植物次生代謝物對抗耐藥菌的研究進展

蔣曉燕

（諸暨市人民醫院重癥醫學科，浙江 紹興 311800）

抗菌藥物耐藥性（antimicrobial resistance，AMR）已成為21世紀的全球公共衛生問題之一，形勢日趨嚴峻。世界衛生組織從2001 年提出控制抗菌藥物耐藥性全球戰略框架，至2012年實施了各項干預措施以減緩耐藥菌的出現和傳播，2014年發布的全球耐藥報告表明，細菌耐藥問題正在全球蔓延[1]。耐藥菌不僅是醫院和醫療器械相關感染的主要來源，還是ICU中最棘手的感染問題。目前抗耐藥策略主要有抗菌藥物的老藥新用、聯合應用、納米化、新型抗菌藥物研制、使用免疫調節劑和噬菌體等方式，但上述策略效果不佳且成本、時間花費較大[2]。自古以來，人們就將各種植物及其衍生物用于治療感染性疾病。民間傳統的藥方也使用從植物中提取的各種具有生物活性的物質，治療包括細菌感染性疾病在內的多種疾病，其中許多傳統療法在今天仍被廣泛使用，且現代醫學中使用的部分藥物也能追溯至民間醫學的原始形態。由于植物來源的化合物具有種類多、易獲得、活性成分豐富、作用靶點不同和不易產生耐藥性等特點，植物次生代謝物（plant secondary metabolites，SMOPs）可成為篩選和研發新型抗菌藥物的可靠來源，可作為攻克耐藥菌感染問題的重要手段[3]。

1 SMOPs的分類和作用

植物的初級代謝物是對其生長發育至關重要的產物，SMOPs是植物細胞通過次生代謝途徑產生的一組不同的生物化學物質，在物種競爭和防御中發揮主導作用，體現在保護植物免受食草動物和微生物的傷害等方面。植物對疾病有治療作用的物質基礎主要來源于SMOPs。目前，約20 萬種不同的SMOPs已被分離和鑒定，根據其化學結構或生物合成途徑主要可分為以下3大類：①萜類化合物（聚合型異戊二烯衍生物，由醋酸通過甲羥戊酸途徑生物合成）；②酚類化合物（從莽草酸途徑生物合成，含有一個或多個羥基芳環）；③生物堿（非蛋白含氮化合物，由氨基酸生物合成）。上述3種類型合計約占所有SMOPs的90%，其他類別還包括皂苷、脂類、精油、碳水化合物、酮和其他種類。

SMOPs 廣泛用于制藥和食品工業、香水、農用化學品和化妝品生產。由于許多SMOPs 作為植物自身抵御病原體的武器，具有部分或完全抑制某些微生物增殖的能力，也可對抗動物和人類的微生物病原體。目前，植物SMOPs的抗菌作用及特性已被揭示。

2 SMOPs的抗菌活性

SMOPs 可通過直接或間接的方式發揮抗菌作用[4]，間接的方式包括促進內源性代謝物的生成、以配體的方式激活信號通路分子、誘導激素和神經遞質等。不同SMOPs 對6 類常見耐藥菌的抗菌作用及作用機制見表1。因2017年世界衛生組織確定了6類重點的耐藥菌，簡稱“ESKAPE”（糞腸球菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鮑曼不動桿菌、銅綠假單胞菌和大腸桿菌的首字母縮寫）[5]，由于上述細菌的耐藥性特點，使之成為醫院ICU和病房最常見的感染源。

表1 植物化合物對病原體的抗菌活性和作用機制

作用于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的SMOPs數量種類較多，原因可能是他們分別代表革蘭氏陰性（G-）和革蘭氏陽性（G+）兩類菌，具有研究的象征意義。芹菜素、槲皮素、染料木素、百里香酚、香芹酚等化合物可同時抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，表明這些化合物對G-菌和G+菌均能發揮作用，這種抗菌作用對臨床應用具有重要的意義。經過進一步分析發現，大蒜素和香芹酚兩種化合物同時對3 種及以上耐藥菌具有抑制作用。大蒜素是大蒜中提取的有機硫化合物，對鮑曼不動桿菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯菌和金黃色葡萄球菌均有抑制作用。香芹酚屬于頭狀百里香來源的萜類化合物，對銅綠假單胞菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌發揮抑菌作用。由于這兩種化合物具有較廣的抗菌譜，值得深入研究并為其臨床應用奠定基礎。下列耐藥菌的抑菌化合物數量較少，如作用于鮑曼不動桿菌僅有大蒜素，抑制肺炎克雷伯氏菌的有蛇床子素和大蒜素，只有3 種黃酮類化合物對糞腸球菌具有抑制作用。但上述耐藥菌在臨床感染中依然十分常見，需學術界深入研究并發現更多的抗菌化合物。目前，抗生素的最低抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）僅為0.01～0.1 μg/ml，而植物來源代謝物的 MIC 高達 10～100 μg/ml，表明 SMOPs 相較于抗生素，其作用效率仍偏低。

