來源于植物提取物的群體感應抑制劑抑制痤瘡致病菌機制的研究進展

羅麗棋, 鄭柳琪, 盧靜怡, 張海, 白莉

南京醫科大學康達學院,江蘇 連云港 222000

痤瘡是一種毛囊皮脂腺的慢性炎癥皮膚病,以粉刺、膿皰等特征形式存在,好發于臉部、背部等皮脂腺較發達的部位[1]。痤瘡屬于高發皮膚疾病,已成為全球第八大慢性疾病,在青少年中發病率甚至高達93%[2]。此外,因空氣污染、食品重鹽重油、生活作息不規律等誘導因素,痤瘡患病率逐步升高[3]。痤瘡的發生與雄激素作用導致的皮脂大量分泌及皮脂成分的改變,痤瘡丙酸桿菌(Cutibacteriumacnes,C.acnes)等痤瘡致病菌的定植,毛囊皮脂腺導管角化異常以及遺傳、飲食、作息等相關[4]。目前治療手段主要為抑制皮脂腺的分泌,減輕炎癥,控制痤瘡致病菌的繁殖,調節激素水平;嚴重者往往要采用外用藥物和內用藥物聯合治療數月才能完全清除[5]。而由于治療中抗生素的長期使用以及不適當的用藥方式,患者極易產生耐藥性,治療難度加大[6]。以副作用較少的植物提取物類的群體感應抑制劑作為治療藥物,通過群體淬滅(quorum quenching, QQ)的機制,降低痤瘡致病菌的菌群密度,抑制毒力因子的生成和生物膜的形成,有望成為一種解決耐藥性問題的新治療方案。本文主要綜述來源于植物提取物的群體感應抑制劑對痤瘡致病菌的抑制機制研究進展。

1 痤瘡與群體感應

1.1 群體感應

群體感應(quorum sensing, QS)近年一直是科學研究領域的熱點之一。細菌在生長發育過程中往往會釋放一種獨特的信號分子,激發細菌本身的相關基因啟動,當細菌達到一定密度,信號分子達到一定的閾值時,相關基因的表達繼而形成了單個菌體或少數菌落都不能形成的生理表現特征以提高自身競爭力,適應外界環境的現象稱為QS[7]。越來越多的研究表明,QS在細菌致病基因表達、生物被膜形成、抗生素及細菌素的產生等方面起到關鍵調控作用[8]。

QS主要分為3類:革蘭氏陽性菌的雙組分QS系統、革蘭氏陰性菌的LuxI/LuxR QS系統、革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌共用的LuxS/AI-2 QS系統,其信號分子分別為寡肽類信號分子AIPs,類?；呓z氨酸內酯分子AHLs,呋喃酮衍生的信號分子AI-2[9]。AI-2 QS系統是存在于眾多菌種的QS系統中較為廣泛分布的一個系統,AI-2信號分子的生物合成主要有兩種途徑:依賴于LuxS序列所表達的LuxS酶;不依賴LuxS序列而由磷酸核酮糖異構生成[10]。對AI-2信號分子的研究常利用僅對AI-2信號分子發生反應并發光的哈維氏弧菌BB170所表現的發光強度反映AI-2信號分子的活性[11]。

1.2 痤瘡丙酸桿菌的群體感應機理

痤瘡的主要致病菌痤瘡丙酸桿菌的QS在國內外的相關研究還尚未成熟,迄今為止,還未發現任何對AI-2有反應的受體或痤瘡丙酸桿菌的信號轉導系統,也就意味著,還未有胞內證據明確表明痤瘡丙酸桿菌的QS[12]。但在胞外研究中,通過AI-2信號分子檢測技術,顯示擁有AI-2信號分子所依賴的編碼LuxS蛋白的同源序列的痤瘡丙酸桿菌胞外存在大量AI-2信號分子的聚集,并在成熟生物膜狀態下的胞外AI-2水平遠遠高于游離狀態下胞外AI-2水平[13]。AI-2信號分子刺激了脂肪酶活性的增加,在其作用下毒力因子游離脂肪酸(FFAs)大量增加,激活受體TLR2和TLR4,隨釋放炎癥細胞因子和危險信號,最終引起皮膚的炎癥反應引發痤瘡的發生[12]。目前研究推斷顯示,相對于另外兩種QS系統,AI-2 QS系統在痤瘡丙酸桿菌中存在的可能性更大。

1.3 金黃色葡萄球菌的群體感應機理

痤瘡的相關致病菌有金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,S.aureus)、表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis,S.epidermidis)等。在金黃色葡萄球菌與表皮葡萄球菌中都明確發現存在由寡肽類信號分子AIPs介導的輔助基因調節器(accessory gene regulator,agr)系統和luxS/AI-2系統兩種QS系統[14]。以金黃色葡萄球菌為例,在其Agr系統中,agr基因是由兩個轉錄物RNAⅡ和RNAⅢ組成[15],RNAⅡ是agrABCD四種因子的編碼結構,其中,自誘導肽AIP由被agrB轉化下的agrD形成,當AIP累積到一定的閾值時激發agrC發生磷酸化改變,進而激活agrA[16],分別由P2、P3控制轉錄的RNAⅡ和RNAⅢ在agrA的作用下加快轉錄效率,促使agrABCD生成與毒力因子對人體的作用,細菌生物被膜在皮膚上的定植、成熟、分化、遷移等起關鍵性調節作用[17]。對于AI-2 QS系統,不同細菌中基因表達方式不同,在金黃色葡萄球菌中,AI-2信號分子激活抑制子icaR轉錄,最終減弱生物膜的形成[18]。AI-2 QS系統對莢膜多糖合成酶基因和二元信號系統kdpDE基因的轉錄均起下調作用,減少表面多糖與多糖黏附素的形成,使金黃色葡萄球菌在某些基因的表達下協調行為逃逸宿主吞噬細胞的吞噬功能,達到在皮膚上菌群繁殖與擴散的作用[19]。

