陳 明 章玉萍 代君君 涂文君 張麗麗 吳傳華 劉 健 范 濤

(1安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑研究所,安徽合肥 230061; 2安徽省肥西縣人民醫(yī)院,安徽合肥 231200)

·綜述·

新型抗感染藥物研究模式生物
——家蠶

陳 明1章玉萍1代君君1涂文君2張麗麗1吳傳華1劉 健1范 濤1

(1安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑研究所,安徽合肥 230061;2安徽省肥西縣人民醫(yī)院,安徽合肥 231200)

在抗生素耐藥現(xiàn)象層出不窮的今天,尋找新的抗菌靶點(diǎn)和藥物作用機(jī)制,開(kāi)發(fā)新的抗感染藥物變的越來(lái)越緊迫。家蠶,以其特有的生理生化特性和基因組學(xué)研究深入為優(yōu)勢(shì),逐漸成為一種重要的用于抗感染藥物研究的模式生物。綜述了家蠶作為抗感染藥物研究新興的模式生物,憑借世代短、子代多、遺傳資源豐富以及基因和人類基因相似性高的若干優(yōu)勢(shì),對(duì)家蠶用于抗感染藥物研究的相關(guān)應(yīng)用,如家蠶抗感染模型的建立、抗感染防御機(jī)制的研究，利用家蠶感染模型研究新型抗病毒藥物、新型抗菌藥物，家蠶的真菌感染研究等進(jìn)行了綜述,展望了家蠶模式生物研究的前景。

家蠶;模式生物;抗感染;防御機(jī)制;藥物篩選

隨著一線臨床抗生素的廣泛和大量使用,抗生素耐藥問(wèn)題日益嚴(yán)重,尤其是伴隨著細(xì)菌多重耐藥(Multidrug-resistant, MDR)現(xiàn)象的出現(xiàn),開(kāi)發(fā)基于新機(jī)制和新藥理作用的新型抗感染藥物已經(jīng)變得越來(lái)越緊迫[1]。新型抗感染藥物的研發(fā)離不開(kāi)藥物篩選模型的發(fā)展。藥物篩選是對(duì)可能作為藥物使用的物質(zhì),包括天然產(chǎn)物、合成化合物等,應(yīng)用適當(dāng)?shù)姆椒ê图夹g(shù),檢測(cè)其可能存在的藥理活性并推測(cè)其可能的藥理作用機(jī)制,為新藥開(kāi)發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。目前,隨著制藥工業(yè)的發(fā)展,大量的新藥篩選模型已經(jīng)被建立,按照其作用對(duì)象,可分為三個(gè)水平:細(xì)胞分子水平、組織器官水平和整體動(dòng)物水平[2]。將動(dòng)物個(gè)體作為模式生物,從整體動(dòng)物水平出發(fā)進(jìn)行藥物篩選,可以從個(gè)體水平直觀地反映出藥物的藥理和藥效學(xué)特點(diǎn)[3]。所以,尋找和研究更多的模式動(dòng)物用以整體動(dòng)物模型構(gòu)建是藥物篩選領(lǐng)域重要的研究課題。目前,大部分和人有關(guān)的感染疾病模式動(dòng)物研究主要以哺乳動(dòng)物模型為主,如大鼠、小鼠、家兔等。使用哺乳動(dòng)物作為模式生物,除了生物倫理和生物安全方面的考量之外,還需要投入大量的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行哺乳動(dòng)物的飼養(yǎng)和繁殖,實(shí)驗(yàn)成本較高[4]。因此,有國(guó)外研究者提出,傳統(tǒng)的抗感染藥物篩選都是以微生物細(xì)胞模型為基礎(chǔ),能否利用低等動(dòng)物和人在部分相關(guān)基因上的相似性,從低等動(dòng)物模型著手,加速抗感染藥物的研發(fā)速度[4-5]。而且隨著研究的深入,目前國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始提倡使用低等動(dòng)物代替高等動(dòng)物進(jìn)行損傷性實(shí)驗(yàn)。家蠶作為新興的模式生物,憑借世代短、子代多、遺傳資源豐富以及基因和人類基因相似性高的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為生物學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模式生物學(xué)研究的新選擇,成為重要的抗感染藥物研究模式生物之一。

1 家蠶作為抗感染藥物篩選模式生物的優(yōu)點(diǎn)

