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动物毒液的抗菌活性研究进展

2024-06-04 59 上传者：管理员

摘要：研究发现动物毒液中含有多种活性蛋白和多肽，具有广谱抗菌、抗病毒、抗癌、免疫调节等功能，目前针对蛇、蜜蜂、蝎子、蚂蚁和蜈蚣毒液的研究较为广泛，其毒液中所分泌的活性物质有望成为抗菌药物的来源。蛇毒中的磷脂酶A2和L-氨基酸氧化酶是发挥抗菌作用的主要活性物质，碱性磷脂酶A2可以杀灭金黄色葡萄球菌、鼻疽杆菌。L-氨基酸氧化酶在氧气的作用下产生过氧化氢，对巴氏杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、粪肠球菌有抑菌活性。蜂毒液的主要成分包括蜂毒素、磷脂酶A2和蜂毒肽，其中蜂毒肽和蜂毒素抗菌效果显著，对唾液链球菌、粪肠杆菌、沙门菌具有抗菌活性，蜂毒肽对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）具有抗菌活性。蝎毒液作为生物活性肽的来源之一，分为二硫键桥肽（DBPs）和非二硫键桥肽（NDBPs），大部分非二硫键桥肽具有良好的抗菌效果，但部分非二硫键桥肽对真核细胞具有毒性作用。蚂蚁毒液富含生物活性蛋白和其他挥发性与非挥发性化合物，部分蚂蚁毒液肽对多种革兰阳性菌、革兰阴性菌表现出一定的抗菌活性。蜈蚣毒液分离出的抗菌肽主要有抗菌肽Scolopin Ⅰ、抗菌肽Scolopin Ⅱ和抗菌肽Scolopendrin 1，其中Scolopin Ⅰ和Scolopin Ⅱ对金黄色葡萄球菌及多重耐药菌株的生长均有抑制作用。在当前全球细菌耐药性问题日益严重的情况下，动物毒液作为一种潜在的原材料，为抗菌药物的研发提供了一个新思路，但由于动物毒液的毒性、稳定性等限制其作为药物直接进行应用，需通过改造、重组等手段进行改进，且多数研究还处于试验阶段。本文综述了蛇、蜜蜂、蚂蚁、蝎子、蜈蚣毒液的抗菌活性，旨在为开发新型、有效、低毒的抗菌药物提供参考。

关键词：
动物毒液
毒液肽
蚂蚁毒
蛇毒
蜂毒
蜈蚣毒
蝎毒
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有毒动物（蜜蜂、蛇、水母、蚂蚁和蟾蜍等）广泛存在于世界各地，它们通过产生毒液来捕获猎物或保护自身安全。随着科学技术的发展，人类开始了解动物毒液的生物特性并对其进行开发和利用[1]。现阶段由于抗菌药的不合理使用所带来的细菌耐药性问题造成了世界范围内的困扰，威胁公共卫生安全[2]。动物毒液是研究新型抗菌药的候选对象，毒液中含有多种活性蛋白和多肽，具有广谱抗菌、抗病毒、抗癌、免疫调节等功能[3,4]。世界各地不同国家的民间医生利用当地动物的毒液（单独、与其他天然物质混合或直接使用动物针刺注射）来治疗一些疾病[5]，故动物毒液具有成为医学上补充疗法的可能性。目前，几类有前途的天然毒液和合成抗菌肽（AMPs）已显示出对细菌、病毒、真菌和寄生虫的广谱抗菌活性。本文就常见的蛇、蜜蜂、蚂蚁、蝎子、蜈蚣毒液的抗菌活性进行综述，为新型药物的研发提供思路。

