乳铁蛋白抑菌功能的研究进展

文 / 孙 晶 张 昊 郭慧媛 任发政

（中国农业大学教育部-北京市共建功能乳品重点实验室）

1 前言

乳铁蛋白（Lacteoferrin）是一种分子量约为80 KDa的活性铁结合糖蛋白，是转铁蛋白家族的一员。它最初于1939年由Sorensen从牛乳中分离，后来的研究发现，它还存在于动物的血液、泪液、唾液、汗液、精液、羊水、胰液、胆汁、小肠液及外分泌液中，其中，乳铁蛋白在乳中的含量最为丰富，特别是在初乳中浓度较高，人的初乳中乳铁蛋白含量可达7 mg/mL，牛的初乳中乳铁蛋白的浓度平均为1 mg/mL（表1）。

乳铁蛋白具有独特的生理调节功能，能增强铁的传递并利于人体吸收，并且具有广谱的抗革兰氏阴性菌和阳性菌、真菌甚至抗病毒和抗肿瘤的作用，在抵御病原体侵染、增强机体免疫力等方面发挥积极作用[1]。表2中总结了近年来从乳铁蛋白的发现到结构鉴定，及各种生理功能的研究进展。本文中，我们着重介绍乳铁蛋白的广谱抑菌作用及其机制，以及口服乳铁蛋白对于生物体肠道菌群的调节作用。

2 乳铁蛋白的抑菌功能

2.1 限制细菌对于铁离子的利用

作为宿主防御的第一道防线，许多生物自身都能产生抗菌蛋白或抗菌肽，大量存在于分泌液中。其中，含量最丰富的抗菌蛋白有溶解酵素、胶原凝集素以及乳铁蛋白。乳铁蛋白主要的生理功能之一就是结合铁离子，因此，乳铁蛋白通过结合大多数致病菌上的必须营养物质—铁离子，从而抑制细菌的生长，这也是研究者们最初发现的乳铁蛋白抑菌作用的机理。起初，乳铁蛋白结合细菌中的铁离子被一度认为是其抑菌作用的唯一途径，许多研究表明只有缺铁型乳铁蛋白才具有抑菌功能，随着铁饱和度的增加，抑菌活性下降[17～19]。

2.2 与乳铁蛋白表面阳离子相关的杀菌作用

随后的研究发现，乳铁蛋白能够杀死金黄色葡萄球菌，而这种作用与铁离子螯合作用无关[20]，因此推测，乳铁蛋白的抑菌作用有可能与其直接接触细菌细胞表面有关[21，22]。乳铁蛋白的晶体结构显示其含有大量的阳离子（图1），促进了乳铁蛋白与革兰氏阴性菌的主要成分脂多糖中带阴离子的脂质A之间的相互作用[23，24]，从而损坏细菌细胞膜，改变细菌外膜的通透性，导致脂多糖的释放[25]。Ellison等假设乳铁蛋白的抑菌作用类似于EDTA，都可以引发细菌细胞膜的脂多糖释放。同时，研究证实乳铁蛋白能够直接结合钙离子[26]，这有力地支持了螯合理论，同时也解释了乳铁蛋白的广谱抑菌作用[27，28]。

2.3 水解细菌分泌的毒性蛋白

研究显示，乳铁蛋白的N端具有一个类似丝氨酸蛋白酶的活性位点，并且乳铁蛋白能够水解IgA1和Hap这两个Haemophilus influenaze上的自动转移蛋白，因此能够缓解细菌毒性，抑制细菌定植[29]。之后的研究还显示，乳铁蛋白能够断裂精氨酸富集区域的蛋白，其蛋白酶活性位点也在N端[30]。许多细菌能够感染人类细胞，就是在发现靶细胞的存在之后，细菌开始分泌毒蛋白，而乳铁蛋白能够水解掉部分毒蛋白，如Shigella分泌的IpaB和IpaC，类似的报道还有乳铁蛋白引发致病性Escherichia coli的III型分泌蛋白（EspA，EspB 和 EspC）的降解，从而抑制了细菌毒力和细菌粘附，引发HEp2细胞肌动蛋白聚合[31，32]。

2.4 抑制生物膜的形成

生物膜是指一些病原细菌通过自身分泌大分子多聚物，吸附营养物质代谢产物以及细菌裂解产物等物质，与邻近的菌体形成有组织的细菌群体，形成生物膜的细菌能够对抗机体免疫防御系统，并对抗生素产生抗性。生物膜的形成代表着细菌的定植，如囊泡性纤维症中的Pseudomonas aeruginosa[33]，而乳铁蛋白能够抑制Pseudomonas aeruginosa的菌膜形成[34]。生理浓度的乳铁蛋白存在条件下，同样能够抑制囊泡性纤维症中的另一个对抗生素有着超强耐受性的危险因子Burkholderia cepacia的生长，且乳铁蛋白能够增强Burkholderia cepacia对于抗生素的敏感度[35]。因此，乳铁蛋白作为铁离子螯合剂可以通过结合生物膜上的铁离子来破坏其结构，实现抑菌功能。

