抗菌肽是生物體內經(jīng)誘導產(chǎn)生的一種具有生物活性的小分子多肽，與傳統抗生素相比具有無(wú)藥殘，不易產(chǎn)生耐藥性等特點(diǎn)，是抗生素理想的替代品，同時(shí)也可作為一種高效優(yōu)質(zhì)的綠色飼料添加劑。抗生素在畜禽養殖業(yè)的濫用，不但造成動(dòng)物免疫力下降，其藥物殘留更威脅到人類(lèi)健康。本文介紹了抗菌肽的作用機理、功能及在畜禽生產(chǎn)中的進(jìn)展研究。
隨著(zhù)抗生素的使用，其負面影響日漸突出，細菌抗藥性越來(lái)越普遍，越來(lái)越嚴重，長(cháng)期使用抗生素造成畜禽機體的免疫力下降，引起畜禽腸道菌群失衡，在畜產(chǎn)品和環(huán)境中造成殘留。另外，抗生素還有致基因突變、引發(fā)畸形和誘發(fā)癌癥。從2010年1月到2012年9月期間，美國、歐洲及亞洲的國際動(dòng)物營(yíng)養期刊中已經(jīng)發(fā)表百來(lái)篇研究抗生素代替物的文章，這表明尋求抗生素替代物已成為養殖業(yè)的研究熱點(diǎn)。自1972~1975年，瑞典Boman等[1]從果蠅(Drosophila melanogaster) 及惜古比天蠶(Hyalophoracecropia)中發(fā)現抗菌肽，稱(chēng)為Cecropin, 具有廣譜殺菌功能。1981年，黃自然等[2]從中國柞蠶中分離抗菌肽及溶菌酶。此后，不斷有各種來(lái)源的抗菌肽被人們發(fā)現并提取，并應用到各個(gè)領(lǐng)域。
1 抗菌肽的作用機理及特點(diǎn)
1.1 抗菌肽的作用機理
抗菌肽能夠與細胞膜表面相互作用，使膜的通透性改變。陽(yáng)離子抗菌肽的正電荷區域與細胞膜上的負電荷區域相互作用，使抗菌肽分子的疏水端插入細胞膜的脂質(zhì)膜中，進(jìn)而改變脂質(zhì)膜結構。抗菌肽與細胞膜作用后形成跨膜電位，打破酸堿平衡，影響滲透壓平衡，抑制呼吸作用，從而到達抑菌作用[3]。
抗菌肽除了作用于細胞膜，還可以作用于細胞內的其他靶點(diǎn)。抗菌肽在進(jìn)入細胞之后，通過(guò)與細胞內靶點(diǎn)的特異性結合干擾細胞代謝，達到抑制和殺滅細菌的目的。此理論解釋了許多抗菌肽在非常低的濃度下仍然能夠導致細菌死亡的現象。抗菌肽主要通過(guò)以下幾個(gè)方面在細胞內發(fā)揮作用：1)與細胞內的酸性物質(zhì)結合，阻斷DNA復制和RNA合成;2)影響蛋白質(zhì)的合成;3)抑制細胞壁的合成，阻礙細胞分裂;4)抑制細胞內酶活性等[4 ]。Nan等[ 5 ]通過(guò)對indolicidin的修飾，發(fā)現其類(lèi)似物IN-3和IN-4可以透過(guò)大腸桿菌質(zhì)膜，在細胞內積累并與DNA分子結合。Yenugu等[6]發(fā)現經(jīng)抗菌肽 HE2alpha、HE2betal或 HE2beta2處理的大腸桿菌也能抑制其蛋白質(zhì)的合成，而且電鏡觀(guān)察到細菌細胞膜的變化和細胞內容物的泄露。Hasper[7]研究證明，nisin可將LipidⅡ從細胞壁合成位點(diǎn)或隔膜處移除，以阻斷細胞壁的合成。Vincent等 [8]研究發(fā)現，由大腸桿菌質(zhì)粒編碼的細菌素microcin J25與RNA聚合酶結合后，可阻斷RNA聚合酶中堿基運輸和合成過(guò)程中副產(chǎn)物的排出，從而阻止堿基與酶的活性中心集合，抑制RNA聚合酶的活性。
