中草藥對多重耐藥菌的抑制作用及機制研究進展

趙永師,杜 娜,杜 艷

(1. 昆明醫科大學第一附屬醫院檢驗科 云南省檢驗醫學重點實驗室,云南 昆明 650032; 2. 云南省中醫醫院檢驗科,云南 昆明 650021)

由于抗菌藥物的不合理使用,甚至是濫用,細菌耐藥性日益嚴重,多重耐藥菌(multidrug-resistant organism, MDRO)的檢出逐步增多,嚴重威脅世界各國人民的生命安全。MDRO是指對通常敏感的常用的3種或3種以上抗菌藥物同時耐藥的菌株[1]。臨床上常見的MDRO有耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus, MRSA)、耐萬古霉素腸球菌(vancomycin-resistantEnterococcus, VRE)、產超光譜β-內酰胺酶(extended-spectrum β-lactamase, ESBLs)腸桿菌目細菌、耐碳青霉烯類腸桿菌目細菌(carbapenem-resistantEnterobacterales, CRE)、多重耐藥銅綠假單胞菌(multidrug-resistantPseudomonasaeruginosa, MDR-PA)、多重耐藥鮑曼不動桿菌(multidrug-resistantAcinetobacterbaumannii, MDR-AB)等。MDRO感染引發嚴重的經濟損失,歐洲每年有2.5萬人死于MDRO感染,使歐盟經濟損失150億歐元[2]。MDRO感染已危及全球公共衛生安全,開發出有效的抗菌藥物來對抗耐藥菌已經成為解決病原菌耐藥危機的迫切需求之一[3]。新型抗菌劑的開發涉及時間長及花費昂貴,并可能導致進一步的耐藥[4]。因此,開發出一種不易產生耐藥性的抗菌藥物非常必要。中草藥具有耐藥性低、毒性低、價格低廉等優點,并且具有良好的抗菌效果,還可以抑制或殺滅細菌,調節機體免疫力,減少細菌耐藥性的產生,甚至逆轉細菌的耐藥性,與抗菌藥物聯用具有協同抑菌作用,因而成為研究熱點,深入研究中草藥對MDRO的抑菌作用,研發新型抗菌藥物,對臨床抗MDRO感染至關重要。本文就中草藥對常見MDRO的抑菌作用及機制等方面的研究進展作一綜述。

1 中草藥對MDRO的體外抗菌活性研究

1.1 單味中草藥對MDRO的作用 許多單味中草藥具有良好的抗菌活性,如黃芩、黃連、烏梅、五味子、連翹、金銀花、五倍子等。這些單味中藥大多數對MDRO具有抑菌作用,下面就這些中藥對幾種常見MDRO的抑菌作用進行闡述。

1.1.1 對MRSA的作用 金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus, SA)是引起人類感染的一種重要病原體,可引起人類皮膚、軟組織和呼吸道感染,以及菌血癥和心內膜炎等各種疾病。SA通常被分為MRSA和甲氧西林敏感金黃色葡萄球菌(methicillin-sensitiveStaphylococcusaureus, MSSA)。MRSA同時攜帶耐藥基因和毒力基因,使治療更為困難。紫草具有清熱解毒和活血涼血的功效,Li等[5]研究發現從紫草中提取的高脂溶性萘醌色素紫草素對MRSA具有良好的抑菌作用,可為解決MRSA感染問題提供一種替代治療方法。

Shamsi等[6]研究發現負載沒食子酸的氧化石墨烯(GAGO)對MRSA和MSSA具有抑菌活性,能夠抑制細菌菌株的生長。He等[7]從三文藤根中分離出的白屈菜紅堿對SA、MRSA和產ESBLs SA表現出很強的抑菌活性。綜上所述,許多中草藥對MRSA有抑菌作用,且抑菌效果較好,可能成為應對MRSA感染的有效治療藥物。

1.1.2 對MDR-PA和MDR-AB的作用 2021年細菌耐藥監測[8]數據顯示,不發酵葡萄糖的革蘭陰性桿菌中檢出率占前兩位的是銅綠假單胞菌和鮑曼不動桿菌。MDR-AB和MDR-PA是醫院嚴重感染的常見病原菌,尤其是重癥監護病房(ICU)[9]。由于抗菌藥物的過度使用,許多之前對MDR-AB和MDR-PA有效的藥物失去效力,目前能治療MDR-AB和MDR-PA感染的有效藥物很少,迫切需要開發新的治療藥物和治療方案[10]。房華等[11-12]研究中草藥對MDR-PA和MDR-AB的抑菌作用表明,赤芍、青黛、五倍子、野菊花、魚腥草、小檗堿對MDR-PA與MDR-AB有不同程度的抑菌作用,五倍子對MDR-PA和MDR-AB的抑菌效價為512～1 024,抑菌作用最強,且五倍子與小檗堿對MDR-AB與MDR-PA的耐藥性有一定的逆轉作用。周琳琳[13]研究發現珊瑚姜油對MDR-AB有明顯的抑菌和殺菌作用。因此,部分中草藥對MDR-AB和MDR-PA具有抑菌作用,深入研究中草藥的抑菌作用,有望成為MDR-AB感染患者的福音。