1、蛇毒液的抗菌活性

蛇毒是含有活性蛋白酶和多肽的混合物[6]，研究较为广泛的酶包括金属蛋白酶、磷脂酶A2(PLA2s）、透明质酸酶、乙酰胆碱酯酶、L-氨基酸氧化酶（LAAO）和丝氨酸蛋白酶等，非酶蛋白包括三指毒素（3FTxs）、C型凝集素样蛋白、解离素、富含半胱氨酸的分泌蛋白和蛋白酶抑制剂等[7]。蛇毒的成分组成随蛇类品种的不同而变化，并因体态大小、性别、食物和季节的不同而发生改变，每种蛇毒均具有药理特征谱[8]。磷脂酶A2是最常见的毒性成分之一，可分为碱性磷脂酶A2和酸性磷脂酶A2。蛇毒的毒性效应主要由碱性磷脂酶A2引起，而酸性磷脂酶A2毒性较低。蛇毒磷脂酶A2是一种具有治疗作用的酶，对细菌、病毒、真菌、寄生虫和原生动物均具有抗菌作用[9]。例如，一种名为CaTx-Ⅱ的碱性磷脂酶A2,7.8µg/mL时可杀灭金黄色葡萄球菌、鼻疽杆菌，15.6µg/mL时可抑制产气肠杆菌生长，CaTx-Ⅱ也可通过抑制皮肤伤口处病原体的增殖而加快伤口愈合[10]。蛇毒磷脂酶A2也可抑制细菌产生耐药性，提高抗菌药物的药效[11]。美洲响尾蛇毒液中的一种响尾蛇胺衍生肽能显著增强金黄色葡萄球菌的膜渗透性[12]。有研究结果表明，蛇毒抗菌肽OH-CATH对大肠杆菌的最小抑菌浓度（MIC）为4～8µg/mL，且在血浆环境中不会迅速降解而失活，同时OH-CATH对家兔的泌尿系统具有较好的保护作用[13]。从海蛇中提取的一种新的组织蛋白酶抑制素（HC-Cath）显示出良好的广谱抗菌活性，可破坏、裂解细菌细胞膜，并且对哺乳动物细胞无毒性作用，HC-Cath还能通过抑制脂多糖（LPS）诱导一氧化氮和炎性细胞因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）产生而发挥抗炎作用。

表现出抗菌特性的另一类蛇毒酶是L-氨基酸氧化酶（LAAOs),LAAOs通过共价连接的辅因子（FAD或FMN）起作用[14]，辅因子在氧气的作用下产生过氧化氢，是这类酶具有杀菌功效的主要原因。在体外，LAAOs可以引发人早幼粒白血病细胞（HL-60）、Hela细胞的凋亡，并且显示出抗巴氏杆菌、大肠杆菌活性。蛇毒LAAOs对不同的细菌菌株表现出不同程度的抗菌活性。从澳洲棕伊澳蛇毒液中提取的LAAOs可以有效杀灭嗜水气单胞菌；从巴伊亚矛头蝮中提取的凝集素对金黄色葡萄球菌、粪肠球菌和枯草芽孢杆菌的MIC分别为31.25µg/mL、62.25µg/mL、125µg/mL。凝集素的蛋白二级结构α-螺旋和β-折叠决定了其可与革兰阳性菌细胞壁上的多肽相互作用而发挥抗菌作用。TOYAMA等[15]报道响尾蛇毒液中LAAOs对革兰阴性菌和革兰阳性菌均有作用，电镜下显示细菌细胞膜破裂，大量细胞质流失。

2、蜂毒液的抗菌活性

蜜蜂产生的毒液所含有的活性物质丰富，抗菌效果强，具有十分广阔的应用前景[16,17]。蜜蜂毒液（BV）是一种由胺、酶和生物活性肽组成的复杂混合物，产生于蜜蜂的腺体中，具有免疫刺激作用，能抵抗细菌病原体引起的感染[18]。蜂毒肽是由26个氨基酸组成的多肽，是蜂毒的主要活性成分。在中性水溶液中，蜂毒肽作为单体以随机的卷曲结构存在，而随着pH值以及离子强度的增高，蜂毒肽自我交联，形成螺旋的四聚体结构，螺旋结构中前21个氨基酸是极性的，位于螺旋的表面，而非极性氨基酸在螺旋的另一面，其两亲性是膜结合肽和膜蛋白跨膜螺旋的特征，该特性决定蜂毒肽既可以溶于水中，又可以与膜自然结合，进而溶解细胞[19]。研究发现蜜蜂毒液的主要成分包括蜂毒素、磷脂酶A2和蜂毒肽，其中蜂毒肽和蜂毒素抗菌效果显著，蜂毒肽可以杀灭引起蛀牙的口腔病原体，蜂毒素对干酪乳杆菌、链球菌、粪肠杆菌的MIC值分别为4µg/mL、10µg/mL、6µg/mL，天然蜂毒素与商品蜂毒素对唾液链球菌、粪肠杆菌、干酪乳杆菌和沙门菌的MIC值均在20～40µg/mL之间，表明天然蜂毒素与商品蜂毒素均具有良好的抗菌活性[20]。同时，与青霉素和庆大霉素相比，蜂毒肽对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）表现出更强的抗菌活性[21]。扫描电子显微镜（FE-SEM）显示，经蜂毒肽处理的伯氏疏螺旋体的超微结构产生螺旋状泄漏，揭示了细菌表面包膜的明显变化，包括表面成分起泡增加和膜孔的形成。在暗视野显微镜下观察发现，螺旋体在浓度为100µg/mL的蜂毒肽暴露数秒可停止蠕动，与多西环素相比，在任何浓度下蜂毒肽都能够使螺旋体浓度降低。蜂毒肽对人的红细胞具有毒性作用，可产生溶血[22]。黄蜂毒液肽及其衍生分子（如磷脂酶A2和衍生多肽）也具有良好的抗菌效果。黄蜂毒液对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和肺炎克雷伯菌均显示出较强的抗菌活性，MIC值分别为64µg/mL、8µg/mL、64µg/mL和128µg/mL。与庆大霉素相比，蜜蜂毒液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门菌均具有显著的抗菌作用[23]。

