抗菌肽的活性机制及其在养殖业中的应用研究进展

王 青，张伟涛，徐彦召，刘保国，张慧辉，胡建和*

(1.石河子大学 动物科技学院，新疆 石河子 832003； 2.河南科技学院 动物科学学院，河南 新乡 453003)

抗菌肽的活性机制及其在养殖业中的应用研究进展

王 青1,2，张伟涛2，徐彦召2，刘保国2，张慧辉2，胡建和2*

(1.石河子大学 动物科技学院，新疆 石河子 832003； 2.河南科技学院 动物科学学院，河南 新乡 453003)

抗菌肽是一类生物体内产生的具有多种生物活性的小分子多肽，具有广谱的抑制细菌、真菌、病毒、寄生虫甚至肿瘤细胞、癌细胞的生物学活性。因其具有良好的抗菌活性和独特的杀菌机制，在养殖业中的应用越来越广泛。综述了天然抗菌肽的活性机制及其在畜(猪)、禽、反刍动物和水产养殖业中的应用进展，旨在为抗菌肽的功能开发及推广应用提供参考。

抗菌肽; 活性机制; 养殖业

抗菌肽(antibacterial peptides，ABPs)，又称抗微生物肽(antimicrobial peptides，AMPs)，是机体抵抗外来微生物入侵而产生的一类具有抗菌活性的碱性多肽物质，是机体先天免疫的重要组成部分。在自然界中，ABPs广泛存在于细菌、植物、病毒、动物体包括人体内。自20世纪80年代开始进入人们的视线，而今抗菌肽已成为研究的热点。抗生素曾被公认为是20世纪最卓越的医学发明，但近年来由于传统抗生素的滥用，药物残留和细菌耐药性以及超级细菌的出现等问题日渐严重，其副作用也越发突出，严重威胁了人类健康及世界范围内养殖业的发展，新

型抗菌药物的研发显得尤为迫切。因此，在当前研究中，开发新型、高效、安全的抗菌肽类药物，对缓解抗生素过度使用带来的种种困境具有非常重大的意义。

天然抗菌肽具有抗菌谱广、抑菌效率高、无残留、不易产生耐药性等优点，被称为传统抗生素的“最佳替代品”，由于其独特的优势，使得天然抗菌肽在养殖业中具有很大发展空间和广阔的市场应用前景。鉴于此，综述了天然抗菌肽的活性机制及其在畜(猪)、禽、反刍动物和水产养殖业中的应用进展，旨在为抗菌肽的功能开发及推广应用提供参考。

1 天然抗菌肽的活性机制

天然抗菌肽与传统抗生素的抑菌活性机制不同，其独特的抗菌活性机制使得天然抗菌肽在畜牧业生产中具有广阔的应用前景。虽然目前对抗菌肽的活性机制尚无统一认识，但大多数理论认为抗菌肽主要通过与细胞膜的相互作用而发挥其生物活性，这与其阳离子性和两亲性结构有关。天然抗菌肽作用于细胞膜，破坏了细胞膜的生物学作用，穿过细胞膜进入细胞，从而影响细胞新陈代谢。以下4种模型理论可以阐述抗菌肽与细胞膜的活性机制。

1.1 “桶板”模型理论

在“桶板”模型中，由于大多数抗菌肽带有正电荷，可以通过静电吸引作用聚集在细胞膜表面而形成多聚体，同时将该肽聚体的疏水基团垂直嵌入细胞膜的磷脂双分子层中，由此形成了横跨细胞膜的离子通道，随着其他多聚体的不断嵌入，细胞膜的完整性遭到破坏，使细胞渗透压变化、胞质泄露，最终使膜发生崩解，导致细胞死亡。据Gkeka等[1]研究报道，“桶板”通道中的主要结构为α-螺旋，每6 个α-螺旋结构可形成1个内径为0.52 nm左右的螺旋肽。其中，肽的亲水部分位于孔道内侧，疏水部分则位于孔道外侧。由该模型可知，抗菌肽具有两亲性，其两亲性的α-螺旋结构是导致形成膜孔洞的关键因素。刘忠渊[2]研究报道，除了两亲性的α-螺旋，疏水性的α-螺旋或β 折叠结构也是使抗菌肽具有穿膜孔洞作用所必需的结构。唐亚丽[3]指出，“桶板”模型中的抗菌肽既可以单体形式存在，也可以多体形式与胞膜结合。因此，通过在“桶板”上增加单体及多体，可以扩大离子通道，增强抗菌肽的活性，加速细胞死亡。