抗菌肽還能抑制細胞壁的形成，抑制細胞呼吸作用和阻礙細胞外膜蛋白的合成。據劉先凱[9]、姚朔影[10]等報道，sarcotoxin可以抑制細菌細胞壁的形成，使細菌不能維持正常的形態(tài)而最終導致生長(cháng)受阻，但其對已經(jīng)形成的細胞壁不起作用。有研究發(fā)現，用40μmol/L的Thanatin處理細菌1 h后，可監測到細菌的呼吸作用變弱，6 h后細菌的呼吸作用完全停止，故推斷Thanatin是通過(guò)抑制細胞的呼吸作用來(lái)殺菌的[11]。Attacins能夠通過(guò)干擾大腸桿菌細胞外膜蛋白基因的轉錄減少蛋白的合成，從而增加細胞膜的通透性，最終使得細菌的生長(cháng)受到抑制[12]。
綜上所述，抗菌肽的抗菌機制復雜，抗菌肽不但能夠殺滅大量細菌，還能殺傷腫瘤細胞、真菌、病毒、寄生蟲(chóng)等。抗菌肽的作用對象雖然種類(lèi)繁多，但共同的特點(diǎn)是作用于有膜成分的靶點(diǎn)。
1.2抗菌肽抗菌特點(diǎn)
與抗生素相比，抗菌肽具有廣譜高效的抗菌性、分子量小熱穩定性好，不易產(chǎn)生抗藥性的特點(diǎn)。Noga等[13]研究表明，虹鱒魚(yú)的頭腎表達具有cathelicidin關(guān)鍵特征的多肽，對于多種革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌具有比較明顯的抑菌活性，其最低抑菌濃度為2μg/mL。徐進(jìn)署等[14]研究發(fā)現，極低濃度的爪蟾種類(lèi)的特異性抗菌肽——蛙皮肽(magainin)就能殺死革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌、真菌以及原生動(dòng)物。
抗菌肽通常由12～50多個(gè)氨基酸組成，相對分子質(zhì)量一般在4 kDa 左右。吳詩(shī)光[15]等在鳳仙花種子中發(fā)現的抗菌肽1b-AMPs，僅有20個(gè)氨基酸殘基，是迄今為止在植物中發(fā)現的最短的抗菌肽。昆蟲(chóng)抗菌肽的4大類(lèi)中，cecropin 含31～39 個(gè)殘基;昆蟲(chóng)防御素含38～43個(gè)殘基;富含脯氨酸的陽(yáng)離子肽如apidaccin、abaccin和drosocin 等的分子量為2～4kDa;富含甘氨酸的抗菌肽，如diptericin、attacin、sarcotoxin、coleoptericin 等的分子量為8～30kDa，蛙皮素含有21～27個(gè)氨基酸的殘基[14]。目前，從豬體內發(fā)現的12 種以上不同的抗菌肽的分子量均小于10kDa[16]。
溫劉發(fā)等[17]發(fā)現抗菌肽在沸水中煮30min 仍不變性失活，能耐受飼料制粒時(shí)的高溫作用，規模化發(fā)酵生產(chǎn)抗菌肽時(shí)經(jīng)高溫濃縮工序，可充分殺滅酵母菌體而不導致抗菌肽失活，使產(chǎn)品在推廣應用后不會(huì )出現因工程菌的擴散而導致的環(huán)境生態(tài)問(wèn)題。
