植物次生代谢物对抗耐药菌的研究进展

蒋晓燕

（诸暨市人民医院重症医学科，浙江 绍兴 311800）

抗菌药物耐药性（antimicrobial resistance，AMR）已成为21世纪的全球公共卫生问题之一，形势日趋严峻。世界卫生组织从2001 年提出控制抗菌药物耐药性全球战略框架，至2012年实施了各项干预措施以减缓耐药菌的出现和传播，2014年发布的全球耐药报告表明，细菌耐药问题正在全球蔓延[1]。耐药菌不仅是医院和医疗器械相关感染的主要来源，还是ICU中最棘手的感染问题。目前抗耐药策略主要有抗菌药物的老药新用、联合应用、纳米化、新型抗菌药物研制、使用免疫调节剂和噬菌体等方式，但上述策略效果不佳且成本、时间花费较大[2]。自古以来，人们就将各种植物及其衍生物用于治疗感染性疾病。民间传统的药方也使用从植物中提取的各种具有生物活性的物质，治疗包括细菌感染性疾病在内的多种疾病，其中许多传统疗法在今天仍被广泛使用，且现代医学中使用的部分药物也能追溯至民间医学的原始形态。由于植物来源的化合物具有种类多、易获得、活性成分丰富、作用靶点不同和不易产生耐药性等特点，植物次生代谢物（plant secondary metabolites，SMOPs）可成为筛选和研发新型抗菌药物的可靠来源，可作为攻克耐药菌感染问题的重要手段[3]。

1 SMOPs的分类和作用

植物的初级代谢物是对其生长发育至关重要的产物，SMOPs是植物细胞通过次生代谢途径产生的一组不同的生物化学物质，在物种竞争和防御中发挥主导作用，体现在保护植物免受食草动物和微生物的伤害等方面。植物对疾病有治疗作用的物质基础主要来源于SMOPs。目前，约20 万种不同的SMOPs已被分离和鉴定，根据其化学结构或生物合成途径主要可分为以下3大类：①萜类化合物（聚合型异戊二烯衍生物，由醋酸通过甲羟戊酸途径生物合成）；②酚类化合物（从莽草酸途径生物合成，含有一个或多个羟基芳环）；③生物碱（非蛋白含氮化合物，由氨基酸生物合成）。上述3种类型合计约占所有SMOPs的90%，其他类别还包括皂苷、脂类、精油、碳水化合物、酮和其他种类。

SMOPs 广泛用于制药和食品工业、香水、农用化学品和化妆品生产。由于许多SMOPs 作为植物自身抵御病原体的武器，具有部分或完全抑制某些微生物增殖的能力，也可对抗动物和人类的微生物病原体。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 可通过直接或间接的方式发挥抗菌作用[4]，间接的方式包括促进内源性代谢物的生成、以配体的方式激活信号通路分子、诱导激素和神经递质等。不同SMOPs 对6 类常见耐药菌的抗菌作用及作用机制见表1。因2017年世界卫生组织确定了6类重点的耐药菌，简称“ESKAPE”（粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌的首字母缩写）[5]，由于上述细菌的耐药性特点，使之成为医院ICU和病房最常见的感染源。

表1 植物化合物对病原体的抗菌活性和作用机制

作用于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的SMOPs数量种类较多，原因可能是他们分别代表革兰氏阴性（G-）和革兰氏阳性（G+）两类菌，具有研究的象征意义。芹菜素、槲皮素、染料木素、百里香酚、香芹酚等化合物可同时抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，表明这些化合物对G-菌和G+菌均能发挥作用，这种抗菌作用对临床应用具有重要的意义。经过进一步分析发现，大蒜素和香芹酚两种化合物同时对3 种及以上耐药菌具有抑制作用。大蒜素是大蒜中提取的有机硫化合物，对鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌均有抑制作用。香芹酚属于头状百里香来源的萜类化合物，对铜绿假单胞菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌发挥抑菌作用。由于这两种化合物具有较广的抗菌谱，值得深入研究并为其临床应用奠定基础。下列耐药菌的抑菌化合物数量较少，如作用于鲍曼不动杆菌仅有大蒜素，抑制肺炎克雷伯氏菌的有蛇床子素和大蒜素，只有3 种黄酮类化合物对粪肠球菌具有抑制作用。但上述耐药菌在临床感染中依然十分常见，需学术界深入研究并发现更多的抗菌化合物。目前，抗生素的最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration，MIC）仅为0.01～0.1 μg/ml，而植物来源代谢物的 MIC 高达 10～100 μg/ml，表明 SMOPs 相较于抗生素，其作用效率仍偏低。