1.2 “毯式”模型理论

“毯式”模型理论是由Pouny等[4]在研究抗菌肽Dermaseptin与磷脂膜的相互作用时提出的。该理论指出，抗菌肽以“平铺”的方式覆盖在带负电的细胞膜表面，依靠静电作用吸附在阴离子的磷脂头部基团，当抗菌肽的浓度积累到一定阈值时导致细胞膜破裂产生微团，形成肽-脂质混合物，破坏了脂质双层的完整性，导致完整的细胞膜迅速解体，造成细胞内容物流失、细胞死亡。López-Oyama等[5]研究发现，抗菌肽Bactenecin结构主要是β-折叠，是通过“毯式”模型发挥抑菌活性的，这可能与β-折叠所特有的长丝状网格有关。Fernandez等[6]分别采用模型膜的方法，探究了抗菌肽Aurein 1.2与原核、真核生物细胞膜的相互作用，结果显示，Aurein 1.2与2种生物细胞膜表面均有较强的相互作用，从而导致了脂质双分子层被破坏和膜溶解，有力地验证了“毯式”模型机制。进一步采用傅立叶变换衰减全反射红外光谱技术对从蛾血淋巴提取的天然抗菌肽Cecropin P1进行研究发现，Cecropin P1与细胞膜结合后紧贴在细胞膜表面而不进入疏水环境，使得覆盖区域的细胞膜稳定性下降，同时破坏了细胞膜的完整性。

1.3 “环孔”模型理论

不同于“桶板”模型，“环孔”模型理论指出，抗菌肽与膜结合时形成了α-螺旋结构，抗菌肽分子垂直插入膜内，使细胞膜的曲面张力发生变化，导致细胞脂质双分子层内外2层贯通，诱发了内层磷脂分子变向，细胞膜结构改变，形成环孔状通道，从而引发细胞死亡。Magainins、Protegrins 蜂毒素均是通过导致这种跨膜环孔的形成发挥作用的。滑爪蟾素具有两性α-螺旋结构，当与细胞膜作用时可以形成透膜孔道[7]。Bozelli等[8]通过圆二色谱和荧光光谱法针对“环孔”模型理论进行了探究，结果表明，在“环孔”模型中发挥主导作用的不是静电作用，脂质双分子层的曲率可影响肽的二级结构。Sobko等[9]研究了大肠杆菌素E1对磷脂双分子层及脂质体的活性机制，结果显示，大肠杆菌素E1使磷脂双分子层和脂质体表面形成了环孔通道，从而导致细胞凋亡。

1.4 “凝聚”模型理论

凝聚模型理论指出，当抗菌肽插入至细胞膜时，肽与膜脂质形成胶束状复合物横跨细胞膜，从而形成了动态的孔，抗菌肽由此进入胞内。与“环孔”模型不同，该模型中抗菌肽没有特定的取向[10]。

2 天然抗菌肽在养殖业中的应用

中国属养殖业大国，但养殖业水平仍处于发展阶段，动物的生产饲养管理过程仍然依赖抗生素，尽管抗生素的使用在一定程度上推动了养殖业的发展，但由于对抗生素的滥用，导致了饲养过程中耐药菌株的出现，动物免疫力下降，更为严重的是在许多动物产品中检出了抗生素残留，这不仅严重阻碍了畜牧业生产的健康有序长足发展，同时也严重威胁着人类的健康。为此，试图寻求抗生素的替代品显得尤为重要，对抗生素替代品的探究及对饲料安全的关注已成为畜牧业发展研究的焦点。天然抗菌肽是生物机体产生的具有生物活性的一类小分子多肽，其抗菌机制独特，是宿主第一防线的重要组成成分，以其自身的许多优势在养殖业发展中显示出了广泛的开发应用前景。

2.1 畜(猪)养殖业

关于抗菌肽制剂在养猪业应用的报道，多集中于对仔猪腹泻和母猪生产性能的影响等方面。饲料中添加适当比例的抗菌肽能抑制大肠杆菌、沙门氏菌和产气荚膜梭菌等病原菌，从而达到有效改善或防止仔猪腹泻、提高母猪的生产性能等目的，而且所添加的抗菌肽无毒、无残留，不会造成环境污染。

