天然生物堿抗菌活性及機理研究

李凡凡，鄭越超

（天津中醫藥大學第一附屬醫院乳腺外科，天津 300193）

細菌可引起破傷風、傷寒、肺炎等多種疾病，對人類的健康構成嚴重威脅?？股氐膽猛炀攘嗽S多患者的生命，然而抗生素的過度使用會導致細菌病原體產生耐藥性。據美國疾病控制和預防中心統計，美國每年至少有200 萬人感染耐藥細菌，造成至少2.3 萬人死亡[1]。耐藥性已成為醫療保健中的普遍問題，耐藥細菌的增加比批準上市的新型抗生素要快得多。因此，開發新的抗菌藥物勢在必行。天然產品是新的高效抗菌藥物的重要來源，可用于對抗日益增長的細菌耐藥性，其中天然生物堿是一類具有重要生物活性的堿性含氮有機化合物，根據其不同的化學結構，可分為異喹啉、吡咯、吡啶、喹啉、吲哚等十余種[2]。王騰飛等[3]研究表明，生物堿具有抗癌、抗病毒、抗炎和抗菌等多種藥理作用。由于其應用廣泛，許多生物堿藥物被開發上市，如麻醉鎮痛劑嗎啡、止咳藥可待因、抗癌藥物長春新堿、抗菌藥物鹽酸小檗堿等，在臨床實踐中獲得了較好的療效[4]。對天然生物堿抗菌機理的研究表明，生物堿能破壞細菌細胞膜，影響DNA 功能，并抑制蛋白質合成，對包括耐甲氧西林在內的各種細菌均具有潛在活性[5]。本文主要對近年來報道的生物堿的化學結構、抗菌活性及其作用機理進行概述。

1 不同類型天然生物堿的抗菌活性

1.1 異喹啉類生物堿 異喹啉又稱芐基異喹啉，是具有異喹啉骨架的植物特有的代謝產物，廣泛分布于罌粟科、小檗科、毛蘭科和半枝蓮科，具有悠久的研究與應用歷史。異喹啉構成最大的生物堿基團，可進一步分為亞基，包括簡單異喹啉、苯異喹啉、雙苯異喹啉、阿撲嗎啡和原小檗堿[6]，具有廣譜抗菌活性，特別是對金黃色葡萄球菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制作用。

唐松草堿是從唐松草的根中分離出來的一種異喹啉生物堿，其核心是螺環四氫吡啶呋喃酮。在使用微量肉湯稀釋法進行的抗菌活性試驗中，唐松草堿在最低抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）為3.12 μg/ml 時對枯草芽孢桿菌有顯著抑制作用，抗生素頭孢噻肟對枯草芽孢桿菌的MIC 為1.56 μg/ml，且唐松草堿的抑菌作用與頭孢噻肟相當[7]。在尋找具有抗菌作用的天然產物的過程中，有研究[8]從青霉菌Em19的培養液中回收了雞血藤甲素和雞血藤乙素，這兩種化合物對包括陰溝腸桿菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌、鮑曼不動桿菌、肺炎克雷伯菌和金黃色葡萄球菌在內的革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細菌均有抑制活性。另外，雞血藤乙素對所有被測細菌的抗菌效果均優于雞血藤甲素，MIC 為1 g/ml，而對照組美羅培南和環丙沙星的MIC 僅為0.5 μg/ml和0.25 μg/ml。這些結果表明，雞血藤乙素具有很強的抗菌活性。另有研究[9]對從白屈菜中分離的異喹啉類生物堿白屈菜紅堿和白屈菜堿的抗菌活性進行了評價，結果表明白屈菜紅堿對銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌最有效，MIC 為1.9 μg/ml，白屈菜紅堿和白屈菜堿均對白色念珠菌有很強的抗真菌活性。這些生物堿在抑制革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和真菌過程中表現出良好的抗菌活性，它們的抗菌效果與常用的抗菌藥相似。