1.1.3 對產ESBLs大腸埃希菌的作用 產ESBLs大腸埃希菌是臨床上導致血流感染的常見病原菌,攜帶多種耐藥基因和毒力因子,對多種抗菌藥物具有耐藥性[14],限制了臨床用藥選擇。桂勇等[15]研究烏梅等10味中藥對產ESBLs大腸埃希菌的體外抑菌作用表明,烏梅、五味子在較低濃度時就有較強的抑菌效果,金銀花對產ESBLs大腸埃希菌也有一定的抑菌作用[16]。中藥活性成分小檗堿和沒食子酸對產ESBLs的大腸埃希菌具有良好的抑制效果,小檗堿在濃度為16 μg/mL時能夠殺滅細菌[17]。因此,多種中草藥對產ESBLs大腸埃希菌具有抑菌作用,中草藥可能成為治療產ESBLs的有效藥物。

1.1.4 對其它MDRO的作用 細菌耐藥監測數據顯示,我國臨床MDRO檢出率仍較高,臨床分離株對常見抗菌藥物的耐藥率仍呈增長趨勢[18],治療困難。李海利等[19]研究穿心蓮、黃芩、苦參、白頭翁、芒果葉和百里香等6種中草藥對多重耐藥豬胸膜肺炎放線桿菌的體外抑菌效果,發現抑菌效果最強的是百里香和芒果葉。程招敏等[20]研究發現黃芩、黃連、麻黃和雞血藤對泛耐藥的肺炎克雷伯菌具有良好的體外抑菌效果,黃芩和黃連的抑菌效果最好。苦參酮能夠抑制變形鏈球菌、MRSA、VRE的生長[21]。以上研究表明,單味中草藥及提取物對MDRO具有良好的抑菌效果,為今后MDRO菌株感染的治療提供潛在選擇。

1.2 中藥復方對MDRO的作用 許多單味中藥具有良好的抗菌效果,通過合理的中藥配伍能夠提高原有的抗菌效果,擴大抑菌范圍,故中藥復方在MDRO中應用廣泛。Liu等[22]用多重耐藥尿路致病性大腸埃希菌構建小鼠模型,然后用中藥扶正清熱利濕方或亞胺培南處理,發現扶正清熱利濕方對多重耐藥尿路致病性大腸埃希菌具有抑菌作用,但不能完全清除宿主體內的細菌。胡俊輝等[23]研究發現,復方紅根草片(由金銀花、穿心蓮、紅根草、魚腥草、野菊花5味中藥組成的復方制劑)對多重耐藥肺炎克雷伯菌有抑菌效果。以上研究表明,中藥復方是臨床治療中中藥的常用使用手段,有的單味中草藥對耐藥菌無抑菌作用,但幾種中藥聯合應用抑菌作用較好,探究不同中藥組合方劑對耐藥菌的抑菌效果,對臨床治療MDRO感染具有重要意義。

1.3 中藥聯合抗菌藥物對MDRO的作用 抗菌藥物耐藥被視為全球最嚴重的公共衛生威脅,中草藥聯合抗菌藥物治療廣泛耐藥的腸桿菌目細菌和非發酵菌感染,相對于常規抗菌藥物單一療法有更好的療效[24]。孟千琳等[25]研究發現亞胺培南、美羅培南、多黏菌素B和替加環素與3種中藥單體(黃芩苷、鹽酸小檗堿、檞皮素二水物)能夠抑制MDR-AB生物被膜形成,且中藥單體與抗菌藥物聯用后對MDR-AB具有不同程度的協同抑菌作用,亞胺培南與小檗堿、頭孢他啶與五倍子聯合可以增加各自對MDR-PA的敏感性[11]。Zuo等[26]研究發現小檗堿(Ber)和 8-丙酮基-二氫小檗堿(A-Ber)能夠增加阿奇霉素和左氧氟沙星對MRSA的體外抑菌作用。Lan等[27]研究發現一枝蒿的黃酮類化合物金圣草素與環丙沙星和苯唑西林結合對MRSA有抑菌作用。總之,中草藥與抗菌藥物聯合能夠降低抗菌藥物用量,增加抗菌藥物的抑菌效果,有效減少耐藥菌株的產生,比單味中藥或抗菌藥物單獨使用具有更廣泛的應用前景。