在断奶仔猪日粮中添加抗菌肽制剂对仔猪腹泻有较好的预防和治疗效果，而且对仔猪体质量增加无影响。黄茂侠[11]研究发现，仔猪基础日粮中添加0.2%的抗菌肽可显著降低仔猪腹泻率、腹泻频率以及腹泻指数，而且效果优于阿莫西林。王阿荣[12]研究发现，仔猪日粮中添加320 g/t剂量的天蚕素抗菌肽可以有效提高断奶仔猪血液中免疫球蛋白(IgG)的含量，提高断奶仔猪机体免疫力。张董燕等[13]报道，在日粮中添加0.3%天蚕素抗菌肽对于提高断奶仔猪生产性能、改善肠道菌群、减少应激及提高机体免疫力等具有积极的调节作用。刘红健等[14]在母猪的饲料中添加0.3%抗菌肽，死胎率、木乃伊率及弱仔率大大降低，而仔猪的出生成活率、断奶成活率、平均净增质量等都得到了一定程度的提高。

2.2 禽养殖业

禽类集约化养殖往往会出现饲养密度过大、温湿度难以控制、禽舍卫生状况差等问题，导致禽类消化道微生态失衡，生产性能及机体免疫力下降。大量研究证实，禽类生产中添加抗菌肽可以提高禽类免疫力及抵抗病原菌感染的能力。

王秀青等[15]采用混饮水的方式研究了重组抗菌肽Cecropin B对雏鸡大肠杆菌感染的治疗效果，结果表明，重组抗菌肽Cecropin B对大肠杆菌感染有较好的治疗效果，同时可以提高雏鸡的平均日增质量，促进雏鸡早期免疫器官的发育。李波等[16]研究报道，将天蚕素抗菌肽添加至肉鸡日粮中，与抗生素对照组相比，试验组鸡日增质量、肉料比明显提高。陈晓生等[17]将蚕抗菌肽AD-酵母制剂加入肉鸭日粮中，发现试验组肉鸭血清代谢激素的活性得以显著增强，营养物质合成增加，体内氮排出减少。缪小群等[18]则进一步证实抗菌肽可以替代金霉素提高肉鸭生产性能。

2.3 反刍动物养殖业

抗菌肽具有广谱的抑菌活性，研究者对其功能的开发为其临床应用提供了重要的参考。抗菌肽能够防治奶牛隐性乳腺炎，对由无乳链球菌和金黄色葡萄球菌引起的乳房炎也有较好的治疗作用，而且能提高动物机体免疫力及乳腺的健康水平，从而改善牛乳品质，提高奶牛精料采食量和产奶量。

宋丽华等[19]在患乳房炎的奶牛饲粮中添加抗菌肽制剂进行治疗试验，结果表明，高剂量试验组和低剂量试验组均有较高的痊愈率。刘大程等[20]研究发现，将酵母培养物加入奶牛日粮中，能够有效地维持奶牛的泌乳高峰，从而缓解泌乳中期产奶量下降，提高奶中乳蛋白和乳脂含量，改善了乳品质，同时显著降低了乳中体细胞的数量，提高了奶牛机体抵抗力。Brogden等[21]深入研究了绵羊骨髓细胞抗菌肽SMAP-29和SMAP-34对绿脓杆菌、溶血性曼氏杆菌及其他绵羊病原菌的作用，表明这2种抗菌肽均具有广谱抗菌活性，且 SMAP-29 的活性更高。Kalfa等[22]通过对绵羊阴离子肽(AP)的研究证实，AP可以有效缓解肺组织感染的羊的炎症反应，有效降低机体病原菌浓度。

2.4 水产养殖业

随着全球气候环境的恶化，水质也遭受了严重污染，而且人们过分追求水产品产量，使得水资源污染进一步加剧，从而导致养殖种类遭受各种病原菌的侵袭。但抗生素和其他药物的大量使用会造成水环境微生态的失衡，从而破坏了水产养殖生物体内的微生物平衡，还可造成抗生素在生物体内的残留。抗菌肽是一类安全、无污染的水产生物饵料添加剂，在水产养殖中合理使用抗菌肽可以有效提高水产生物对病原微生物的抵抗力，同时能够显著提高水产生物的增重率，从而保障了水产品的质量。