家蠶(Bombymori)作為生物界的一個(gè)大類群,在分類上屬于昆蟲(chóng)綱鱗翅目蠶蛾科(Bombycidae)。家蠶與經(jīng)典的模式生物蠑螈(Salamandralaurenti)、小鼠(Musmusculus)、斑馬魚(yú)(Zebrafish)等相比具有一些特殊的研究?jī)?yōu)勢(shì):一是家蠶的培育技術(shù)已經(jīng)非常成熟,易于進(jìn)行規(guī)?；乃募撅曫B(yǎng)和繁殖,實(shí)驗(yàn)成本低。二是家蠶作為重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲(chóng),其生理和生化特征已經(jīng)被廣泛深入地研究,作為模式生物的生物學(xué)理論背景清楚明確,便于開(kāi)展后續(xù)的藥代動(dòng)力學(xué)和藥理學(xué)研究。三是由于家蠶在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下較難逃逸且在非培養(yǎng)條件下生存不了,相比其它模式生物,家蠶引發(fā)生物危害和生物安全問(wèn)題的可能性較低。四是隨著家蠶基因組計(jì)劃的推進(jìn),家蠶基因組的框架圖和精細(xì)圖相繼完成,這為深入研究家蠶重要性狀和關(guān)鍵的功能基因提供了極為豐富的生物信息資源。特別是隨著家蠶核酸數(shù)據(jù)庫(kù)、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)及表達(dá)數(shù)列標(biāo)簽(Expressed Sequence Tag, EST)數(shù)據(jù)庫(kù)等各種二級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)的成功構(gòu)建,家蠶功能基因組學(xué)的相關(guān)技術(shù)日趨完善,家蠶作為模式生物用于感染性疾病研究已經(jīng)有了良好的技術(shù)先導(dǎo)優(yōu)勢(shì)[4,6-8]。目前的研究已經(jīng)證實(shí),某些人類疾病的相關(guān)基因和家蠶基因具有很高的同源性,如家蠶素(Bombyxin)基因編碼的類胰島素肽和人胰島素的氨基酸組成約有40%的相似性[9]。以家蠶為模式生物,結(jié)合相應(yīng)的基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究,研究與人類疾病相關(guān)的家蠶基因和編碼蛋白質(zhì),將有助于致病機(jī)制的探索和新型藥物的研發(fā)。

2 家蠶作為抗感染藥物篩選模式生物的研究進(jìn)展

2.1 家蠶抗感染模型的建立

Kaito等[10]最先開(kāi)展了家蠶作為模式生物用于抗感染藥物測(cè)試的研究,認(rèn)為家蠶可作為模式生物測(cè)試細(xì)菌對(duì)于哺乳動(dòng)物的潛在致病性,并提出病原菌的致病機(jī)制和家蠶抗感染防御機(jī)制的研究是利用家蠶作為模式生物開(kāi)發(fā)抗感染藥物的基礎(chǔ)和前提。作為一種生理學(xué)習(xí)性和藥理學(xué)特點(diǎn)已經(jīng)被研究的較為透徹的無(wú)脊椎動(dòng)物,家蠶在抗感染藥物的藥代動(dòng)力學(xué)特征上和大鼠等哺乳動(dòng)物具有非常高的相似性,Sekimizu 等[4]、Kurokawa等[11]、Hamamoto等[12]的大量研究證實(shí)了這一點(diǎn)[13-15]。Hamamoto等[16]研究證實(shí),家蠶在傘形花內(nèi)酯、香豆素等藥物的代謝特征上和大鼠等哺乳動(dòng)物相似,均通過(guò)細(xì)胞色素P450酶系進(jìn)行代謝。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),以家蠶為模式生物得出的藥效學(xué)結(jié)論與哺乳動(dòng)物藥物試驗(yàn)的結(jié)果相吻合[17]。與傳統(tǒng)的無(wú)脊椎動(dòng)物果蠅、蝗蟲(chóng)、蜜蜂等相比,家蠶可以通過(guò)口飼、血淋巴注射、腸管注入等多種方式接入待測(cè)藥物,且個(gè)體適中,便于實(shí)施精確的藥物劑量控制和組織分離。目前已利用家蠶作為抗感染模式生物研究的病原體包括病毒、細(xì)菌和真菌三大類。病毒包括軟化病病毒(Iflaviridae virus, FV)、核型多角體病毒(Nuclear polyhedrosis virus, NPV)等,細(xì)菌包括金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、綠膿桿菌等醫(yī)源性感染菌,真菌包括白色念珠菌、曲霉菌等機(jī)會(huì)性致病真菌。