1.2 吡啶類生物堿 吡啶類生物堿是一種含氮雜環化合物，主要來源于吡啶或哌啶，可分為簡單吡啶、喹啉嗪和吲哚嗪，這些生物堿廣泛分布于棕櫚科、豆科、姜科、茄科等植物群中，其抑菌或殺菌活性已被廣泛研究[10]。

研究表明[11]，孤挺花寧堿對假絲酵母菌具有抗菌活性，MIC 為128 μg/ml，而對照組藥物四環素則對假絲酵母菌無抗菌活性，該研究發現孤挺花寧堿可成為新的潛在抗真菌藥物。梅雪偉[12]對從刺槐中分離得到的12 種喹啉糖苷生物堿的抗菌作用進行研究，結果顯示上述成分均對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有不同程度的抑制活性，MIC 范圍為0.8～18.0 μg/ml。有學者利用1D、2dnmr 譜和MS 譜對從生姜中分離得到的生物堿進行結構鑒定[13]，得到的化合物2-甲氧基-4-[2-（2-吡啶）-乙基] 苯酚對白念珠菌具有良好的生物活性，MIC 為1.0 mg/ml。上述研究均證實吡啶類生物堿對多種病原菌具有良好的抗菌活性，可作為潛在的廣譜抗菌藥使用。

1.3 吲哚類生物堿 吲哚類生物堿是色氨酸衍生物，具有復雜的結構和重要的生物活性。主要分布在龍蒿科、夾竹桃科、茜草科等植物群中。根據其核心結構，主要分為單萜吲哚、色胺吲哚、單萜吲哚和雙吲哚[14]，其對大腸埃希菌、糞鏈球菌、肺炎克雷伯菌、銅綠假單胞菌及金黃色葡萄球菌均有不同程度的抑制作用。

Ding CF 等[15]研究了從非洲馬鈴果果實中分離得到兩種單萜吲哚生物堿voacafricines A 和B，并對其抗菌活性進行測定，結果發現voacafricine A 對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的MIC 為3.12 μg/ml，另外voacafricine B的抗菌和抑菌活性均強于voacafricine A，其對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和傷寒沙門氏菌的MIC 分別為3.12 μg/ml 和0.78 μg/ml，而作為對照組的黃藤素對于耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和傷寒沙門氏菌的MIC 分別為25 μg/ml 和3.12 μg/ml，小檗堿對MRSA 和傷寒沙門氏菌的MIC 分別為6.25 μg/ml 和3.12 μg/ml，可見voacafricines A 和B 這兩種單萜吲哚生物堿具有很強的抗菌活性，優于小檗堿和黃藤素。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌對市面上的多種抗菌藥物具有耐藥性，但吲哚生物堿對該菌具有較強的抗菌活性，可作為抗這種耐藥菌感染的潛在治療藥物。

1.4 甾體類生物堿 甾體類生物堿是天然甾體的含氮衍生物，大部分氮原子位于其復雜的環狀結構中。此類生物堿存在于茄科、百合科、夾竹桃科和丁香科等植物中。甾體生物堿根據甾體骨架分為三類：孕烷、環孕烷和膽甾烷[16]，通常作為配糖生物堿分離，對傷寒桿菌、變形桿菌及大腸桿菌等具有抗菌作用。

Siriyong T 等[17]使用微量二倍稀釋法測定從風車子種子中分離出的甾體化合物風車子堿，對其的抗菌研究表明，風車子堿對大腸桿菌和銅綠假單胞菌的抗菌活性優于對金黃色葡萄球菌的抗菌活性。Cheenpracha S 等[18]對從止瀉木中提取的三種甾體生物堿（mokluangin A、B 和C）的抗菌活性測試表明，mokluangin B 對枯草芽孢桿菌和大腸桿菌具有中等抑制活性，MIC 為16 μg/ml，而mokluangin C 對大腸桿菌表現出選擇性中等抑制活性，MIC 為16 μg/ml，對照組萬古霉素和慶大霉素對上述細菌的MIC 值在0.125～0.25 μg/ml。近年來，越來越多的研究表明，甾體生物堿具有良好的抗菌活性。此外，甾體生物堿與抗生素聯合使用可以提高抗生素的活性，為抗生素的發展提供了新的思路。