王广军等[23]在南美白对虾的饲料中添加抗菌肽，试验结果显示，抗菌肽对南美白对虾的生长产生了显著影响，平均终末体质量、日生长速度、相对增重率、成活率均有一定程度的提高，而且降低了饲料系数。王一娟等[24]在河蟹基础饲料中添加抗菌肽，结果表明，抗菌肽能显著提高河蟹肌肉组织及肝脏中超氧化物歧化酶活性并增强了其总抗氧化能力。王四新等[25]研究发现，将100～150 mg/kg 的抗菌肽添加至草鱼饲料中，能够显著提高草鱼的生长速度和相对增重率，若添加过量则抗菌效果不明显。Chiou等[26]将重组抗菌肽Chelonianin 注射至罗非鱼体内，发现Chelonianin能够有效控制感染哈氏弧菌的罗非鱼的炎症反应，从而大大降低了其死亡率。此外，有研究者探索运用转基因技术使抗菌肽基因直接在水产动物体内表达，以期培育出优势抗病新品种水产生物[27]。

3 展望

目前，抗生素滥用导致的致病菌的耐药问题日益严重，从而威胁着养殖业的快速发展和人类健康。寻找全新药物是解决抗药性问题的一条有效途径。抗菌肽以其种类多、抗菌活性高、抗菌谱广、病原菌不易产生抗性突变等优势逐渐成为生物学、医学及畜牧业等领域的研究焦点，具有非常广阔的应用前景[28-31]。

然而，要真正发挥抗菌肽的一系列功能，实现抗菌肽的商品化应用，仍需要进行大量的基础性工作。目前，关于抗菌肽的研究仍面临许多有待解决的问题。(1)来源问题。由于天然抗菌肽在生物体的含量极低，因此其来源问题成为人们关注的热点。目前，通过化学合成和基因工程技术是获取抗菌肽的主要手段。但化学合成技术成本较高，基因工程技术获得抗菌肽会造成宿主微生物自杀而不能获得表达产物，同时，尽管所获得的抗菌肽一级结构与天然抗菌肽一致，但其二级及三级结构很难保证与天然抗菌肽是一致的，从而限制了其抑菌活性。因此，选择合适的宿主菌，提高抗菌肽的表达量，降低生产成本成为解决抗菌肽应用难题的关键。(2)耐药性问题。抗菌肽有其独特的抑菌机制，而且不易产生耐药性，但自然界却存在着天生具有耐药性的病原微生物，所以应及时发现对抗菌肽有耐药性的病菌，从而保证最佳的治疗时间。(3)通常抗菌肽的分子质量较小，进入机体后容易被宿主的蛋白酶所降解，从而影响其发挥抑菌作用。(4)目前关于抗菌肽的药效学及药物代谢动力学方面的研究相对较少，这在一定程度上限制了抗菌肽的广泛应用。(5)天然抗菌肽种类繁多，抑菌机制也不完全相同，从而很大程度上限制了其应用。(6)与传统的抗生素相比，某些抗菌肽的活性还不够理想。因此，需要进一步研究抗菌肽的构效关系及抗菌机制，改造已有抗菌肽及设计新抗菌肽分子，从而最大限度提升抗菌肽的抗菌活性。

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Active Mechanism and Application in Livestock Breeding of Antibacterial Peptide

WANG Qing1，2，ZHANG Weitao2,XU Yanzhao2，LIU Baoguo2，ZHANG Huihui2，HU Jianhe2*

(1.College of Animal Science and Technology,Shihezi University，Shihezi 832003，China； 2.College of Animal Science,Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang 453003，China)

Antibacterial peptide is a kind of small molecule polypeptide，which has multiple biological activities and is produced in living organisms.It has broad-spectrum biological activity of killing bacteria，fungi，viruses，parasites，even tumor cell and cancer cell.Because of its good antibacterial activity and unique sterilization mechanism，it has been more and more widely used in the aquaculture industry.In this paper，the active mechanism of natural antibacterial peptide and its application in livestock(pig),poultry， ruminant and aquaculture breeding were described,which was aimed to provide the important reference for the function development and the application of future antibacterial peptide.

antibacterial peptide; active mechanism; breeding industry

2016-04-15

国家自然科学基金项目(31372469)；河南省科技攻关计划项目(162102110037)

王 青(1978-)，女，河南社旗人，在读博士研究生，研究方向：分子病原学。E-mail：haoxyz365@qq.com

*通讯作者：胡建和(1968-)，男，河南辉县人，教授，博士，主要从事分子病原学方面的研究。E-mail：xxjianhe@126.com

S816.7

A

1004-3268(2016)10-0006-05