2.2 家蠶抗感染防御機(jī)制的研究

與大多數(shù)昆蟲(chóng)類似,家蠶具備簡(jiǎn)單而完善的先天免疫系統(tǒng)識(shí)別外來(lái)入侵的病原體并產(chǎn)生一系列的免疫反應(yīng),其免疫系統(tǒng)通過(guò)細(xì)胞免疫和體液免疫2個(gè)方面發(fā)揮作用。細(xì)胞免疫主要通過(guò)吞噬、包被和結(jié)節(jié)等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外來(lái)病原體的抑制和清除效果,體液免疫則是通過(guò)抗菌肽等免疫活性分子發(fā)揮免疫作用[18]。Fujyuki等[19]發(fā)現(xiàn)家蠶麻痹肽與家蠶的內(nèi)在免疫應(yīng)答有密切關(guān)聯(lián),并以此建立了篩選模型進(jìn)行免疫活性物質(zhì)如免疫增強(qiáng)劑的篩選。隨后Ishil等[20]、Dhital等[21]的跟進(jìn)研究證實(shí)了家蠶體內(nèi)的宿主防御系統(tǒng)也和麻痹肽等免疫分子對(duì)相關(guān)功能基因的表達(dá)調(diào)控水平有關(guān)。通過(guò)對(duì)抗菌肽、麻痹肽等免疫活性分子以及相關(guān)的家蠶模式識(shí)別蛋白的研究,發(fā)現(xiàn)家蠶雖然在免疫系統(tǒng)的構(gòu)成上與人類有較大的差異,但其內(nèi)在的分子機(jī)制卻具有一定的相似性。家蠶體內(nèi)也存在被外來(lái)病原體激活的免疫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,如與哺乳動(dòng)物Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)和腫瘤壞死因子受體(Tumor necrosis factor receptor,TNFR)途徑類似的Toll樣受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和免疫缺陷(Imd, Immune deficiency)途徑,都能在外界刺激下激活下游的NF-κB轉(zhuǎn)錄因子,繼而調(diào)控相關(guān)功能基因的表達(dá)水平。家蠶和哺乳動(dòng)物在免疫應(yīng)答機(jī)制上的相似性決定了其可以作為模式生物應(yīng)用于抗感染藥物篩選模型的構(gòu)建[19,22-23]。

2.3 利用家蠶病毒感染模型研究新型抗病毒藥物

病毒感染家蠶的研究最早是從NPV、FV等病毒的預(yù)防和治療開(kāi)始的。Arakawa等[24]在對(duì)核苷類抗生素(Nikkomycin)的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)家蠶可作為病毒感染模式生物應(yīng)用于抗NPV藥物的篩選,這一結(jié)果也促成了對(duì)于Nikkomycin這類農(nóng)業(yè)新型抗生素藥效作用的進(jìn)一步研究。Orihara等[25]利用家蠶作為模式生物構(gòu)建抗病毒模型,從中國(guó)傳統(tǒng)中藥肉桂皮中分離得到了具有抗桿狀病毒活性的物質(zhì)乙酰桂二萜醇。東京大學(xué)染色體創(chuàng)藥研究所的Sekimizu教授根據(jù)以上的研究結(jié)果提出可以利用病毒——蠶的模式來(lái)測(cè)試新型抗病毒藥物的有效性[16]。

2.4 利用家蠶細(xì)菌感染模型研究新型抗菌藥物

在早期的研究中,家蠶曾作為宿主模型用以相關(guān)病原菌致病性的監(jiān)測(cè),Kodama等[26]進(jìn)行的家蠶感染實(shí)驗(yàn)確定了多種醫(yī)源性病原菌可引起家蠶發(fā)病,后續(xù)的研究報(bào)道也證實(shí)了金黃色葡萄球菌、糞腸球菌、綠膿桿菌等臨床常見(jiàn)病原菌可使家蠶發(fā)病致死。Hamamoto等[27]通過(guò)對(duì)部分抗生素在家蠶體內(nèi)的藥效學(xué)和毒理學(xué)研究證實(shí)氯霉素、四環(huán)素、萬(wàn)古霉素、替考拉寧、卡拉霉素、利奈唑胺等抗生素的ED50和LD50數(shù)值在人類和家蠶體內(nèi)的表現(xiàn)一致,萬(wàn)古霉素和卡那霉素等人體腸道吸收性較差的抗生素以腸管注入的方式接入病原菌感染的家蠶體內(nèi)后,也未發(fā)揮抗菌作用,表明家蠶和人體在抗生素的代謝通路上具有非常高的相似性,這也是家蠶作為模式生物用以抗菌藥物研究的前提和基礎(chǔ)。

