似的结果,如感染肺炎球菌的病人,其细胞质中hBD22的表达量增加4倍;患有特异性颗粒缺乏综合征病人缺乏аdef2ensins,会经常发生严重的细菌感染;表达低水平富组蛋白肽的HIV病人容易感染口腔念珠菌和真菌(Tani等,2000 ; Yang等,2001) 。

大量的转基因动物试验和早期的临床研究结果表明,抗菌肽具有促使巨噬细胞和激活的淋巴细胞凋亡来消灭感染细胞的功能,在由细菌和真菌引起的局部或系统感染中,抗菌肽起重要的保护作用。如特异表达小肽Shiva1a的转基因小鼠可以抵抗流产布鲁氏菌的感染;在大鼠呼吸道中大量表达源于人的cathelicidin基因,可以使其抗感染能力增强;在培养的细胞中大量表达防御素同样可以提高细胞抵抗细菌和病毒感染的能力(Bals等,1999;Menen2dez等,2007) 。虽然抗菌肽的产生没有抗体那么精致的特异性机制,但是有机体也可以对不同的病原菌表达出相应的抗菌肽,如当果蝇受昆虫病原真菌自然感染时,体内只产生抗真菌肽。


3. 2 促进淋巴细胞增殖
淋巴细胞是机体内重要的免疫细胞,其增殖和分化是机体免疫应答过程的一个重要阶段。因此,通过对淋巴细胞的检测可以间接地证明动物机体的免疫水平。杨静静(2007)通过酶解法从牛乳酪蛋白中提取了一种富含酪氨酸的新型抗菌肽(Trpi),MTT法试验结果表明,Trpi在体外可以极显著地刺激小鼠脾脏淋巴细胞的增殖,而在体内可以上调小鼠免疫器官脏器指数,发炎细胞因子IL21β、IL26及抗炎细胞因子IL210及IL24。

3. 3 充当免疫细胞的趋化因子 
抗菌肽可直接充当中性粒细胞、单核细胞、肥大细胞和T辅助细胞的趋化因子或刺激宿主细胞中性粒细胞和单核细胞趋化因子的释放,使它们能快速聚集在炎症反应部位,发挥相应的功能并消除炎症(Yang等,2002) 。如源于人hCAP18(cat helicidin蛋白家族成员之一)的LL237,是由37个残基组成且含有COOH2末端的阳离子肽,可由体内中性粒细胞和上皮细胞产生。试验结果表明,LL237对单核细胞和由甲基肽类似受体(FPRL1)转染的肾胚胎细胞具有趋化作用,同时还可以趋化中性粒细胞和表达FPRL1的T淋巴细胞,且这种趋化作用同化学动力作用是完全不同的(Kim 等,2005) 。

3. 4 促进吞噬细胞的吞噬能力 
吞噬细胞在宿主防御病菌和清除坏死组织方面具有重要的作用,被誉为“人体健康的卫士”,是机体发生急性炎症时的主要反应细胞。抗菌肽可以通过提高介导趋化反应的整合素的表达,促进非调理素引起的吞噬作用。如LL237可以有效调节免疫系统中枝状细胞的分化,分化后的细胞其吞噬能力大大加强;同时细胞的这种吞噬功能并不是单一的,它还可以加强Th21诱导细胞因子的分泌,提高Th21的体外反应活性(Davidson 等,2004) 。

3. 5 调节相关免疫辅助细胞及免疫因子的活性
当宿主感染外源病菌或受到创伤时,抗菌肽可通过调节相关免疫细胞的活性促进机体的免疫进程。如源于人的cathelicidin,可促使炎症反应中的重要因子之一的肥大细胞脱粒化以释放组胺,进而导致随后的血管舒张来释放血液中的相关免疫细胞,同时作为肥大细胞向炎症部位移动的有效的趋化因子(Niyonsaba等,2002)。当伤口感染病菌时,抗菌肽还可以通过激活血纤维蛋白溶酶原来抑制纤维蛋白凝块的溶解,阻止病原菌进一步扩散;同时提高纤维原细胞的趋化、生长和淋巴细胞、血管内皮细胞的增殖,促进组织和伤口愈合。如а2防御素、β2防御素22、LL237和histatins(Hancock等,2000;Hiemstra等,2004)。抗菌肽还可上调某些生长因子和生长因子受体的表达,微量测定试验结果证明,抗菌肽可选择性地正调节30多种基因的表达。