3 SMOPs的抗菌作用机制

SMOPs 的抗菌作用方式主要取决于自身的化学结构和性质，可通过不同的方式影响微生物，包括破坏细胞质膜的结构和功能（外排系统）、与膜蛋白相互作用、阻断DNA/RNA合成和干扰其功能、导致离子泄漏、阻止酶的合成、诱导细胞质成分的凝聚及干扰正常的细胞通讯（群体感应）。生物碱如三尖杉酯碱和小檗碱有插入DNA的能力，能扰乱转录和复制，抑制细胞分裂，导致细胞死亡。黄酮类化合物通过与细菌细胞壁上的膜蛋白相互作用，增加膜的通透性，导致细菌完整性破坏。姜黄素能穿透细胞膜双层结构，增强其在金黄色葡萄球菌和大肠杆菌中的通透性。萜类化合物及其精油成分也能与微生物的胞膜相互作用并破坏其结构，香芹酚和百里香酚是从普通百里香中获得的两种研究最多的单萜化合物，疏水性的特点使他们能整合到细菌细胞膜上，破坏其结构并干扰其功能，导致ATP通透性增加和促使细胞成分的释放。醌类化合物的主要靶点是表面暴露的黏附素蛋白、细胞壁多肽和膜结合酶。多酚和单宁的抗菌效果可能是由于细胞包膜运输蛋白失活、酶抑制或膜的破坏。

4 SMOPs的抗耐药作用

细菌细胞可通过多种机制使药物失活，这些机制既包括“经典”的途径，如药物靶点的修饰、将破坏成分从细胞中外排出、酶的失活，也包括“非经典”的途径，如生物膜形成后的保护作用。部分SMOPs的抗耐药作用总结如下。

4.1 抑制外排泵 外排泵是对压力适应、毒力和致病性至关重要的细胞组分，能使有毒物质主动从微生物细胞中排出，被认为是病原体产生耐药性的重要组成部分。因此，抑制外排泵活性的化合物在克服耐药性方面具有重要意义。据报道[25]，许多具有抗菌潜力的药用植物含有外排泵抑制剂，其SMOPs能有效地抑制细菌内强大的外排泵，其中包括康里新、胡椒碱、槲皮素、白藜芦醇等。如胡椒碱是黑胡椒和长胡椒中的主要生物碱，可抑制NorA 介导的环丙沙星从金黄色葡萄球菌中排出。多酚分子可直接与外排泵的结构蛋白结合，引起构象变化并阻止该物质排出。此外，SMOPs 与抗菌剂联合使用时，通过抑制外排泵还可作为其增效剂，如催吐萝芙木中的生物碱利血平在与氟喹诺酮类药物联合使用时，可抑制金黄色葡萄球菌的NorA外排泵活性。虽然部分植物来源的外排泵抑制剂发挥作用的方式已被揭示，但确切的机制仍有待进一步阐明。

4.2 减弱细菌毒力 植物提取物可通过影响微生物的毒力发挥其抗菌活性。细菌毒力的物质基础主要为侵袭力和毒素，病原菌的毒力越大，其致病性越强。研究证实[26]，在甲氧西林敏感和耐甲氧西林的两类金黄色葡萄球菌分离株中，用亚抑制浓度的百里香酚或丁香酚处理均可减少α溶血素和葡萄球菌肠毒素A和B的产生。在采用大蒜素、生物碱、辣椒素、黄酮、表儿茶素没食子酸酯处理后，金黄色葡萄球菌溶血活性降低，葡萄球菌α 溶血素的产生减少甚至被抑制。大蒜素被证明能有效中和主要毒力因子溶血素，香豆素衍生物七叶亭在大肠杆菌中抑制志贺样毒素基因的表达，并在体内减弱其毒力。

