黄酮化合物抗菌机理的研究进展

柯春林，任茂生，王　娣，谢海伟，黄　斌，赵　阳（蚌埠学院生物与食品工程系，安徽蚌埠233030）

黄酮化合物抗菌机理的研究进展

柯春林，任茂生，王娣，谢海伟，黄斌，赵阳
（蚌埠学院生物与食品工程系，安徽蚌埠233030）

抗生素耐药是一个重大的全球性问题，迫切需要开发新的抗菌治疗药物。黄酮是植物源化合物，具有潜在的抗菌活性，其可能作用机制为直接的抑菌作用，与抗生素的协同作用，抑制细菌的毒力因子，如群体感应信号受体、酶和毒素，在细胞水平上抑制细菌生物膜的形成，抑制细菌粘附到宿主受体，中和细胞毒作用。本文介绍了近几年来黄酮化合物抗菌机理的最新进展，为天然抗菌药物的开发提供理论依据。

黄酮化合物，抗菌活性，作用机制

随着世界各地众多医院抗生素耐药性危机的出现以及地区获得性感染疾病耐药事例的增加，寻求新的抗感染药显得尤为重要。由于耐药性的出现，目前的药物已经很难为抗感染治疗提供有效的解决方案，因此有必要对药物的结构进行改造，比较理想的做法：一是开发新型抗生素试剂［1］；二是通过发展新型辅助佐剂来抑制细菌的耐药性。如1981年推出的内酰胺酶抑制剂克拉维酸，经过多年广泛使用，目前仍然是有效的［2］；三是针对细菌致病因子药物的开发，这些化合物可以干扰细菌粘附到宿主组织，从而改善感染状态［3］。天然产物是多样性化学药物的主要来源，而且植物源性黄酮类化合物的抗菌性能越来越受到关注，可用来治疗和预防各种感染和毒素介导的疾病［4］。本文综述了近几年来多种黄酮化合物直接的抗菌活性，协同抗生素抗耐药活性，对细菌致病性的减弱作用及其构效关系（SARs）和作用机制（MOAs）。

1　直接的抗菌活性

1.1天然、合成及半合成黄酮化合物

几十年来，大量文献报道了类黄酮天然化合物具有显著的抗菌活性，其最低抑菌浓度（MICs）小于100μg/mL，甚至小于10μg/mL［5］。早在1981年就有关于天然黄酮类化合物结构改性方面的研究报道，最近几年也有一些成功的例子，例如白杨素N-杂环与A环第7位的连接，该衍生物活性为母环的64～128倍左右［6］。二丁胺与染料木素A环第7位连接后其抗菌活性也得到增强［7］。儿茶素烷基化反应极大地提高了该化合物对革兰氏阳性病原体的抗菌活性。3-O-癸（+）-儿茶素衍生物抗菌活性是其母本的64～128倍［8］。

1.2结构-活性关系

在结构上，提高查耳酮开放链的活性也相应的提高了其他黄酮类化合物的活性。对于查耳酮，其A环第2位的羟基化对抗菌活性有重要的影响，因为羟基化促进了该黄酮结构的稳定性［9］。A环其他位置的羟基化，包括第4′位，也能提高抗菌活性［10］。在其第3位连有异戊烯基或香叶基团则显示良好的活性［9］。相反的，在A环第2位进行乙酰氧基化或甲氧基以及在第4′位进行氟基化则降低其抗菌活性［9-11］。对于B环，第4位连有6烷基碳链和哌啶基团的查耳酮具有良好的抗菌活性［12］。第3位连有三氟甲基或溴的亲脂性取代基，也可以提高其抗菌活性，如果这些取代基团是出现在B环的第5位，那么其抗菌活性还有可能进一步加强［11］。对于其他黄酮类化合物，在A环第7位进行O-酰基或O型烷链连接，能提高黄酮类化合物的抗菌活性。A环位第6或第8位连接脂溶性基团，也能提高黄酮的活性［13］。对于B环上的研究工作一直比较少，较早的研究显示在位置2′、3′和4′的溴化（氯化）提高了黄酮的活性，这与查耳酮的最新结果一致［11］。对于C环，第3位的羟基化提高了黄酮的活性［13］。

1.3作用机制

早期的研究（1987～2004年）表明，黄酮类化合物直接的抗菌活性有3个机制。即由穿孔作用或细胞膜的流动性降低造成的胞浆膜破坏，由拓扑异构酶的抑制作用引起核酸合成的抑制，NADH-细胞色素C还原酶的抑制造成能量代谢的抑制［4，14］。例如国内曾春晖报道黄酮通过增加细菌通透性并抑制细菌脱氢酶活性发挥抗菌作用［15］。最近也有人提出了2个新的机制，即抑制细胞壁的合成［16］和抑制细胞膜的合成［17］。这些作用机制是否由于：（a）单一结构的黄酮只有一种作用机制（MOAs），不同结构的黄酮拥有多种MOAs。（b）所有的类黄酮有多种MOAs或（c）所有类黄酮有相同的MOAs。在这3种情况中，至少（a）是有可能的，因为所有的类黄酮有着相似的结构，但（b）和（c）目前还没有可信服的证据。