2 中草藥對MDRO的抑菌機制

2.1 影響細胞膜和細胞壁的完整性 細菌細胞膜的完整性對于維持細胞正常的生命活動非常重要。細胞膜的完整性受到破壞,會影響細胞正常的生長、發育、繁殖,導致細菌死亡。大部分中草藥活性成分具有疏水基團,能與細菌細胞上不同的作用靶點結合,破壞細胞壁結構,引起細菌細胞變形。Qian等[28]研究發現,中藥單體熊果酸對耐碳青霉烯類肺炎克雷伯菌(CRKP)有抑菌作用,主要通過破壞細胞膜完整性,并對生物膜的形成以及生物膜相關基因的表達產生強烈的抑制作用。紫草素是一種從紫草根中提取的生物活性成分,Shu等[29]研究發現紫草素脂質體對MRSA具有良好的抑菌活性,主要通過破壞細菌細胞壁和細胞膜的完整性擾亂細菌的生理活動來實現抑菌活性。Liu等[30]研究發現,富含沒食子酸和木犀草素的猴耳環(神仙草)提取物對MRSA具有抑菌活性。猴耳環提取物的乙酸乙酯部分(S20b)對MRSA具有最強的抑菌活性,電子顯微鏡顯示提取物S20b破壞了MRSA的細胞壁,增加了細胞膜的通透性。Wang等[31]研究發現,黃藤素與卡那霉素結合對多重耐藥大腸埃希菌具有協同抑菌作用,抑菌機制主要為破壞細胞膜完整性。以上研究表明,部分中草藥以及從中草藥中提取的活性單體能夠破壞細胞膜和細胞壁的完整性,改變細胞膜的通透性而發揮抑菌作用。

2.2 抑制核酸及蛋白質的合成 蛋白質的合成依賴于遺傳物質的正常表達,細胞的生理活性依賴于蛋白質的正常功能。因此,當遺傳物質的表達受到影響時會導致細胞功能異常。王倩[32]研究發現木犀草素可明顯抑制SA可溶性蛋白及核酸的合成。薛志平[33]對復方半邊蓮的抑菌機制研究表明,木犀草素和黃芩素對MRSA、β-內酰胺酶陽性葡萄球菌可能通過破壞菌體的細胞壁及細胞膜的完整性和影響蛋白質的表達,導致細菌生理功能受損而發揮抑菌作用。吳玲玲[34]發現,木犀草苷(從金銀花等忍冬科植物中提取的黃酮類化合物)能夠抑制blaNDM-1陽性CRE的生長,可能是通過破壞細菌細胞壁及細菌DNA聚合酶,抑制blaNDM-1、blaTEM-1及blaCTX-M-9等耐藥基因表達,發揮抑菌作用。白屈菜紅堿的主要抑菌機制可能歸因于其破壞細菌細胞膜的通道,導致蛋白質泄漏到細胞外,以及抑制蛋白質生物合成[7]。蛋白質是生命活動的承擔者,核酸是細菌的主要遺傳物質,因此,影響核酸和蛋白質的合成是中藥發揮抑菌作用的重要機制。

2.3 抑制菌體內酶的活性 DNA拓撲異構酶是調節核酸代謝的關鍵酶,可以催化DNA鏈擴張和斷裂,完成DNA的復制、轉錄和其它過程。中草藥能夠抑制DNA轉錄和翻譯的酶,阻礙相關蛋白質的表達,影響其正常的生理活動,最終導致菌體因不能維持正常的生命活動而死亡。云寶儀等[35]研究發現黃芩素對MRSA的抑菌機制主要通過抑制DNA拓撲異構酶的活性,使其不能進行正常的復制與轉錄,進而抑制了下游蛋白質的翻譯過程。此外,黃芩素能夠抑制三羧酸循環(TCA)中琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶的活性[35]。Liu等[36]研究發現,敗醬草對耐甲氧西林表皮葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusepidermidis, MRSE)在體內和體外都具有抑菌作用,敗醬草能夠使蘋果酸脫氫酶和琥珀酸脫氫酶的活性下降,通過影響MRSE的能量代謝來發揮抑菌作用。以上研究表明,中草藥不僅能夠抑制DNA復制和轉錄的酶,影響核酸的合成,還能夠影響細胞代謝酶,影響細胞的能量代謝和呼吸代謝,從而發揮抑菌作用。