2 天然生物堿的抗菌機理

2.1 抑制細菌核酸與蛋白質合成 細菌的核酸由DNA 和RNA 組成。DNA 分子的作用是儲存、復制和傳遞遺傳信息，RNA 分子則是充當信使分子，確保蛋白質的合成。DNA/RNA 分子的損傷或DNA 復制的抑制能夠降低細菌毒力的表達，并影響微生物的性狀及其生長繁殖。絲狀溫度敏感蛋白Z（filamentous temperature-sensitive protein Z，FtsZ）在細菌細胞分裂過程中起著重要作用，能夠參與隔膜的形成，并在分裂部位形成環狀結構，最終控制細菌細胞的分裂過程[19]。因此，FtsZ 也是新抗菌藥物的作用靶點之一。

研究顯示，白屈菜紅堿對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的抑制作用機制是通過抑制胞質分裂而阻止細菌分裂。白屈菜紅堿還能在體外抑制純化的FtsZ的合成，而FtsZ 在大腸桿菌的細胞分裂過程中起著至關重要的作用[20]?？鄥A也能夠抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌中與細胞生長和分裂相關的蛋白質的合成，還能與細胞中的蛋白質結合，形成聚集體，導致細胞質分解，最終殺死細菌。苦參堿對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC 分別為2.5 mg/ml 和10 mg/ml。此外，小檗堿、吲哚類生物堿等也可通過負調節FtsZ 來抑制大腸桿菌和MRSA[21]。

2.2 對細菌細胞膜通透性的影響 細菌細胞膜為細菌的生命活動提供了穩定的內環境，在細胞識別和電子傳遞中起著重要的作用。細菌形成細胞膜的能力是其在惡劣環境條件下生存的基礎，細菌細胞膜的嚴重破壞可導致細胞內電解質泄漏、信息傳遞功能阻斷和細胞壁的防御功能喪失。電解質泄漏增加了培養基的電導率，因此培養上清液電導率的變化可以反映細菌細胞膜通透性的變化。堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，AKP）主要存在于細菌細胞壁和細胞膜之間，細菌細胞壁的通透性增加時AKP 從細胞中漏出，因此AKP 活性測定可間接反映細菌細胞壁的完整性[22]。Zhang Q 等[23]通過瓊脂稀釋法測定白屈菜紅堿對變形桿菌的MIC 為7.8 mg/ml。激光聚焦顯微鏡、場發射掃描電子顯微鏡和結晶紫染色結果表明，白屈菜紅堿可通過阻斷細胞膜物質的表達和形成，抑制變形桿菌的生長并破壞其細胞膜的完整性。Luo ZH 等[24]研究證實由紅茂草中提取的生物堿對肺炎克雷伯菌具有顯著的抗菌作用，其MIC 為3.0 mg/ml。通過改變群體感應系統，可觀察到紅茂草生物堿處理的培養基電導率顯著高于對照組，且隨著作用時間的延長，培養基的電導率呈現先增加后穩定的趨勢，證實了該生物堿對細胞膜的破壞作用。

目前，生物堿對細胞膜損傷機制的研究主要集中在尋找更多的膜定位靶點，這些靶點可能與質子動力、電子流、養分吸收或其他相關的酶活性等過程有關。目標篩選效率的提高也為研究生物堿的抗菌機制提供了一種高度集中的方法，王曙光等[25]在使用博落回提取物的藥物-靶標相互作用網絡對異喹啉類生物堿進行的研究中，使用反向藥效團數據庫篩選技術成功的擬合了二氫白屈菜紅堿的23 個靶標和其他化合物的多個靶標。

