抗菌肽在抗菌材料中的研究进展

辛本凯，王会岩 (吉林医药学院，吉林 吉林 132013)

医学迅速发展的同时，医用材料在临床上的应用意义变得越来越重要。医用材料的应用虽然给患者带来了很大的方便，但是往往会引起患者的感染。据美国疾病控制与预防中心2013年报道，在美国耐药病原体感染了近300万人[1],可以看到耐药细菌感染的严重性。细菌耐药的机制为细菌可以明确地限制或降低其细胞膜对抗生素的通透性，从而产生耐药性[2]；细菌获得降解抗菌药物的能力[3]；抗菌素与其靶标之间的化学亲和力丧失而产生耐药。研究表明，大多数耐药菌都会产生生物膜，生物膜的形成是细菌耐药的重要机制[4-5]。而将抗菌肽应用于抗菌材料则可以有效地应对细菌的耐药。因此对于抗菌材料的创新和完善已经成为了当前的一大研究热点。本文简单介绍抗菌肽并总结其抗菌机制及其在医用材料中应用的研究进展。

1 抗菌肽及抗菌机制

近年来，由于抗生素的过度依赖和滥用导致多重耐药菌株的问题不断加重。虽然医学取得巨大进步，战胜了许多严重危及生命安全的疾病，但是耐药细菌的威胁似乎是我们永远都需要面对的一个挑战。抗菌肽作为对抗多药耐药菌引起严重感染的一种较新的武器引起了科学家们的注意。抗菌肽是来源于自然的两亲性小分子多肽，具有广谱的抗菌、抗病毒及抗肿瘤活性。从细菌到植物、无脊椎动物、脊椎动物，所有的生命形式中都有抗菌肽的存在。在细菌中，抗菌肽可以帮助细菌杀死其他可能与细菌所利用营养物质和生存环境相同的菌株，从而有利于该菌株的生存。而植物缺少适应性免疫，因此植物中的抗菌肽在帮助植物预防细菌和真菌感染方面有着重要的作用，而且植物抗菌肽在各种植物中都有发现[6]。与植物相似，在已研究的无脊椎动物中都发现了抗菌肽存在。而作为有适应性免疫的脊椎动物体内也发现了抗菌肽的存在[7]。

膜渗透是抗菌肽对抗病原体的主要作用机制，但也有其他的机制被描述，包括抑制大分子合成,肽的胞内易位,抑制DNA、RNA、蛋白的合成等[8]。作为阳离子多肽，抗菌肽与带负电荷的细菌表面结构进行静电作用，然后进入细胞膜，与脂质双层膜相互作用，形成跨膜孔，导致细胞膜破坏。然而脂膜中胆固醇的存在可能改变肽和磷脂之间的相互作用，从而减少双分子层的破坏[9]。以下几种模型可以解释膜渗透杀菌。①桶壁模型:在抗菌肽附着膜后，当抗菌肽达到阀值浓度时，肽单体聚集在膜内疏水区形成跨膜孔[10]。②环状孔模型:抗菌肽聚集在双层膜内，使得脂质单层膜在孔周围弯曲。抗菌肽的亲水区域与双层膜连接形成孔的外部，疏水区域形成孔的内部[11]。③地毯模型:抗菌肽平行于脂质双层吸附，从而形成“地毯”。这会导致膜表面的不良相互作用。因此，膜的完整性丧失，产生了一种类似清洁剂的效果，最终通过形成胶束使膜崩解[12]。④聚合模型:磷脂双分子层和抗菌肽之间的静电相互作用导致脂肽复合物的形成，从而导致形状和大小不均匀的非特异性定向孔隙的形成。这使得抗菌肽可以瞬间穿过细胞膜，这样它们的杀菌效果就与它们与细胞内靶分子(如聚阴离子、DNA或RNA)的相互作用有关[13]。另外，还有人提出了抗菌肽细胞死亡的其他机制，包括抑制细胞外生物聚合物的合成和细胞内功能[13]。还有其他少数抗菌肽能抑制阴离子酶的活性[8]。

