天然生物碱抗菌活性及机理研究

李凡凡，郑越超

（天津中医药大学第一附属医院乳腺外科，天津 300193）

细菌可引起破伤风、伤寒、肺炎等多种疾病，对人类的健康构成严重威胁。抗生素的应用挽救了许多患者的生命，然而抗生素的过度使用会导致细菌病原体产生耐药性。据美国疾病控制和预防中心统计，美国每年至少有200 万人感染耐药细菌，造成至少2.3 万人死亡[1]。耐药性已成为医疗保健中的普遍问题，耐药细菌的增加比批准上市的新型抗生素要快得多。因此，开发新的抗菌药物势在必行。天然产品是新的高效抗菌药物的重要来源，可用于对抗日益增长的细菌耐药性，其中天然生物碱是一类具有重要生物活性的碱性含氮有机化合物，根据其不同的化学结构，可分为异喹啉、吡咯、吡啶、喹啉、吲哚等十余种[2]。王腾飞等[3]研究表明，生物碱具有抗癌、抗病毒、抗炎和抗菌等多种药理作用。由于其应用广泛，许多生物碱药物被开发上市，如麻醉镇痛剂吗啡、止咳药可待因、抗癌药物长春新碱、抗菌药物盐酸小檗碱等，在临床实践中获得了较好的疗效[4]。对天然生物碱抗菌机理的研究表明，生物碱能破坏细菌细胞膜，影响DNA 功能，并抑制蛋白质合成，对包括耐甲氧西林在内的各种细菌均具有潜在活性[5]。本文主要对近年来报道的生物碱的化学结构、抗菌活性及其作用机理进行概述。

1 不同类型天然生物碱的抗菌活性

1.1 异喹啉类生物碱 异喹啉又称苄基异喹啉，是具有异喹啉骨架的植物特有的代谢产物，广泛分布于罂粟科、小檗科、毛兰科和半枝莲科，具有悠久的研究与应用历史。异喹啉构成最大的生物碱基团，可进一步分为亚基，包括简单异喹啉、苯异喹啉、双苯异喹啉、阿扑吗啡和原小檗碱[6]，具有广谱抗菌活性，特别是对金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有明显的抑制作用。

唐松草碱是从唐松草的根中分离出来的一种异喹啉生物碱，其核心是螺环四氢吡啶呋喃酮。在使用微量肉汤稀释法进行的抗菌活性试验中，唐松草碱在最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration，MIC）为3.12 μg/ml 时对枯草芽孢杆菌有显著抑制作用，抗生素头孢噻肟对枯草芽孢杆菌的MIC 为1.56 μg/ml，且唐松草碱的抑菌作用与头孢噻肟相当[7]。在寻找具有抗菌作用的天然产物的过程中，有研究[8]从青霉菌Em19的培养液中回收了鸡血藤甲素和鸡血藤乙素，这两种化合物对包括阴沟肠杆菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌在内的革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌均有抑制活性。另外，鸡血藤乙素对所有被测细菌的抗菌效果均优于鸡血藤甲素，MIC 为1 g/ml，而对照组美罗培南和环丙沙星的MIC 仅为0.5 μg/ml和0.25 μg/ml。这些结果表明，鸡血藤乙素具有很强的抗菌活性。另有研究[9]对从白屈菜中分离的异喹啉类生物碱白屈菜红碱和白屈菜碱的抗菌活性进行了评价，结果表明白屈菜红碱对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌最有效，MIC 为1.9 μg/ml，白屈菜红碱和白屈菜碱均对白色念珠菌有很强的抗真菌活性。这些生物碱在抑制革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和真菌过程中表现出良好的抗菌活性，它们的抗菌效果与常用的抗菌药相似。

1.2 吡啶类生物碱 吡啶类生物碱是一种含氮杂环化合物，主要来源于吡啶或哌啶，可分为简单吡啶、喹啉嗪和吲哚嗪，这些生物碱广泛分布于棕榈科、豆科、姜科、茄科等植物群中，其抑菌或杀菌活性已被广泛研究[10]。

研究表明[11]，孤挺花宁碱对假丝酵母菌具有抗菌活性，MIC 为128 μg/ml，而对照组药物四环素则对假丝酵母菌无抗菌活性，该研究发现孤挺花宁碱可成为新的潜在抗真菌药物。梅雪伟[12]对从刺槐中分离得到的12 种喹啉糖苷生物碱的抗菌作用进行研究，结果显示上述成分均对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有不同程度的抑制活性，MIC 范围为0.8～18.0 μg/ml。有学者利用1D、2dnmr 谱和MS 谱对从生姜中分离得到的生物碱进行结构鉴定[13]，得到的化合物2-甲氧基-4-[2-（2-吡啶）-乙基] 苯酚对白念珠菌具有良好的生物活性，MIC 为1.0 mg/ml。上述研究均证实吡啶类生物碱对多种病原菌具有良好的抗菌活性，可作为潜在的广谱抗菌药使用。