3 SMOPs的抗菌作用機制

SMOPs 的抗菌作用方式主要取決于自身的化學結構和性質，可通過不同的方式影響微生物，包括破壞細胞質膜的結構和功能（外排系統）、與膜蛋白相互作用、阻斷DNA/RNA合成和干擾其功能、導致離子泄漏、阻止酶的合成、誘導細胞質成分的凝聚及干擾正常的細胞通訊（群體感應）。生物堿如三尖杉酯堿和小檗堿有插入DNA的能力，能擾亂轉錄和復制，抑制細胞分裂，導致細胞死亡。黃酮類化合物通過與細菌細胞壁上的膜蛋白相互作用，增加膜的通透性，導致細菌完整性破壞。姜黃素能穿透細胞膜雙層結構，增強其在金黃色葡萄球菌和大腸桿菌中的通透性。萜類化合物及其精油成分也能與微生物的胞膜相互作用并破壞其結構，香芹酚和百里香酚是從普通百里香中獲得的兩種研究最多的單萜化合物，疏水性的特點使他們能整合到細菌細胞膜上，破壞其結構并干擾其功能，導致ATP通透性增加和促使細胞成分的釋放。醌類化合物的主要靶點是表面暴露的黏附素蛋白、細胞壁多肽和膜結合酶。多酚和單寧的抗菌效果可能是由于細胞包膜運輸蛋白失活、酶抑制或膜的破壞。

4 SMOPs的抗耐藥作用

細菌細胞可通過多種機制使藥物失活，這些機制既包括“經典”的途徑，如藥物靶點的修飾、將破壞成分從細胞中外排出、酶的失活，也包括“非經典”的途徑，如生物膜形成后的保護作用。部分SMOPs的抗耐藥作用總結如下。

4.1 抑制外排泵 外排泵是對壓力適應、毒力和致病性至關重要的細胞組分，能使有毒物質主動從微生物細胞中排出，被認為是病原體產生耐藥性的重要組成部分。因此，抑制外排泵活性的化合物在克服耐藥性方面具有重要意義。據報道[25]，許多具有抗菌潛力的藥用植物含有外排泵抑制劑，其SMOPs能有效地抑制細菌內強大的外排泵，其中包括康里新、胡椒堿、槲皮素、白藜蘆醇等。如胡椒堿是黑胡椒和長胡椒中的主要生物堿，可抑制NorA 介導的環丙沙星從金黃色葡萄球菌中排出。多酚分子可直接與外排泵的結構蛋白結合，引起構象變化并阻止該物質排出。此外，SMOPs 與抗菌劑聯合使用時，通過抑制外排泵還可作為其增效劑，如催吐蘿芙木中的生物堿利血平在與氟喹諾酮類藥物聯合使用時，可抑制金黃色葡萄球菌的NorA外排泵活性。雖然部分植物來源的外排泵抑制劑發揮作用的方式已被揭示，但確切的機制仍有待進一步闡明。

4.2 減弱細菌毒力 植物提取物可通過影響微生物的毒力發揮其抗菌活性。細菌毒力的物質基礎主要為侵襲力和毒素，病原菌的毒力越大，其致病性越強。研究證實[26]，在甲氧西林敏感和耐甲氧西林的兩類金黃色葡萄球菌分離株中，用亞抑制濃度的百里香酚或丁香酚處理均可減少α溶血素和葡萄球菌腸毒素A和B的產生。在采用大蒜素、生物堿、辣椒素、黃酮、表兒茶素沒食子酸酯處理后，金黃色葡萄球菌溶血活性降低，葡萄球菌α 溶血素的產生減少甚至被抑制。大蒜素被證明能有效中和主要毒力因子溶血素，香豆素衍生物七葉亭在大腸桿菌中抑制志賀樣毒素基因的表達，并在體內減弱其毒力。