2.3 對細菌代謝的抑制 生物堿還可以通過干擾細菌的初級代謝和能量代謝來抑制細菌生長，從而發揮抗菌作用。三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）是能量代謝的潛在靶點之一，ATP 不僅在呼吸和初級代謝中起著重要的作用，也是一些酶反應的能量來源。因此，ATP 合成酶的抑制會影響微生物的許多正常代謝過程，從而導致微生物死亡。小檗堿可通過增加碳水化合物的轉化和吸收，減少碳水化合物的消耗影響A 族乙型溶血性鏈球菌的代謝。此外，小檗堿還能上調與碳水化合物攝取有關的ATP 結合盒轉運體和磷酸轉移酶系統，并抑制糖酵解、嘌呤代謝、嘧啶代謝、果糖和甘露糖代謝、脂肪酸合成途徑以減少碳水化合物的消耗。由于碳水化合物代謝紊亂，細菌內部的氧化還原和能量物質代謝將變得不平衡，最終使得A 族乙型溶血性鏈球菌的增殖和活動受到抑制[26]。另外，紅茂草生物堿可以通過浸潤細胞，抑制細胞內酶的活性，干擾細胞的正常代謝活動，最終達到抑制肺炎克雷伯菌的作用[27]。烏頭生物堿液和石斛生物堿液對金黃色葡萄球菌的代謝也有抑制作用[28]。

3 總結與展望

在天然產品中，人們普遍認為植物化學物質的抗感染效果不如微生物源的抗生素。然而，隨著細菌耐藥性的增加，出現了如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、鮑曼不動桿菌等多重耐藥細菌，目前亟需積極篩選新的抗生素，或者尋找可替代的干預策略來消除細菌的耐藥性。

天然生物堿具有廣譜抗生素的特點，且不良反應較少，耐藥傾向較低。生物堿提取技術的逐步成熟也是這些化合物進一步發展的主要原因。如多組分分析被用于微波輔助提取生物堿，高通量的篩選和計算方法可提高生物堿的提取率。生物堿的生物利用度也是人們普遍關注的問題，一般來說，生物堿的堿基是親脂性的，能夠與酸形成鹽并溶于水，通過易化擴散由胃腸道吸收，不同生物堿的平均生物利用度在0.27%～64.6%。由生物堿、磷脂、疏水組分和表面活性劑組成的制劑在體內可自發形成微乳和亞微乳，從而提高了生物堿的口服吸收，但該方式的生物利用度較低。因此，根據生物堿抗菌活性的特點和優點，開發臨床抗菌藥物時應考慮幾個方面。首先，目前的研究大多是在體外進行的，而在體內進行的研究相對較少，一些生物堿的抗菌機理尚未完全闡明。未來的臨床研究應采用現代科學技術，為抗菌藥物提供重要的創新方法。其次，在今后的研究中，應重點研究生物堿的抗菌活性與其結構之間的關系，并通過結構變化對生物堿進行優化。第三，由于天然生物堿含量較低及化合物的結構復雜，在較長的時期內合成天然生物堿藥物是非常困難和昂貴的，新的生物堿類藥物的開發也將受到影響。最后，新抗菌藥物的研制應考慮細菌感染的多因素、多部位、多環節、多機制的特點，并對其進行優化，使其在可接受的毒性水平上達到適當的劑量。因此，充分了解結構復雜的藥物與宿主之間的相互作用，并確定新的潛在靶點，是研究相關機制的關鍵。

綜上所述，生物堿抗菌活性的研究對植物源抗菌劑的研發具有重要的現實意義，但目前仍需廣泛開展基礎和臨床研究，以確定和驗證新藥療效。深入分析生物堿的抗菌作用及機制，有望對高效、廣譜、低毒性、低耐藥的新型抗菌藥物的研究和開發提供幫助。