2 利用植物提取物的群體淬滅機制抑制痤瘡致病菌

2.1 群體淬滅和群體淬滅抑制劑

根據QS的原理,通過阻斷QS信號分子的合成使其降解,利用QS信號分子類似物競爭結合受體蛋白等以干擾群體感應的方式即為群體淬滅[20]?；诖嗽砟苓_到群體淬滅作用的物質即為群體感應抑制劑(quorum sensing inhibitors,QSI)[21]。

2.2 痤瘡丙酸桿菌的植物提取物類群體感應抑制劑

山茶花愈傷組織裂解液是山茶花中的提取物質。通過對生物膜、脂肪酶的活性與AI-2信號分子的定量測定,表明山茶花愈傷組織裂解液可以減少TLR2和TLR4的表達,限制細菌間的相互作用,降低粘附性,限制或阻斷毒力因子,降低AI-2信號分子水平,抑制脂肪酶基因gehA的表達從而降低脂肪酶活性,減少生物膜密度,具備對痤瘡丙酸桿菌的群體淬滅活性[22]。 由于痤瘡丙酸桿菌的QS系統還尚存在爭議性,對此相關QSI文獻還尚少。

2.3 金黃色葡萄球菌的植物提取物類群體感應抑制劑

黃芩素是唇形科草本植物黃芩的提取物質[23]。通過結晶紫染色半定量實驗和掃描電鏡定性實驗發現,黃芩素能夠有效抑制金黃色葡萄球菌生物膜的形成,且呈濃度依賴性,又通過RTQ-PCR技術檢測出黃芩素能夠阻斷受QS系統調控的細胞間信號轉導,抑制agrA、RNAⅢ等的表達,存在QQ現象[24]。

大黃酸和蘆薈大黃素是大黃的中藥單體成分[25]。一項基于蛋白質脂質體模型的研究表明大黃酸和蘆薈大黃素能顯著降低由agr系統調節的毒力因子,有效抑制agr信號通路,實現QQ作用[26]。此外,金銀花和山銀花對金黃色葡萄球菌也存在QQ活性,且同樣存在濃度依賴性,表示可能與金黃色葡萄球菌的Agr QS相關[27]。

白藜蘆醇是蓼科植物虎杖的提取物質[28]。通過結晶紫染色半定量實驗和掃描電鏡定性實驗發現,白藜蘆醇不僅可以抑制耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcusaureus,MRSA)生物被膜形成,還可以破壞部分已形成的生物被膜,差異表達基因分析表明其原因趨向于白藜蘆醇可能影響細菌群體感應QS系統、表面蛋白和莢膜多糖的合成[29]。

2.4 表皮葡萄球菌的植物提取物類群體感應抑制劑

香蘭素是蕓香科植物香莢蘭豆的提取物質。丁香酚是植物丁香的提取物質。香蘭素和丁香酚二者具有模擬表皮葡萄球菌的QS信號的能力,亞抑制濃度下的香蘭素和丁香酚影響其P2啟動子、agrA及agrD、RNAII依賴基因的表達,信號通路激活的減少導致表皮葡萄球菌生物膜的形成[30]。

苦參堿是豆科植物苦參的干燥根、果實的提取物質。研究顯示苦參堿可以基于AI-2 QS系統機制降低AI-2的活性,致使抑制表皮葡萄球菌生物膜的形成[31]。

有專利公開,30%～45%的梣酮、25%～35%的白鮮堿、25%～35%黃柏酮所混合而成的抗菌組合物能有效抑制AIP介導的QS系統和AI-2介導的QS系統中的關鍵基因,導致生物膜形成所需的細菌間PIA缺失,菌株黏附障礙;AI-2信號分子減少,降低細菌間的信息交流,因此,確認為表皮葡萄球菌的QSI[32]。

實際上,現如今大多數相關文獻為植物提取物對痤瘡相關致病菌的體外抑菌作用[33]和抑制生物膜作用[34],明確植物提取物類的QSI以及基于基因層面清楚QSI對痤瘡相關致病菌的作用機理還尚少,對此方面的研究還存在更大的潛能。QSI本身并不會殺死所對應的細菌,只針對病原菌的QS系統起抑制作用。為此,在解決耐藥菌問題之時,可以將QSI及抗生素聯合使用,在抑制耐藥菌生物膜形成的同時增強抗生素的抗菌活性,提高抗菌效率及減少耐藥菌的產生[35]。

3 結語與展望

本文主要詳述了痤瘡丙酸桿菌與其可能存在的AI-2 QS系統、金黃色葡萄球菌的agr系統及AI-2 QS系統的機制,列舉了痤瘡丙酸桿菌的植物提取物類QSI(山茶花愈傷組織裂解液)、金黃色葡萄球菌的植物提取物類QSI(黃芩素、大黃酸、蘆薈大黃素、金銀花、山銀花、白藜蘆醇)、表皮葡萄球菌的植物提取物類QSI(香蘭素、苦參堿、梣酮、白鮮堿、黃柏酮),闡述了各QSI對各菌種的作用原理。

目前研究還未能完全明確痤瘡致病菌的QS種類,對痤瘡致病菌的QSI研究較少。隨著研究的深入,基于QS原理利用植物提取物的QSI阻斷QS信號分子的合成,降解QS信號分子,利用QS信號分子類似物競爭結合受體蛋白的方法,平衡痤瘡致病菌的細菌密度,抑制生物膜的形成,減少細菌過度生長產生的毒力因子,降低治療副作用,將會是痤瘡的一種更為安全可靠的治療方向。