4.3 破壞生物膜 細菌生物膜是細菌重要的特征，是附著在任何表面并被生物聚合物基質包圍的微生物群落，有助于細菌在藥物壓力等不利環境條件下生存。細菌生物膜通過下列機制發揮作用：①具有延遲新陳代謝的作用；②生物聚合物基質的過濾能力阻礙藥物的擴散；③細菌間合作和互助，使微生物群落能分享他們的生命資源，靈活應對多變的環境條件。生物膜通常是引起慢性感染或醫療器械相關感染的重要原因，其對抗生素的高度耐受性，是臨床上十分棘手的問題。目前已鑒定出許多植物提取物可抑制病原菌生物膜的形成和生長。萜類化合物法尼醇、百里香酚和香芹酚、丁香酚、姜黃素及其他植物來源的化合物具有顯著的抗生物被膜活性，對銅綠假單胞菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌均可影響已形成的生物膜并阻止新生物膜的形成。SMOPs 抗生物膜的作用通過下列不同的方式實現，如破壞細胞間的通訊，干擾細胞間的共聚集，抑制細胞的移動及滅活細菌粘附素等。

4.4 阻斷細菌間的通訊 群體感應（quorum sensing，QS）是一個復雜的調節微生物群體中細胞間通訊的系統，干擾QS從而阻斷細菌通訊能力，為對抗細菌耐藥性提供新策略。某些植物提取物和SMOPs 降低了銅綠假單胞菌中QS 介導的基因表達，包括大蒜中的有機硫化物、黃酮柚皮素及槲皮素，其作用機制涉及兩方面：①通過下調QS 基因，導致信號分子的表達降低；②SMOPs 與QS 信號分子的相互作用，導致中間介質失活，細胞間相互作用的強度和有效性降低。

4.5 協同作用 植物化合物在對抗微生物的過程中，也會使其產生耐藥性。但植物化合物的粗提物通常由多個組分組成，每一個組分都能作用于微生物細胞的不同靶點，發揮整體的抗菌活性。因此，細菌對多組分植物化合物產生耐藥性的速度顯著慢于單一化合物。此外，部分SMOPs與常規使用的抗生素聯合應用可發揮協同作用，增加抗菌敏感性，降低抗生素的用量。如裸麥角堿雖無直接抗菌活性，但與四環素聯合應用可將其MIC 降低16 倍。同樣，將慶大霉素與胡椒堿和丁香酚聯用也具有協同效應，前者MIC 值降低了32 倍，后者增強了慶大霉素對生物被膜細菌的清除作用。因此，充分了解植物化合物協同作用的分子機制將有助于減少抗生素的過度使用及其不良反應，從而開發新方法減少多重耐藥菌的出現。

5 結論與展望

全球范圍內細菌對已有抗生素的耐藥性日益增強，尋找新的有效抗菌劑是目前的當務之急。中國古代傳統理念強調“天人合一”思想，要求人與大自然合為一體，要和平共處，不應講征服與被征服。耐藥菌就是源自人類對抗細菌過程中的產物，由于萬事萬物相生相克，因此，可從自然界中尋找克制耐藥菌的物質。植物化合物能發揮對耐藥菌相克的作用，可成為篩選開發新型抗菌劑的寶庫，具有以下優勢：①植物易獲得，價格低廉；②植物來源的提取物或化合物通常具有廣泛的抗病原微生物的活性，嚴重不良反應較少，且對人類通常具有免疫調節作用；③種類繁多的植物來源天然化合物提供了非常多樣的化學結構，既能發現新的抗菌作用機制，也能提供細菌細胞內的新靶點[3]。

現代生物技術的快速發展為植物化合物的開發和利用開辟了新道路：代謝組學能捕捉和鑒定含量極少的活性植物化學物質，并闡明其對細菌靶標作用的特定分子機制；先進的藥物化學技術能修飾潛在有用化合物的化學結構，以提高他們的抗菌性能，降低毒性和不良反應。大規模篩選方法的應用為發現植物的全新代謝產物創造了條件；現代基因工程和化學合成方法的發展，也為生產大量新型抗菌化合物提供了可能性。未來可能從“微生物來源的抗生素抵御病原體”時代過渡到“植物來源的代謝產物對抗病原體”的新時代。