2　协同抗生素抗耐药活性

2.1天然黄酮类化合物

最近有许多研究表明，黄酮类化合物能增强抗生素的抗菌活性。在已报道协同活性的所有类黄酮中，黄烷-3-醇最受关注，并进行了最充分的研究。没食子酰基黄烷-3-醇，如（-）表儿茶素没食子酸能降低β-内酰胺类抗生素对一些耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的最小抑制浓度，其浓度降低到原来的1/512［18］。这方面的一个最新发展是非没食子酰化的黄烷-3-醇，其本身对β-内酰胺不敏感的MRSA菌株可以增强没食子酰基黄烷-3-醇介导的敏感性［19］。

2.2半合成类黄酮

对β-内酰胺类抗生素敏感的金黄色葡萄球菌而言，（-）表儿茶素没食子酸是比较值得注意的。最近用酰胺替代C环和没食子酰基D环的酯联接，可得到一种不易水解的稳定结构。这半合成类黄酮具有其母体化合物类似的协同活性，能减少对苯唑敏感MRSA株最小抑制浓度，为原来的1/512～1/32［20］。

2.3结构-活性关系

SARs协同抗生素耐药性调节作用的活性还不如其直接的抗菌活性，然而，有证据表明，含有没食子酸的黄烷-3-醇能够增强β-内酰胺类抗生素抵抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的活性［18］，也有一项研究表明黄酮、黄酮醇、黄酮和黄烷-3-醇联合应用能够增强异烟肼抗不同结核分枝杆菌的作用［21］。研究也表明，A环中的第5和第7位的羟基很重要，B环的羟基也与其抗菌作用有关。

2.4作用机制

黄酮类化合物的协同抗生素耐药性调节活性有多种可能的机制。对没食子酰基黄烷-3-醇而言，它们能调节β-内酰胺类抗生素的耐药性，通过减少细胞壁磷壁酸D-丙氨酰化的插层来灭活青霉素结合蛋白2a（PBP2a），或进入细胞质膜并诱导PBP2a结构性变化并脱落下来。其机制是抑制PBP2a的表达以及阻止黄烷-3-醇结合到肽聚糖上［22-23］。对于很少研究的黄酮化合物、异黄酮、黄酮醇和黄酮类化合物，它们通过对β-内酰胺酶的抑制作用、离子泵失活、胞质膜不稳定、PBP2a合成的干扰和拓扑异构酶的抑制作用来增强这些抗生素的疗效［24-25］。

3　对细菌致病性的减弱作用

3.1抑制群体感应信号受体TraR和Rh1R

群体感应是细胞与细胞之间的通信系统，通过该系统细菌能调节各种毒力因子，包括生物膜形成。细菌释通过放信号分子来结合邻近细胞的细胞密度响应受体，导致毒力因子基因的激活。最近的两项研究表明，类黄酮扰乱酰基丝氨酸内酯（作用于革兰氏阴性菌信号分子）及其受体之间的相互作用。Zeng等报道称，黄芩素抑制胞质膜相关受体TraR［20］。儿茶素可以抑制细胞质相关的受体Rh1R［26］。基于Rh1R生物传感器的研究表明儿茶素能影响rh1RI系统，而且铜绿假单胞菌报告菌株显示了相关基因表达的减少［26］。亚MIC水平的类黄酮降低铜绿假单胞菌粘附能力和生物膜的形成，这归功于该黄酮物质对群体感应的抑制作用［26］。

3.2抑制分拣酶

分拣酶是革兰氏阳性菌胞质膜中催化表面蛋白组装的酶，如粘附素和内化素。敲除基因突变体的研究表明，分拣酶与细菌的感染相关。最近有研究用纯化的金黄色葡萄球菌酶实验，发现亚MIC数量的莫兰子抑制了分拣酶A和B［27］。用莫兰子处理的金黄色葡萄球菌全细胞对纤维蛋白原的结合能力下降，该蛋白为细菌感染过程中粘附宿主配体的分子之一，这表明分拣酶的抑制作用是特异的［27］，而黄酮类化合物可通过抑制革兰氏阳性菌生物膜的形成而抑制分拣酶活性［28］。

3.3抑制脲酶

胃癌的致病菌幽门螺旋杆菌在低pH胃环境中分泌与感染性有关的脲酶。最近的报告表明，异黄酮化合物和查尔酮类能对该酶具有抑制作用，例如在体内黄酮化合物槲皮素对幽门螺杆菌感染豚鼠的治疗作用［29］，以及查耳酮衍生物对耐幽门螺旋杆菌感染人的治疗作用［30］。然而，其他类黄酮的影响也可能只在体内发挥作用，包括对VacA的中和作用［31］以及干扰Toll样受体4（TLR4）的信号途径［32］。也有一些测试的类黄酮对幽门螺旋杆菌有直接的抗菌活性，或协同抗生素对这种细菌进行作用。