1.3 吲哚类生物碱 吲哚类生物碱是色氨酸衍生物，具有复杂的结构和重要的生物活性。主要分布在龙蒿科、夹竹桃科、茜草科等植物群中。根据其核心结构，主要分为单萜吲哚、色胺吲哚、单萜吲哚和双吲哚[14]，其对大肠埃希菌、粪链球菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌及金黄色葡萄球菌均有不同程度的抑制作用。

Ding CF 等[15]研究了从非洲马铃果果实中分离得到两种单萜吲哚生物碱voacafricines A 和B，并对其抗菌活性进行测定，结果发现voacafricine A 对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的MIC 为3.12 μg/ml，另外voacafricine B的抗菌和抑菌活性均强于voacafricine A，其对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和伤寒沙门氏菌的MIC 分别为3.12 μg/ml 和0.78 μg/ml，而作为对照组的黄藤素对于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和伤寒沙门氏菌的MIC 分别为25 μg/ml 和3.12 μg/ml，小檗碱对MRSA 和伤寒沙门氏菌的MIC 分别为6.25 μg/ml 和3.12 μg/ml，可见voacafricines A 和B 这两种单萜吲哚生物碱具有很强的抗菌活性，优于小檗碱和黄藤素。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌对市面上的多种抗菌药物具有耐药性，但吲哚生物碱对该菌具有较强的抗菌活性，可作为抗这种耐药菌感染的潜在治疗药物。

1.4 甾体类生物碱 甾体类生物碱是天然甾体的含氮衍生物，大部分氮原子位于其复杂的环状结构中。此类生物碱存在于茄科、百合科、夹竹桃科和丁香科等植物中。甾体生物碱根据甾体骨架分为三类：孕烷、环孕烷和胆甾烷[16]，通常作为配糖生物碱分离，对伤寒杆菌、变形杆菌及大肠杆菌等具有抗菌作用。

Siriyong T 等[17]使用微量二倍稀释法测定从风车子种子中分离出的甾体化合物风车子碱，对其的抗菌研究表明，风车子碱对大肠杆菌和铜绿假单胞菌的抗菌活性优于对金黄色葡萄球菌的抗菌活性。Cheenpracha S 等[18]对从止泻木中提取的三种甾体生物碱（mokluangin A、B 和C）的抗菌活性测试表明，mokluangin B 对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌具有中等抑制活性，MIC 为16 μg/ml，而mokluangin C 对大肠杆菌表现出选择性中等抑制活性，MIC 为16 μg/ml，对照组万古霉素和庆大霉素对上述细菌的MIC 值在0.125～0.25 μg/ml。近年来，越来越多的研究表明，甾体生物碱具有良好的抗菌活性。此外，甾体生物碱与抗生素联合使用可以提高抗生素的活性，为抗生素的发展提供了新的思路。

2 天然生物碱的抗菌机理

2.1 抑制细菌核酸与蛋白质合成 细菌的核酸由DNA 和RNA 组成。DNA 分子的作用是储存、复制和传递遗传信息，RNA 分子则是充当信使分子，确保蛋白质的合成。DNA/RNA 分子的损伤或DNA 复制的抑制能够降低细菌毒力的表达，并影响微生物的性状及其生长繁殖。丝状温度敏感蛋白Z（filamentous temperature-sensitive protein Z，FtsZ）在细菌细胞分裂过程中起着重要作用，能够参与隔膜的形成，并在分裂部位形成环状结构，最终控制细菌细胞的分裂过程[19]。因此，FtsZ 也是新抗菌药物的作用靶点之一。

研究显示，白屈菜红碱对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抑制作用机制是通过抑制胞质分裂而阻止细菌分裂。白屈菜红碱还能在体外抑制纯化的FtsZ的合成，而FtsZ 在大肠杆菌的细胞分裂过程中起着至关重要的作用[20]。苦参碱也能够抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌中与细胞生长和分裂相关的蛋白质的合成，还能与细胞中的蛋白质结合，形成聚集体，导致细胞质分解，最终杀死细菌。苦参碱对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC 分别为2.5 mg/ml 和10 mg/ml。此外，小檗碱、吲哚类生物碱等也可通过负调节FtsZ 来抑制大肠杆菌和MRSA[21]。

2.2 对细菌细胞膜通透性的影响 细菌细胞膜为细菌的生命活动提供了稳定的内环境，在细胞识别和电子传递中起着重要的作用。细菌形成细胞膜的能力是其在恶劣环境条件下生存的基础，细菌细胞膜的严重破坏可导致细胞内电解质泄漏、信息传递功能阻断和细胞壁的防御功能丧失。电解质泄漏增加了培养基的电导率，因此培养上清液电导率的变化可以反映细菌细胞膜通透性的变化。碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，AKP）主要存在于细菌细胞壁和细胞膜之间，细菌细胞壁的通透性增加时AKP 从细胞中漏出，因此AKP 活性测定可间接反映细菌细胞壁的完整性[22]。Zhang Q 等[23]通过琼脂稀释法测定白屈菜红碱对变形杆菌的MIC 为7.8 mg/ml。激光聚焦显微镜、场发射扫描电子显微镜和结晶紫染色结果表明，白屈菜红碱可通过阻断细胞膜物质的表达和形成，抑制变形杆菌的生长并破坏其细胞膜的完整性。Luo ZH 等[24]研究证实由红茂草中提取的生物碱对肺炎克雷伯菌具有显著的抗菌作用，其MIC 为3.0 mg/ml。通过改变群体感应系统，可观察到红茂草生物碱处理的培养基电导率显著高于对照组，且随着作用时间的延长，培养基的电导率呈现先增加后稳定的趋势，证实了该生物碱对细胞膜的破坏作用。

