1. 抗生素耐药性使人类未来健康面临重大挑战
每年估计有770万人死于细菌感染，其中495万人与耐药病原体有关，127万人是由对现有抗生素耐药的细菌病原体引起的[1]。国际研究团队近日在英国学术期刊《柳叶刀》上发表论文说，2025年至2050年间，全球预计将有超过3900万人死于抗生素耐药性[2]。另一组研究数据表明，到2050年，全球因抗生素耐药性感染而死亡的人数或将攀升至1000万，医疗保健和生产力下降的累计成本将达到100万亿美元，且低收入国家的畜牧业产量将损失11%[3]。抗生素的耐药性抵消了新生儿存活率、健康老龄化进展和减贫目标的益处，是实现可持续发展目标的主要障碍。抗菌药物耐药性的不良后果贯穿人类生命过程，包括与医疗保健、社区感染及生态循环和食物链等，对于婴儿、年老和重病的人耐药性感染尤为突出。抗生素耐药性已成为全球公共卫生的重大挑战，必须采取果断行动应对这一威胁。世界卫生组织总干事谭德塞在第四届全球高级别抗微生物药物耐药性部长级会议上表示，抗微生物药物耐药性正在威胁人类所依赖的药物治疗效果。抗微生物药物耐药性的发展将使治疗感染变得更加困难，甚至可能导致超级细菌的出现。而随着抗微生物药物耐药性问题日益严峻，多重耐药抗菌药已成为业界关注的焦点，依从性高、服用便捷、效果好的新药正在被市场期待。
2.抗菌肽的作用机制和现状分析
抗菌肽（AMP）是生物体先天免疫的重要组成部分，不仅被认为是先天免疫的效应器，还被认为是增殖活动和保护过程的调节器，是广泛存在于自然界中的具有抗微生物活性的小肽，具有≤60个氨基酸残基[4]。AMP已被证明具有广泛的生物活性，包括抗菌、抗菌膜、抗真菌、抗病毒、抗肿瘤、抗原生动物和免疫调节[5,6]。在当前的抗生素耐药时代，因具有不易产生抗药性、作用快速等优势，同时因为容易降解也不会对环境造成持续性污染。对抗菌肽的研究已经变得非常重要，在过去的二十年里，对AMP的研究也大幅增加。
AMP表现出四种类型的结构，如线性α螺旋（图2A）、β片（图2B）、线性延伸（图2C）、环（图2D）及随机卷曲（图2E）等[7]。根据AMP的结构-活性研究，抗菌活性需要两个主要因素：阳离子电荷和诱导的两亲性构象。它们的两亲结构促进了AMP的活性，例如在微生物膜中形成孔或破坏膜的完整性。同时，它们的净正电荷使它们能够与阴离子细菌膜静电相互作用。大多数AMP在中性pH值下倾向于带正电荷，富含精氨酸和赖氨酸残基，而大多数AMP的电荷在+2和+9之间，包含10-100个氨基酸。桶壁模型中的AMP应至少有22个氨基酸才能穿过细菌的胆汁层，而β-折叠模型中的AMPs必须有8个氨基酸。影响AMP对真核细胞毒性的另一个重要特性是螺旋性，发现将D-氨基酸掺入一级序列会降低AMP的螺旋性，从而在不影响其抗菌特性的情况下降低溶血作用。也有证据表明疏水性影响AMP分子的活性和选择性。将AMP带正电侧的疏水性提高到阈值以下可以增强其抗菌作用，而降低其疏水性可以最大限度地减少抗菌作用。每种AMP似乎都有一个最佳疏水性，超过这个疏水性，其活性会迅速降低[8]。