2 抗菌材料的分类

抗菌材料分为天然抗菌材料、有机和无机抗菌材料。天然抗菌材料是指从自然界中获得的抗菌物质，如由动物和植物中纯化，是人类最开始利用的保护自己战胜细菌的武器。天然抗菌材料的优点是生物相容性好，毒性小。但其缺点是稳定性差，抗菌谱窄、抗菌效率低等[14]。有机抗菌材料有低分子和高分子抗菌材料，低分子材料主要是季铵盐类和酚醇酯类等。高分子抗菌材料是抗菌官能团单体通过聚合或者接枝等形成抗菌高分子。有机材料优点是种类多，运用广。其缺点也是有机材料本身缺点造成的，如有的材料有强毒性而且耐热性差、易分解等。而且有研究表明长期使用有机抗菌材料会造成细菌耐药性。另外，抗菌效果会由于时间的延长而变弱[15]。无机抗菌材料则克服了有机材料的大部分缺点，如具有长效抗菌、耐热性好且不会使细菌产生耐药性等，是近期研究的新型抗菌材料。但相关研究仍在初步阶段，生产工艺系统仍然不够完善，生产成本很高[16]。

3 抗菌表面的构建策略

在过去的几年中，研究者们在探究材料构建进而形成抗细菌材料方面已经做出了巨大的努力。对于抗菌表面的构建，主要的杀菌策略有以下几种。①接触杀菌:是指在材料上修饰杀菌物质，如抗生素、抗菌肽等物质，通过材料上的抗菌物质接触杀死细菌。②释放杀菌:是在材料上修饰杀菌物质，使得杀菌物质从材料中缓慢释放到环境中，从而杀死材料上的细菌，杀菌物质有抗生素、释放活性氧、氮氧化物等。这种方法主要针对细菌的生命活动，阻止细菌在材料表面繁殖的方式来杀死细菌。此方式的主要优点是杀菌较迅速且效率高，但抗生素容易产生耐药性。③抗细菌黏附策略:主要是指将表面进行改性。例如疏水性有利于细菌的黏附，因此利用亲水性物质将表面改性后，使得表面可以形成水化层从而抑制表面黏附细菌。这种方法通常被认为是一种被动抗菌方法，以抵抗细菌的初始黏附为目的，试图在源头上阻止感染的发生。优点是细胞毒性低，生物相容性好；但细菌一旦发生黏附，此表面将难以阻止细菌的繁殖和感染的发展。④将抗细菌黏附和杀菌方式有机结合起来便是抗细菌黏附-杀菌(抗-杀)结合策略，这种策略既综合了两者的优点又规避了大部分的缺点[17]。⑤抗菌表面构建的进一步发展则要求抗菌表面可以智能地控制抗菌剂杀菌性的构建方法。智能抗菌表面就是具有感知外界环境变化并实现改变自身性能参数的智能特点，对于获取优异的抗菌性和丰富的抗菌体系场景具有重要意义[18]。如已经有研究者通过光引发-转移-终止聚合的方法构建了在表面温敏型杀菌向抗污转化的智能型结构，实现了生物材料在储存时高效杀菌，运用时具有较好的生物相容性。

在以上的这几个策略中，材料表面修饰的抗菌物质主要为金属离子氧化物、抗生素、季铵盐等。但是这些策略中，普遍存在抗菌谱窄、易产生细菌抵抗性等问题[19]。而抗菌肽作为装载所用的抗菌物质则具有很大的优势。虽然近期已经有少量研究将抗菌肽修饰于抗菌表面上，但要想把抗菌肽装载在材料上并保留其抗菌活性的确是一个难题。而且抗菌肽本身对于正常细胞也有毒性。虽然已有研究利用物理吸附或者共价键结合的方式将抗菌肽负载于材料表面，但是这种方法也存在着很多缺点，如构建过程的复杂、没有研究证明其稳定性等。因此，找到一种能够有效地把抗菌肽负载于材料表面并且保持其活性以及增加其相容性是近期较有价值的研究目标。

抗菌肽具有抗炎、抗肿瘤、抗菌等多活性，可抑制细菌生物膜形成的活性,用于对抗多药耐药菌引起的严重感染。因此抗菌肽将是抗菌材料应用中具有巨大应用前景的抗菌物质。但是抗菌肽作为抗菌物质也依然有不少问题，如抗菌肽本身不易大量获得、抗菌材料被修饰后抗菌肽能否保留其抗菌活性、抗菌肽对正常细胞的毒性问题等。因此，仍然需要大量系统地研究来找到获取抗菌肽的简便方法、保存抗菌肽的抗菌性及降低对正常细胞毒性的方法等。