大多數抗菌肽分子是帶正電荷的，可以與細菌胞漿磷脂分子上的負電荷通過(guò)靜電吸附而結合在脂質(zhì)膜上，使脂雙層外側發(fā)生扭曲，細胞膜產(chǎn)生相變，產(chǎn)生短暫的離子通道。這是通過(guò)物理作用造成的細胞膜穿孔，不需要特殊的受體，因而它可以殺滅微生物而不產(chǎn)生抗藥性[18]。
2 抗菌肽在畜禽養殖業(yè)中的應用
2.1 抗菌肽在斷奶仔豬生產(chǎn)中的應用
仔豬在斷奶期間，一般都會(huì )出現較嚴重的腹瀉現象，研究表明抗菌肽對大腸桿菌、沙門(mén)氏菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌等有害菌有抑制作用，能有效改善和防止仔豬的腹瀉。黃茂俠[19]報道，仔豬基礎日糧中添加0.2% 抗菌肽時(shí)可顯著(zhù)降低仔豬腹瀉率、腹瀉頻率和腹瀉指數，分別是18.42%、1.7% 和0.10%;添加量達到0.6% 和0.8% 的抗菌肽制劑時(shí)可顯著(zhù)降低仔豬腹瀉3.20% 、12.78%和呼吸道疾病發(fā)病率降低40.03%和40.89%，并且效果要優(yōu)于阿莫西林組。黃木家等[20]應用抗菌肽2% 制劑代替仔豬槽料中的血漿蛋白粉，結果發(fā)現仔豬的腹瀉率減少47.78%，緩解了仔豬的斷奶綜合征，提高了仔豬的健康水平。
抗菌肽可以通過(guò)刺激免疫反應，迅速使機體T、B細胞增殖，提高巨噬細胞吞噬效率，增強免疫應答能力，調節免疫機能，增強預防接種免疫效果，提高仔豬健康水平。王阿榮等[21]報道，在仔豬日糧中添加320g/t的天蠶素抗菌肽可以提高斷奶仔豬血液中免疫球蛋白(IgG)的含量。由此可見(jiàn)，適量添加天蠶素抗菌肽可以提高斷奶仔豬機體免疫力。王凱等[22]研究發(fā)現，基礎日糧中添加抗菌肽可以提高仔豬T淋巴細胞的提高，穩定豬群健康水平，提高仔豬免疫力。
2.2抗菌肽在母豬生產(chǎn)中的應用
母豬生產(chǎn)性能是影響豬場(chǎng)經(jīng)濟效益的第一個(gè)限制性因素。李永新等[23]觀(guān)察抗菌肽對母豬生產(chǎn)性能的影響，試驗組母豬的生產(chǎn)性能顯著(zhù)提高，試驗組母豬的窩均產(chǎn)仔數和窩均活仔質(zhì)量均高于對照組：分娩、斷奶的成活率分別比對照組提高了6.48%和16.1%，結果表明：抗菌肽的保健效果具有明顯的優(yōu)勢。劉紅健[24]等在母豬的飼料中添加加0.3% 抗菌肽，死胎率降低了33.3%、木乃伊率降低100%、初生成活率提高6.0%、初生平均頭重提高1.3%、窩平均存活數提高32.1%、斷奶成活率提高3.3%、斷奶平均頭重提高25.1%、平均凈增重提高32.8%。
郭小明等[25]將抗生素與抗菌肽的效果進(jìn)行對比，結果發(fā)現使用防御素抗菌膚，添加抗菌肽(試驗組)的母豬產(chǎn)弱仔率僅為2.5%，而添加利高霉素和阿莫西林(對照組)的母豬產(chǎn)弱仔率為8.3%，對照組弱仔率明顯高于試驗組弱仔率。其中添加防御素抗菌試驗組母豬所產(chǎn)的1128 頭仔豬中，木乃伊2頭、死胎3頭。對照組母豬所產(chǎn)11頭仔豬中，木乃伊6頭、死胎7頭。對照組木乃伊發(fā)生率0.54 %，死胎發(fā)生率0.63 %，明顯高于試驗組木乃伊發(fā)生率0. 17 % 與死胎發(fā)生率0. 26 %。
2.3抗菌肽在家禽生產(chǎn)中的應用