目前，生物碱对细胞膜损伤机制的研究主要集中在寻找更多的膜定位靶点，这些靶点可能与质子动力、电子流、养分吸收或其他相关的酶活性等过程有关。目标筛选效率的提高也为研究生物碱的抗菌机制提供了一种高度集中的方法，王曙光等[25]在使用博落回提取物的药物-靶标相互作用网络对异喹啉类生物碱进行的研究中，使用反向药效团数据库筛选技术成功的拟合了二氢白屈菜红碱的23 个靶标和其他化合物的多个靶标。

2.3 对细菌代谢的抑制 生物碱还可以通过干扰细菌的初级代谢和能量代谢来抑制细菌生长，从而发挥抗菌作用。三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）是能量代谢的潜在靶点之一，ATP 不仅在呼吸和初级代谢中起着重要的作用，也是一些酶反应的能量来源。因此，ATP 合成酶的抑制会影响微生物的许多正常代谢过程，从而导致微生物死亡。小檗碱可通过增加碳水化合物的转化和吸收，减少碳水化合物的消耗影响A 族乙型溶血性链球菌的代谢。此外，小檗碱还能上调与碳水化合物摄取有关的ATP 结合盒转运体和磷酸转移酶系统，并抑制糖酵解、嘌呤代谢、嘧啶代谢、果糖和甘露糖代谢、脂肪酸合成途径以减少碳水化合物的消耗。由于碳水化合物代谢紊乱，细菌内部的氧化还原和能量物质代谢将变得不平衡，最终使得A 族乙型溶血性链球菌的增殖和活动受到抑制[26]。另外，红茂草生物碱可以通过浸润细胞，抑制细胞内酶的活性，干扰细胞的正常代谢活动，最终达到抑制肺炎克雷伯菌的作用[27]。乌头生物碱液和石斛生物碱液对金黄色葡萄球菌的代谢也有抑制作用[28]。

3 总结与展望

在天然产品中，人们普遍认为植物化学物质的抗感染效果不如微生物源的抗生素。然而，随着细菌耐药性的增加，出现了如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、鲍曼不动杆菌等多重耐药细菌，目前亟需积极筛选新的抗生素，或者寻找可替代的干预策略来消除细菌的耐药性。

天然生物碱具有广谱抗生素的特点，且不良反应较少，耐药倾向较低。生物碱提取技术的逐步成熟也是这些化合物进一步发展的主要原因。如多组分分析被用于微波辅助提取生物碱，高通量的筛选和计算方法可提高生物碱的提取率。生物碱的生物利用度也是人们普遍关注的问题，一般来说，生物碱的碱基是亲脂性的，能够与酸形成盐并溶于水，通过易化扩散由胃肠道吸收，不同生物碱的平均生物利用度在0.27%～64.6%。由生物碱、磷脂、疏水组分和表面活性剂组成的制剂在体内可自发形成微乳和亚微乳，从而提高了生物碱的口服吸收，但该方式的生物利用度较低。因此，根据生物碱抗菌活性的特点和优点，开发临床抗菌药物时应考虑几个方面。首先，目前的研究大多是在体外进行的，而在体内进行的研究相对较少，一些生物碱的抗菌机理尚未完全阐明。未来的临床研究应采用现代科学技术，为抗菌药物提供重要的创新方法。其次，在今后的研究中，应重点研究生物碱的抗菌活性与其结构之间的关系，并通过结构变化对生物碱进行优化。第三，由于天然生物碱含量较低及化合物的结构复杂，在较长的时期内合成天然生物碱药物是非常困难和昂贵的，新的生物碱类药物的开发也将受到影响。最后，新抗菌药物的研制应考虑细菌感染的多因素、多部位、多环节、多机制的特点，并对其进行优化，使其在可接受的毒性水平上达到适当的剂量。因此，充分了解结构复杂的药物与宿主之间的相互作用，并确定新的潜在靶点，是研究相关机制的关键。

综上所述，生物碱抗菌活性的研究对植物源抗菌剂的研发具有重要的现实意义，但目前仍需广泛开展基础和临床研究，以确定和验证新药疗效。深入分析生物碱的抗菌作用及机制，有望对高效、广谱、低毒性、低耐药的新型抗菌药物的研究和开发提供帮助。