3、蝎毒液的抗菌活性

蝎毒素主要是一类由20～98个氨基酸构成的小分子多肽，一般含有3～4对二硫键，与细胞膜上的离子通道（Na+、K+、Cl-和Ca2+等通道）选择性、特异性地相结合，影响离子通道的状态[24]。蝎毒作为生物活性肽的来源之一，分为二硫键桥肽（DBPs）和非二硫键桥肽（NDBPs），低分子量肽占所有分子量的1/3以上[25]。大部分NDBPs具有良好的抗菌效果，可以被认为是蝎毒的抗菌肽，但一部分NDBPs可对真核细胞产生细胞毒性，蝎毒NDBPs对病原体的最小抑菌浓度非常接近它们对哺乳动物细胞产生细胞毒性的浓度。几乎所有的蝎毒抗菌肽都具有溶血的特性，然而，一些NDBPs显示出相对较低的细胞毒性作用，从而改善它们的治疗指数（毒性剂量/治疗剂量）。采用cDNA克隆技术从蝎毒中分离到3个不含半胱氨酸的蛇毒肽，分别为pantinin-1、pantinin-2和pantin-3，可以有效抑制革兰阳性菌的生长，MIC为2～6µg/mL，甚至在高浓度21µg/mL时仍可以保持极低的溶血效果。除了少数NDBPs外，蝎毒中的抗菌肽均具有很高的血液毒性。多项研究表明，可通过提高抗菌肽的抗菌活性和降低其对机体细胞的毒性来提高抗菌肽在临床应用上的潜力。一种由蝎毒肽AamAP1设计而来的衍生物A3肽可抑制多种革兰阳性菌耐药菌株的生长，将A3肽与常规抗生素结合使用可产生协同抗菌作用，A3肽的MIC值可降低至0.125µg/mL，且在抑制细菌生长所需的浓度下，A3肽表现出对哺乳动物较低的细胞毒性。Hp1404是从彼得异蝎毒液中分离得到的活性多肽，Hp1404-T1e是经过修饰得到的类似物，相比Hp1404具有更多的疏水基团和正电荷，对多重耐药铜绿假单胞菌（MRPA）表现出极强的抗菌活性和生物膜活性，对哺乳动物细胞具有更低的细胞毒性，证实了其作为抗MRPA的有效治疗剂的潜在用途[26]。