抗菌肽因其作用机理脱颖而出，成为对抗耐药菌感染的有力武器。抗菌肽可以通过多种作用机制达到抑制病原微生物的效果，其中较为普遍的作用机制是结合病原微生物的细胞膜，扰乱细胞膜结构；或直接在细胞膜上形成微孔使细胞内容物外流，最终将病原微生物杀死[9] （图2H）。其破膜机制主要包括四种：桶状-隔层模式、环形-孔隙模式、类似洗涤剂的地毯机制和聚集体模式（图2G）。在桶壁模型中，肽与肽的横向相互作用是通过肽垂直插入膜中来促进的。在环形模型中，肽在脂质双层内诱导弯曲，而孔是由肽和磷脂头基团共同形成的。在地毯模型的情况下，AMP在膜上发生吸附，AMP覆盖整个表面，直到达到阈值浓度。此时会出现类似洗涤剂的效果，导致膜的完整性恶化，并通过胶束的形成而分解。在非膜溶解机制中，肽通过与参与这些生物过程的特定蛋白质相互作用，阻碍细菌的细胞分裂、蛋白质和细胞壁合成以及DNA复制。近些年来,能抵御多重耐药菌同时不易产生耐药性的抗菌肽,已被认为是替代传统抗生素的下一代抗菌剂[10]。
此外， AMP能发挥特有免疫调节作用，已经得到了广泛的研究[11]。最近各种疾病发病率的增加促使人们尝试使用各种免疫调节剂来控制这些疾病。海洋来源的免疫调节蛋白、肽或蛋白质水解物的作用机制主要受巨噬细胞活化的影响；吞噬细胞刺激；白细胞数量增加；NO、免疫球蛋白和细胞因子的产生增加；脾细胞增殖；NK细胞刺激；以及NF-κB和MAPK依赖途径的激活（图2I）。人口中老年人的数量正在增加，随着人们年龄的增长，免疫系统功能下降，炎症增加。这会导致更多的感染和更高的死亡率。先天免疫反应受到多种因素的影响。在衰老过程中，单核细胞和巨噬细胞产生的细胞因子发生变化，吞噬能力降低，TLR表达降低。发现海洋来源的抗菌肽能够控制免疫功能。因此，海洋衍生的抗菌肽缓解了免疫系统的减弱，从而提高了生活质量，降低了医疗成本，并有助于提高免疫力[12]。
图2 抗菌肽的结构及抗菌活性机制及免疫活性分析
[9-12]。(略加修改)、
3. 海洋来源抗菌肽成为新型抗菌物质的新焦点
海洋无脊椎动物是最大的海洋生物群落，作为抗菌活性物质的来源，这些化合物具有独特的结构和作用机制，是开发新抗生素的有前景的候选者。海洋无脊椎动物AMP在克服这一挑战方面具有优势，近十年海洋来源的抗菌肽如图2所示，海洋无脊椎动物的主要分类群包括多孔动物、刺胞动物、环节动物、软体动物、棘皮动物、节肢动物和脊索动物（图3A）。根据文献，迄今为止在海洋生物中发现的AMP具有独特及不常见的生物活性，迄今为止从活体中分离出的最活跃的海洋AMP之一是Tachyplesin I。据报道，几种海洋AMP对耐药微生物具有活性，如Arenicins、Capitellacin、Octopromycin、Octominin和Cathelicidins。其中，Capitellacin是一种从Capitella telata中分离出来的海洋环节动物AMP，对属于ESKAPE病原体的细菌菌株具有活性，并且细胞毒性可以忽略不计[13]。大多数海洋AMP具有广谱生物活性，包括抗菌、抗真菌、抗菌膜、抗病毒及免疫调节作用等（图3A）。在抗菌活性方面，尽管革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌对海洋AMP敏感，但发现革兰氏阳性细菌受这些分子的影响更大[14]。