表2 乳铁蛋白主要生理功能的研究进展

图1 乳铁蛋白的结构

3 乳铁蛋白对肠道菌群的调节作用

人类与其体内共生的微生物共同组成了一个“超级生物体”。人体正常的生理代谢是由宿主基因和有着“第二基因组”之称的机体共生微生物共同调节。大量文献表明，肠道菌群与机体代谢及慢性代谢性疾病密切相关，如结肠癌、肥胖、糖尿病等。饮食介入能够有效调节肠道菌群的组成和活性，从而促进宿主健康，这种促进作用主要通过以下途径实现：（1）食物中碳水化合物和蛋白质到达结肠后经肠道菌群发酵产生能量[36]；（2）短链脂肪酸作为肠道菌群代谢的终产物，能够降低肠道pH值从而起到抗病原体的作用[37]；（3）产生抗菌物质[38]；（4）肠道菌群通过和致病菌竞争肠道黏膜上的粘附受体和肠道内的营养物质，同时激活宿主免疫来加强肠道的屏障功能[39，40]。

20世纪80年代末期，研究者们开始对于口服乳铁蛋白的体内益生作用进行研究。基于乳铁蛋白的广谱抗菌作用及对于双歧杆菌等有益菌的益生作用，有学者推测口服牛乳铁蛋白对于肠道菌群有一定的调节作用。早期的研究主要集中在牛乳铁蛋白作为婴儿配方奶粉的一种添加成分，对于新生婴儿这个特殊群体肠道菌群组成的调节作用。Kawaguchi等的研究指出含牛乳铁蛋白1 mg/mL的婴儿配方奶粉能够增加婴儿肠道内双歧杆菌的比例，同时降低肠杆菌和梭菌的比例，但是对于出生体重偏低的婴儿没有作用[41]。Roberts等指出，含牛乳铁蛋白1 mg/mL的婴儿配方奶粉能够在婴儿肠道内建立起以双歧杆菌为优势菌的肠道菌群，而含0.1 mg/mL牛乳铁蛋白的婴儿奶粉没有作用[42]。20世纪90年代以后，对于这方面的研究逐渐拓展到婴儿以外的生物体，应用实验动物和新的研究方法得到了口服乳铁蛋白调节肠道菌群组成的更直接的证据。1993年，Teraguchi等研究了口服牛乳铁蛋白对于服用牛乳的SPF小鼠的体内抑菌作用，研究指出，与饮用添加2%牛乳铁蛋白的牛乳相比，只饮用牛乳的SPF小鼠粪便中肠杆菌科细菌的数量增长更为显著，且粪便中能够分离出Eshcherichia coil和proteus mirabilis两个主要菌属，但是添加牛乳铁蛋白后，肠杆菌科细菌数目恢复正常，且这种抑菌作用与添加剂量和持续服用时间相关，与牛乳铁蛋白的铁离子螯合作用无关。同一作者在另一篇报道中还指出，添加2%牛乳铁蛋白的牛乳能够有效抑制细菌移位，其原因有可能是乳铁蛋白抑制了细菌的过度生长。同时，胃蛋白酶水解后的乳铁蛋白依然能够保持类似活性[6]。尽管已有部分关于口服牛乳铁蛋白能够调节肠道菌群的报道，另外一些研究却得到了相反的结果。Togawa等运用2.5% (w/v) 葡聚糖硫酸钠诱导急性结肠炎小鼠，急性结肠炎早期病因与肠道菌群紊乱引发的炎症密切相关，而每天饲喂200 mg/kg牛乳铁蛋白对于小鼠肠道中的总菌数无显著影响[43]。Pope等运用回肠插管技术，每天将0～120 mg的牛乳铁蛋白注射到健康的成年犬体内，持续14 天，肠道菌群组成并无显著变化[44]。考虑到以上研究所使用的牛乳铁蛋白剂量不同，动物模型的差异以及肠道菌群鉴定方法的差异，对于这方面的研究还应更为深入。

4 小结

乳铁蛋白是哺乳动物分泌的一种具有多种生物功能的活性物质，现已广泛应用于食品、医疗领域。乳铁蛋白本身具有广谱的抗革兰氏阳性菌和阴性菌的作用，其作用机制包括限制细菌对于铁离子的利用，破坏细胞膜结构，清除细菌分泌的毒性蛋白，抑制组织生物膜形成等。此外，口服乳铁蛋白对于生物体肠道菌群具有调节作用，具体表现为对于有害菌过度增长的抑制作用，而对于有益菌的生长无抑制作用。这些研究结果为乳铁蛋白作为食品添加剂应用到人体和动物饲料中提供了良好的理论依据。

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