4.3 破坏生物膜 细菌生物膜是细菌重要的特征，是附着在任何表面并被生物聚合物基质包围的微生物群落，有助于细菌在药物压力等不利环境条件下生存。细菌生物膜通过下列机制发挥作用：①具有延迟新陈代谢的作用；②生物聚合物基质的过滤能力阻碍药物的扩散；③细菌间合作和互助，使微生物群落能分享他们的生命资源，灵活应对多变的环境条件。生物膜通常是引起慢性感染或医疗器械相关感染的重要原因，其对抗生素的高度耐受性，是临床上十分棘手的问题。目前已鉴定出许多植物提取物可抑制病原菌生物膜的形成和生长。萜类化合物法尼醇、百里香酚和香芹酚、丁香酚、姜黄素及其他植物来源的化合物具有显著的抗生物被膜活性，对铜绿假单胞菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌均可影响已形成的生物膜并阻止新生物膜的形成。SMOPs 抗生物膜的作用通过下列不同的方式实现，如破坏细胞间的通讯，干扰细胞间的共聚集，抑制细胞的移动及灭活细菌粘附素等。

4.4 阻断细菌间的通讯 群体感应（quorum sensing，QS）是一个复杂的调节微生物群体中细胞间通讯的系统，干扰QS从而阻断细菌通讯能力，为对抗细菌耐药性提供新策略。某些植物提取物和SMOPs 降低了铜绿假单胞菌中QS 介导的基因表达，包括大蒜中的有机硫化物、黄酮柚皮素及槲皮素，其作用机制涉及两方面：①通过下调QS 基因，导致信号分子的表达降低；②SMOPs 与QS 信号分子的相互作用，导致中间介质失活，细胞间相互作用的强度和有效性降低。

4.5 协同作用 植物化合物在对抗微生物的过程中，也会使其产生耐药性。但植物化合物的粗提物通常由多个组分组成，每一个组分都能作用于微生物细胞的不同靶点，发挥整体的抗菌活性。因此，细菌对多组分植物化合物产生耐药性的速度显著慢于单一化合物。此外，部分SMOPs与常规使用的抗生素联合应用可发挥协同作用，增加抗菌敏感性，降低抗生素的用量。如裸麦角碱虽无直接抗菌活性，但与四环素联合应用可将其MIC 降低16 倍。同样，将庆大霉素与胡椒碱和丁香酚联用也具有协同效应，前者MIC 值降低了32 倍，后者增强了庆大霉素对生物被膜细菌的清除作用。因此，充分了解植物化合物协同作用的分子机制将有助于减少抗生素的过度使用及其不良反应，从而开发新方法减少多重耐药菌的出现。

5 结论与展望

全球范围内细菌对已有抗生素的耐药性日益增强，寻找新的有效抗菌剂是目前的当务之急。中国古代传统理念强调“天人合一”思想，要求人与大自然合为一体，要和平共处，不应讲征服与被征服。耐药菌就是源自人类对抗细菌过程中的产物，由于万事万物相生相克，因此，可从自然界中寻找克制耐药菌的物质。植物化合物能发挥对耐药菌相克的作用，可成为筛选开发新型抗菌剂的宝库，具有以下优势：①植物易获得，价格低廉；②植物来源的提取物或化合物通常具有广泛的抗病原微生物的活性，严重不良反应较少，且对人类通常具有免疫调节作用；③种类繁多的植物来源天然化合物提供了非常多样的化学结构，既能发现新的抗菌作用机制，也能提供细菌细胞内的新靶点[3]。

现代生物技术的快速发展为植物化合物的开发和利用开辟了新道路：代谢组学能捕捉和鉴定含量极少的活性植物化学物质，并阐明其对细菌靶标作用的特定分子机制；先进的药物化学技术能修饰潜在有用化合物的化学结构，以提高他们的抗菌性能，降低毒性和不良反应。大规模筛选方法的应用为发现植物的全新代谢产物创造了条件；现代基因工程和化学合成方法的发展，也为生产大量新型抗菌化合物提供了可能性。未来可能从“微生物来源的抗生素抵御病原体”时代过渡到“植物来源的代谢产物对抗病原体”的新时代。