禽類(lèi)集約化養殖過(guò)程中出現的一些問(wèn)題，如飼養密度過(guò)大、過(guò)冷、過(guò)熱、衛生狀況差等，會(huì )影響禽類(lèi)的消化道微生態(tài)平衡，導致其免疫力、生產(chǎn)性能及抗疾病能力下降。大量研究表明，抗菌肽可以提高雞的免疫力，增強抗病能力。呂尊周[26]研究抗菌肽對蛋雞血清免疫指標及脾臟白細胞介素2 mRNA 表達量的影響，結果表明：飼糧中添加不同水平抗菌肽可不同程度地提高脾臟系數。與對照組相比，添加抗菌肽的試驗組血清免疫球蛋白A、血清免疫球蛋白G 含量均有不同程度的提高，而抗菌肽對血清免疫球蛋白M、C3 和C4 含量影響不顯著(zhù)。抗菌肽組脾臟IL-2 mRNA 的表達量顯著(zhù)高于對照組。
陳曉生等[27]研究了飼料中添加抗菌肽對肉鴨的影響，結果表明，肉鴨日糧中添加2mL/kg上的抗菌肽制劑時(shí)，1~7周齡尤其在1~2周齡增重效果顯著(zhù)，能顯著(zhù)提高采食量，隨著(zhù)抗菌肽添加量的提高，能明顯提高肉鴨的凈肉率，并降低腹脂率。黃永彤[28]等將柞蠶抗菌肽酵母制劑作為肉雞飼料添加劑，結果顯示抗菌肽可以促進(jìn)肉雞生長(cháng)，使肉雞成活率提高10%，飼料轉化率提高3.64%。盧宇等[29]通過(guò)試驗證明，在飼料中添加抗菌肽S807，并飼喂10~35日齡肉雞，雞只成活率比對照組提高了8.62%。這些研究說(shuō)明抗菌肽具有促進(jìn)禽畜機體對營(yíng)養物質(zhì)的合成和利用，抑制病原菌繁殖，改善腸道菌群結構，提高機體免疫能力等作用。
3 總結
近年來(lái)，抗生素濫用問(wèn)題日益加重，使得許多致病菌出現耐藥性，甚至出現了抗生素治療無(wú)效的超級細菌。在畜禽飼養過(guò)程中，病原體變異使得許多具有典型臨床特征的疾病出現非典型癥狀，原本控制較好的疾病再次流行，新病也不斷出現，造成了極大的經(jīng)濟損失。抗菌肽除了具有很好的殺菌和抑菌效果外，添加在飼料中可有效防止飼料霉變。動(dòng)物采食了含有抗菌肽的飼料后，不僅可以有效抑制腸道內病菌的繁殖，調節動(dòng)物體內的微生態(tài)平衡，而且不易產(chǎn)生殘留，細菌也不易產(chǎn)生耐藥性。
抗菌肽雖然是近些年來(lái)國內外的研究熱點(diǎn)，但仍存在以下3個(gè)方面問(wèn)題：1)抗菌肽的抗菌活力問(wèn)題。抗菌肽雖然能夠治療多種疾病，但其抗菌活力和抗菌譜和傳統抗生素相比還是略顯不足。2)抗菌肽藥用性能的問(wèn)題。在臨床應用中，抗菌肽的毒理性和藥理藥效方面的研究還不夠深入，尤其是在食用劑量、給藥方式和作用時(shí)間等方面還需要進(jìn)一步研究。3)抗菌肽的生產(chǎn)加工問(wèn)題。從生物體中提取的天然抗菌肽含量極低，提取工藝復雜，而且資源有限;化學(xué)合成制備難以保持抗菌肽的天然結構及活性;利用基因工程技術(shù)重組抗菌肽表達效率低，且常以融合蛋白形式表達，后期處理難以獲得純品;抗菌肽無(wú)論是基因工程生產(chǎn)還是化學(xué)合成生產(chǎn)，目前還很難達到產(chǎn)業(yè)化的規模，不能滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求[30]。
當然，隨著(zhù)對抗菌肽研究了解的逐步深入，上述問(wèn)題最終也將找到合理的解決辦法，而抗菌肽作為新型的綠色飼料添加劑必將在畜禽生產(chǎn)過(guò)程中得到廣泛應用。