家蠶作為模式生物,近年來(lái)被廣泛用于常見(jiàn)病原菌如金黃色葡萄球菌的致病機(jī)制探索和治療效果的監(jiān)測(cè)。Hanada等[28]、Kaito等[29]通過(guò)對(duì)比不同基因敲除條件下的金黃色葡萄球菌感染家蠶結(jié)果,提出可以將家蠶作為金黃色葡萄球菌毒性基因的測(cè)試生物。Kurokawa等[30]根據(jù)Kaito等[29]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)構(gòu)建家蠶幼蟲(chóng)的金黃色葡萄球菌感染模型,提出家蠶感染模型可以用于金黃色葡萄球菌的耐藥機(jī)制研究。Uchida等[31]以家蠶為模式生物構(gòu)建了抗耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistant staphylococcus aureus,MRSA)藥物篩選模型,篩選得到了新型磷酸糖脂類抗生素(Nosokomycin),Nosokomycin對(duì)MRSA的殺菌效果要強(qiáng)于萬(wàn)古霉素,后續(xù)的哺乳動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了Nosokomycin可以有效提高M(jìn)RSA感染小鼠的存活率[32]。MRSA作為嚴(yán)重影響人類健康的重要致病菌,是醫(yī)院感染和社區(qū)感染的常見(jiàn)病原菌。MRSA除對(duì)甲氧西林耐藥外,還對(duì)臨床上廣泛應(yīng)用的多種抗生素耐藥,所致感染呈散發(fā)或暴發(fā)流行,治療困難,病死率高。由于MRSA耐藥機(jī)制的復(fù)雜性,臨床上在治療MRSA感染的用藥選擇上,面臨著極大的壓力。研究MRSA此類耐藥菌的耐藥機(jī)制,篩選出基于嶄新機(jī)制和藥理作用的新型抗感染藥物成為醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大課題[33-34]。Uchida等[31-32]的研究結(jié)果確認(rèn)了家蠶模型在抗MRSA藥物篩選上的有效性,隨后家蠶作為模式生物被廣泛應(yīng)用于抗金黃色葡萄球菌類抗生素的藥效學(xué)和藥理作用機(jī)制研究。Paudel 等[35]以家蠶為模式生物研究了一類新型嘧啶酮類抗生素的構(gòu)效關(guān)系,確認(rèn)了該類抗生素對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌和殺菌效果。Dzoyem等[36]通過(guò)家蠶的金黃色葡萄球菌感染模型,研究了自琉桑屬(Dorstenia)中分離得到的黃酮類物質(zhì)的抗金黃色葡萄球菌作用,并探討了其可能的抗菌作用機(jī)制。

2.5 家蠶的真菌感染實(shí)驗(yàn)

能夠誘發(fā)各類機(jī)會(huì)性感染的真菌如白色念珠菌和曲霉菌也可誘發(fā)家蠶發(fā)病乃至死亡。Hamamoto等[27]、Matsumoto等[37]進(jìn)行的定量分析試驗(yàn)確認(rèn)了兩性霉素B、氟康唑這類抗真菌制劑對(duì)于被真菌感染的家蠶的治療效果。目前,家蠶的真菌感染試驗(yàn)主要集中于家蠶和真菌互作的分子機(jī)制的研究,被用以探索家蠶宿主和病原真菌的免疫應(yīng)答,以家蠶為模式生物用于抗真菌藥物的篩選研究還進(jìn)行的較少。

3 總結(jié)和展望

細(xì)菌、病毒、真菌導(dǎo)致的各類感染性疾病是威脅人類健康的重要因素,致病機(jī)制的分析以及抗感染藥物的研發(fā)也一直是生物醫(yī)學(xué)界面臨的重大課題。在過(guò)去,這方面的科學(xué)研究大量使用大鼠等哺乳動(dòng)物作為模式生物進(jìn)行實(shí)驗(yàn),帶來(lái)了研發(fā)成本提高、飼養(yǎng)場(chǎng)地不足以及生物倫理和生物安全方面的諸多問(wèn)題,因而科學(xué)界開(kāi)始使用果蠅、家蠶等小型無(wú)脊椎動(dòng)物作為模式生物展開(kāi)新型抗感染藥物的研究。對(duì)于家蠶作為模式生物用于抗感染藥物的篩選,目前國(guó)內(nèi)外的研究尚未深入,更多的是將其作為載體應(yīng)用于抗菌和抗病毒藥物的研究,缺乏系統(tǒng)性和整體性的評(píng)價(jià)資料。此外,家蠶模型在抗感染藥物篩選的應(yīng)用,目前還僅僅停留在初篩層次,更多的動(dòng)物和臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)還未取得。因此,以家蠶為模式生物開(kāi)展抗感染藥物的深入研究,將有助于完善家蠶模式生物學(xué)的研究資料,并為從另外一個(gè)角度探索病原體的致病和耐藥機(jī)制提供新的研究視角。

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2014-05-16;

：2014-07-04

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(編號(hào) CARS-22);安徽省蠶桑產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(編號(hào) ahnycytx-16);安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(編號(hào) 13B0631);安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(編號(hào) 14A0607);種子工程項(xiàng)目(編號(hào) 14D0606)。

陳明(1984—),男,安徽合肥，碩士,研究實(shí)習(xí)員。 Tel：0551-62826686，E-mail:ming-ahas@foxmail.com

范濤(1962—),男,碩士,研究員。 Tel：0551-62826686，E-mail:fantao116@sohu.com

S881.2

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1007-0982(2014)03-0019-05