3.4抑制李斯特菌溶血素（LLO）

LLO是胞内感染病原体李斯特菌的毒力因子，分泌这种毒力蛋白质的，可使细菌逃避吞噬体进入宿主细胞的细胞质中繁殖。kohda等最近发现，亚MIC水平儿茶素能抑制巨噬细胞内单核细胞增生李斯特菌的生长［33］。这是由于黄烷-3-醇能阻止LLO结合到膜脂上并抑制LLO-诱导的细胞裂解作用，从而发挥对LLO的抑制效果［33］。LLO抑制也可能是由于在肝细胞中β-萘对李斯特菌的抑制作用引起的。

3.5中和细菌毒素

毒素在细菌的发病机制中发挥了重要作用，最近的研究表明，类黄酮可中和这些致病因子。Choi等的研究表明儿茶素聚合物在体外和体内都能减弱金黄色葡萄球菌α-毒素的作用［34］。异黄酮也能抑制外毒素［35］，有研究显示金雀异黄素能保护HeLa细胞免受弧菌毒素RtxA1的感染，在CD-1小鼠体内实验中，金雀异黄素能保护小鼠免受创伤弧菌的感染［35］。此外，Delehanty等研究表明，儿茶素能中和内毒素（LPS）［36］。黄酮类化合物可以阻断LPS和其受体TLR4/MD2及CD14之间的反应，该信号途径是脓毒性休克发生的前期事件。因此，这些化合物也可以应用于体内革兰氏阴性细菌感染的治疗［36］。

3.6抑制致病因子的分泌

金黄色葡萄球菌之所以能够引起疾病，主要是由于其拥有分泌酶和毒素的能力。最近的研究表明，类黄酮能在亚MIC水平上抑制这种细菌释放的致病因子。Shah等发现，儿茶素没食子酸阻止了该菌凝固酶和α-毒素的分泌［37］。Choi等发现类黄酮直接抵抗α-毒素的活性［37］。最近的研究表明，甘草查耳酮A能降低金黄色葡萄球菌毒素的分泌量［38］。实时聚合酶链反应（PCR）结果显示，这些影响伴随着agrA基因转录减少，这说明真正的作用是由于抑制致病因子的合成，而不是抑制致病因子的分泌［38］。

4　结论与展望

自2005年以来，在抗菌类黄酮的研究方面已经有相当大的进展。一些黄酮类化合物具有直接的抗菌活性（破坏细胞膜、抑制核酸合成、抑制能量代谢、抑制细胞壁和细胞膜的合成）、协同抗生素抗耐药活性，一些黄酮类化合物能干扰各种细菌的致病因子，包括酶、毒素和信号受体。目前药用化学研究已经确定提高黄酮类化合物的抗菌性能的几个结构特征，当然抗菌活性的增加伴随着有选择性的下降，因此未来的结构与活性的研究应该具有抗菌测试与细胞毒性测试并行。确定黄酮类化合物抗菌机制的关键是开发这些化合物，识别其细胞靶位将允许有关的临床安全性和耐药性问题的预期，并通过优化配体靶位构效关系促进。随着类黄酮结构与活性以及其抗菌机制的深入研究，这将为抗菌类黄酮化合物的开发拓展新的空间。

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Research progress on the antibacterial mechanism of flavonoids

KE Chun-lin，REN Mao-sheng，WANG Di，XIE Hai-wei，HUANG Bin，ZHAO Yang
（Department of Biotechnology and Food Engineering，Bengbu College，Bengbu 233030，China）

Antibiotic resistance was a major global problem and there was a pressing need to develop new therapeutic agents.Flavonoids are a family of plant-derived compounds with potentially exploitable activities，including direct antibacterial activity，synergism with antibiotics，and flavonoids also inhibit a number of bacterial virulence factors，such as quorum-sensing signal receptors，enzymes and toxins.Evidence of these molecular effects at the cellular level include in vitro inhibition of biofilm formation，inhibition of bacterial attachment to host ligands，and neutralisation of toxicity towards cultured cells.The latest research progress on the antibacterial mechanism of flavonoids was introduced in this article，which provided a theoretical basis for the development of natural antibacterial drugs.

flavonoids；antimicrobial activity；mechanism of function

TS201.1

A

1002-0306（2015）02-0388-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.076

2014－03－13

柯春林（1976-），男，博士研究生，副教授，主要从事天然产物化学和食品微生物学方面的研究。

安徽省自然科学基金项目（1408085MH209）；安徽省高等学校省级自然科学基金项目（KJ2012B094）；蚌埠学院博士科研启动基金项目。