4、蚂蚁毒液的抗菌活性

蚂蚁毒液富含生物活性蛋白、其他挥发性与非挥发性化合物，如生物碱和烃类。蛋白质组学研究表明，大部分蚂蚁毒素的蛋白质组分是5 kDa以下分子量的聚阳离子线性肽。这些线性肽具有抗微生物的特点，源自澳大利亚的斗牛犬蚁所产生的线性肽被证明具有抗菌活性[27]。研究表明，蚂蚁毒液肽含有少于35个残基的小肽，这些小肽大多数具有细胞溶解性，属于膜干扰肽，能够靶向作用于细菌细胞膜，从而表现出一定的抗菌活性。有研究显示ponericins是一种从蚂蚁毒液肽分离纯化的肽类，对试验中的31株细菌均具有抗菌活性，其对嗜热脂肪芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和乳酸乳球菌乳脂亚种等革兰阳性菌表现出显著的抗菌活性；对革兰阴性菌绿脓假单胞菌也表现出显著的抗菌活性[28]。从双隆骨铺道蚁分离得到的bicarinalin抗幽门螺杆菌的活性与现有的抗生素活性相当，并且还可抑制幽门螺杆菌对胃细胞的黏附，半抑制浓度（IC50）为0.12µg/mL，细胞毒性低。源自斗牛犬蚁毒液中的异二聚体肽Δ‐Myrtoxin‐Mp1a具有广谱抗菌活性，并且对鲍曼不动杆菌最有效，其活性可与硫酸黏杆菌素相当。

5、蜈蚣毒液的抗菌活性

蜈蚣是现存最古老的陆生节肢动物之一，据中医历史记载已有数百年的使用历史，用于治疗许多疾病，如百日咳、破伤风、肺结核、偏瘫、癫痫以及肌肉皮肤病[29]。低分子量肽（LMW）（即<10 kDa的多肽）是研究蜈蚣毒素的重要部分。在蜈蚣毒液中，富含二硫键的多肽是毒素多肽多样性组成的重要来源，其中对含有2～4对二硫键的神经毒素多肽的研究最为普遍。由于富含一对或者多对二硫键的多肽对氨基酸突变具有稳定性和固有的可塑性，受到了越来越多学者的关注[30]。蜈蚣毒液分离出的抗菌肽主要有3种：抗菌肽ScolopinⅠ、抗菌肽ScolopinⅡ和抗菌肽Scolopen‐drin 1，它们对革兰阳性菌和革兰阴性菌均显示出相应的抗菌活性；ScolopinⅠ和ScolopinⅡ对金黄色葡萄球菌及多重耐药菌株的生长均有抑制作用。此外，Scolopendrin1对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌等均显示出抗菌活性。抗菌肽Scolopendrin 2由16个氨基酸组成，分子量为1 780.4 Da，可以在不引起人红细胞溶血的情况下显示出抗菌活性[31]。

6、展望

不同有毒动物的毒液均含有大量的生物活性分子，其中毒液肽等衍生分子在抗菌方面的表现突出。从动物毒液中分离出来的活性物质由于稳定性、毒性和生物利用度等问题不能直接作为药物投入生产应用，而是作为药物前体或先导化合物，经过一定的药物化学修饰及设计进行开发利用，故设计新颖、短的合成肽，在保持抗菌活性的同时，对宿主细胞表现出较低的溶血作用，是研发新型抗菌剂的思路与线索。到目前为止，来自不同物种（蛇、蝎子、蜜蜂、蚂蚁和蜈蚣）的毒液抗菌活性物质，尚处于早期实验阶段或临床前试验阶段。此外，由于毒性、溶血作用、半衰期、稳定性、溶解度和口服生物利用度等问题，大多数新型药物的研发并不顺利。动物毒液所分离出来的活性物质与传统抗菌药比较，具有分子量小、抗菌范围广、杀菌速度快、活性更高等优势，使其成为新型抗感染药物的重要候选者，但在临床应用上仍然面临一些亟须解决的问题和挑战，如何提高其对病原菌的靶向治疗，如何提高其稳定性，还需要进一步研究、探索。

参考文献:

[18] 叶良,施腾飞,刘鹏,等.蜜蜂抗菌肽研究及其应用进展[J].环境昆虫学报,2022,44(3):556-568.

[24] 聂尧.新的蝎毒素多肽的发现､功能与进化及其对蝎子适应环境的意义[D].武汉:中国地质大学,2014.

[29] 吴茜.动物多肽毒素的异源表达纯化与活性研究[D].长沙:国防科技大学,2018.

[31] 邵长轩,党安凯,战昭含,等. β-折叠抗菌肽的研发及应用策略[J].畜牧兽医学报,2022,53(8):2490-2501.

基金资助:国家重点研发计划项目(2022YFD1602201); 甘肃省科技计划项目(20JR10RA023);

文章来源:姚学强,董朕,李江,等.动物毒液的抗菌活性研究进展[J].中兽医医药杂志,2024,43(03):43-47.