海洋无脊椎动物的AMP在结构、电荷和疏水性方面表现出显著的多样性，这有助于它们对各种病原体的广谱保护（图3B）。它们中的大多数都具有抗菌肽特有破坏细胞膜的共同特征：它们富含赖氨酸和精氨酸残基，这为它们提供了正电荷，并且还含有高比例的疏水残基。在这些肽存在疏水性和亲水性残基的空间分离和聚集使它们具有明显的两亲性和对生物膜的亲和力[15]。有趣的是，大多数活性海洋AMP被发现富含半胱氨酸，并通过二硫键稳定。与从其他来源分离的AMP相比，它们在盐、温度和pH值也具有卓越的稳定性。此外，海洋AMP的多种作用模式，包括膜破坏和细胞内靶向，使细菌无法产生耐药性。海洋AMP最显著的特征是其低细胞毒性和缺乏溶血性，可以探索开发治疗药物。海洋AMP的两亲性低是其细胞毒性和膜活性低的重要原因之一。总之，海洋AMP的独特之处在于其广谱活性、作用机制、低细胞毒性和高稳定性，这些构成了开发潜在治疗药物的基准。迄今为止进行的所有研究都表明，海洋AMP有潜力被开发为下一代抗菌剂，从而为与多重耐药病原体划清界限努力。
图3 现有海洋来源抗菌肽及其活性和组成分析总结
[13-15]。(略加修改)
4. 基于深度学习网络预测模型从海洋来源成熟神经肽中筛选出新的抗菌肽
在探索生命科学的浩瀚宇宙中，神经肽作为一类微小而强大的分子信使，扮演着举足轻重的角色。它们不仅深刻影响着神经系统的发育与功能，还广泛参与到内分泌调节、免疫系统应答以及多种生理病理过程中，是连接生物体内环境稳态与动态平衡的关键桥梁。近期有学者发现在大脑对于细菌感染的免疫调节中，神经肽可能发挥抗菌和抗炎活性。神经肽本身具有免疫调节及抗炎的活性，而我们项目前期发现，神经肽在抵御病原微生物感染的同时还应该避免免疫细胞介导的脱靶炎症对器官本身的伤害，证明神经肽很多不仅有抑炎活性，还有抗菌活性，在对大脑保护机制中发挥重要作用。因此、开发具有抗菌抗炎双功能肽具有重要意义。现在对于海洋来源抗菌神经肽具有不少研究，包括单环刺螠、棘皮动物门及脊椎动物等等，具有完整的基因组数据，我们通过分析前神经肽（pNP）的结构包括预测的信号肽、预测的酰胺化肽和预测的裂解位点、半胱氨酸残基和潜在的焦谷氨酰胺化位点等找出每一条成熟的神经肽。
抗菌肽独特的特性，如高靶点特异性、效力和绕过微生物耐药机制的能力，使AMP成为传统抗生素的有前景的替代品，其理化性质具有一定规律性。因此，快速高效的实现抗菌肽的预测和筛选具有重要意义[16]。与陆地和淡水生物相比，对海洋生物AMP的探索较少，主要是因为获取样本的困难。过去十年，结合计算和实验方法是鉴定新型AMP的最有效方法，而采用各种计算机技术进行结构和功能表征对不易接近的海洋生物是有利的。尽管如此，高毒性、不易抗菌肽的高毒性、蛋白水解降解、稳定性低、药代动力学差和生产成本高，继续阻碍了它们的临床应用。因此，最近的研究集中在优化AMP的性能以提高其性能上。通过了解与其活性相对应的AMP的物理化学性质，如两亲性、疏水性、结构构象、氨基酸分布和组成，利用人工智能和机器学习的预测计算工具基于三维结构进行合理设计，通过结构-活性关系筛选出具有所需和改进性能的AMP优化[17]，后进行体外实验验证，包括抗菌活性分析（MIC及IC50）、细胞膜电镜扫描、溶血及细胞毒性测试及诱导细菌耐药性和脓毒症模型小鼠生存率实验。
对于神经肽我们已有一定研究，我们已经站在巨人肩膀上，利用深度学习模型预测出具有抗菌功能的神经肽，近期经过前人经验，我们可以进行结构优化确定抗菌活性较好、稳定且无毒的神经肽。神经肽因其特殊性质，在免疫系统能发挥重要重要，若后期确定出具有抗菌活性的神经肽，对于后期抗菌剂的开放及抗菌神经肽对大脑保护机制的阐述具有重要意义。
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