3. 6 调节炎症反应
先天免疫系统的过量激活和放大可以引起对宿主损害,而抗菌肽则可以抑制体内过量的炎症反应。如抑制细菌产物(如脂多糖、脂壁酸)诱导产生对宿主有害的细胞因子, 抑制前炎性细胞因子(如TNF2α、IL26) 基因的转录,避免细菌产物(如脂多糖、脂壁酸)引起内毒素血症的发生;抑制某些对伤口愈合有抑制作用的酶的活性,如组织蛋白酶、弗林蛋白酶(一种内切蛋白酶) ,抑制伤口的恶化( Hiemst ra 等,2004 ; Finlay等,2004) 。如源于人的a2防御素HNP2123 。由B. ant hracis 产生的致命毒素(LT)是一个致病因子,具有锌依赖的金属酶活性,作用于宿主细胞中特定的MAPK蛋白激酶。HNP2123能在体外和体内范围内消除毒素并保护由毒素引起的死亡(Kim等,2005) 。此外抗菌肽还能阻止一些毒性物质的释放以免引起过多的组织损伤和炎症反应。

3. 7 启动和调节特异性免疫
若先天性免疫不足以消除感染,抗菌肽则通过信号传递途径,起动并扩大宿主的特异性免疫反应,充当先天免疫和特异性免疫之间信号传导的桥梁。如动物体内的防御素和cathelicidin通过与iDCs和淋巴细胞受体的相互作用,从而激活宿主特异性免疫反应(Davidson等,2004) 。抗菌肽的免疫调节活性是多方面的,它可以直接杀灭细菌,也可以通过调节免疫相关受体,间接地维护宿主免疫功能的稳定和动态平衡。单个抗菌肽可以同时具有上述的一种或多种功能,而每个免疫反应过程则可能需要一个或多个不同的抗菌肽共同合作(图1) 。


图1  抗菌肽在宿主防御体系中的免疫活性

  4、展望  

在哺乳动物中,由基因编码的抗菌肽在宿主遭受病原入侵时经诱导产生,利用真核生物中保守的信号转导途径,同时诱导先天免疫的其它效应元件。抗菌肽的宿主原性、天然免疫活性、广谱抗菌活性和分子质量小、作用机理独特等特征,赋予其传统抗生素所不具备的诸多优点,有望在解决提高宿主机体免疫力的同时带来有害炎症反应和毒副作用等问题中,发挥独有的重要作用。抗菌肽的研究及应用已成为生物制药、动物保健和食品化工等领域的研究热点。很多抗菌肽药物已经在医药范围内得到广泛的应用(Hiemstra等,2004)。但是同时有很多问题需要进一步研究解决,抗菌肽的理化性质方面的研究已经比较清晰,但其构象与作用机制之间的关系,体内具体作用位点及吸收后在体内分布情况,表达水平与各种疾病的相关性、抗菌肽在生命体特别是高等生命体防御系统中的准确定位及生物模式等还需要进一步的研究。还有重要的一点是关于抗菌肽的下调问题及如何维持他们在体内的动态平衡,这是一个重要的研究领域。因为抗菌肽可以达到体内的毒性水平,如在转基因小鼠模型中,持续过度表达mBD26可引起肌肉的功能退化。有报道指出,抗菌肽的免疫活性可以被宿主体内的一系列相关因子抑制,如一价或二价阳离子浓度、聚阴离子、血清、载脂蛋白A21、丝氨酸类蛋白酶(Finlay等,2004;Yamaguchi等,2007)。可以推测,某些下调炎症反应的机制,可能同时直接或间接地下调抗菌肽的表达。对抗菌肽的表达水平和慢性炎症之间的可能关系的研究将会是一个重要的突破领域。随着抗菌肽作用机理研究的不断深入发展和应用领域的不断拓展,对抗菌肽功能及其表达调控机制的了解越来越多,抗菌肽的市场应用前景必将更为广阔。

 

  本篇重点摘录  

目前,抗菌肽在调节动物免疫方面主要通过以下几种方式:
1  适应性表达
    
有机体可对不同病原菌表达出相应的抗菌肽,从而提高宿主抗感染能力。
2  促进淋巴细胞增殖
3  充当免疫细胞的趋化因子
    
抗菌肽可直接充当中性粒细胞、单核细胞、肥大细胞和T辅助细胞的趋化因子。
4  促进吞噬细胞的吞噬能力
5  调节相关免疫辅助细胞及免疫因子的活性
    当宿主感染外源病菌时,抗菌肽可促进机体免疫进程。
6  调节炎症反应
    抗菌肽可抑制体内过量的炎症反应。

7  启动和调节特异性
免疫

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