2.4 抑制細菌生物被膜形成 生物被膜富含多糖、蛋白質、DNA、RNA、肽聚糖、脂和磷脂等有機成分,附著于有生命或無生命物體表面,具有半透膜特性。Wang等[37]研究發現銀杏葉外果皮提取物能夠抑制耐碳青霉烯類鮑曼不動桿菌(CRAB)的生長,通過改變相關基因表達來抑制SA和MRSA生物膜的形成[38]。Pu等[39]研究發現,地榆根的乙醇提取物對鮑曼不動桿菌和SA有抑菌作用,并且能夠抑制SA生物膜的形成和細菌毒素的產生。Di等[40]研究發現,啤酒花提取物對多重耐藥的SA和表皮葡萄球菌具有抑菌作用,并且能夠抑制生物膜的形成。以上證據表明,中草藥能夠抑制細菌生物膜的形成和細菌毒素的產生,并且能夠調節生物膜相關基因的表達,抑制細菌生物膜的形成來發揮抑菌作用。

2.5 消除耐藥質粒 質粒是染色體外具有獨立復制能力并對細菌生存非必需的小型共價閉合環狀雙鏈DNA分子,在細菌細胞內普遍存在。Oyedemi等[41]研究發現,從菲利賓野桐中提取的酚類化合物對MRSA具有抑菌活性,并且能夠抑制R質粒的結合轉移能力。陳晴等[42]研究發現,黃柏等10種中草藥對MRSA具有較強的抑制作用,其中黃柏和甘草的抑菌作用最強,且對MRSA的質粒具有消除作用。汪東海等[43]研究發現,黃芩苷能夠消除鮑曼不動桿菌低水平耐藥菌株攜帶的質粒,恢復菌株對慶大霉素和環丙沙星的敏感性,抑制鮑曼不動桿菌生長。張娟[44]在中藥對產ESBLs大腸埃希菌耐藥消除效果的研究中,通過耐藥基因檢測,選出3株MDRO(E1、E2、E3),烏梅對菌株E1和E2的耐藥消除效果最好,黃芩對菌株E3的消除效果最好。中草藥通過消除耐藥質粒和耐藥基因,逆轉細菌的耐藥性,恢復耐藥菌對抗菌藥物的敏感性,可能是中草藥控制細菌多重耐藥的機制之一。

2.6 抑制細菌外排泵 細菌外排泵是存在于細菌細胞膜上的一類蛋白質,許多細菌可以通過外排泵系統將進入細胞內的抗菌藥物泵出細胞外,使菌體內的抗菌藥物濃度降低而導致耐藥。黃瑞玉等[45]研究發現,連翹水煎劑可以降低環丙沙星對MDR-AB的最低抑菌濃度,影響鮑曼不動桿菌的主動外排泵,并可引起主動外排泵編碼基因adeB序列發生變異。Pal等[46]研究發現,槲皮素抑制耐碳青霉烯類大腸埃希菌(CREC)、CRKP、耐碳青霉烯類銅綠假單胞菌(CRPA)和CRAB的碳青霉烯酶的外排泵活性,槲皮素是耐碳青霉烯類革蘭陰性菌感染的潛在輔助用藥。中草藥通過影響外排泵的基因、阻礙外排泵的通道等發揮抑菌作用。

2.7 其它機制 中草藥對MDRO的抑菌機制,除了已知的常見抑菌機制,還有一些新發現的抑菌機制。Cech等[47]研究發現,白毛茛葉提取物對MRSA有體外抑菌活性,并且對MRSA菌株顯示出群體淬滅活性。此外,王亞男等[48]研究發現,蘆丁能夠抑制MRSA對纖維蛋白原和纖維蛋白的黏附作用。從肉桂、牛至、百里香和丁香中提取的精油對多重耐藥大腸埃希菌、銅綠假單胞菌、SA等細菌具有抑菌作用,并主要通過抗群體感應系統發揮抑菌作用[49]。還有一些其它抑菌機制不明確,還需進一步研究。幾種中草藥及有效成分對MDRO的抑菌機制見表1。

表1 sub-MIC抗菌藥物對SA生物膜的作用

表1 中草藥及有效成分對MDRO的抑菌機制

3 結論與展望

世界衛生組織已把細菌耐藥性作為一個主要公共健康問題,面對當前的耐藥性危機和新藥研究與開發的難題,找到一種更有效、更安全的替代治療耐藥細菌感染的方法至關重要[50]。中草藥對MDRO具有較好的抑菌作用,特別是清熱解毒和清熱燥濕類中藥。不同的中草藥按照一定比例配伍具有較好的抑菌效果,中草藥聯合抗菌藥物也具有良好的抑菌效果,能夠提高抗菌藥物對耐藥菌的敏感性,為解決細菌耐藥問題提供了新的途徑。以上研究表明,中草藥主要通過破壞細胞膜和細胞壁的完整性進而改變細胞膜的通透性、抑制DNA和蛋白質的合成、抑制酶的活性、抑制細菌生物膜形成、消除耐藥質粒、抑制外排泵等機制發揮抑菌作用。部分中藥能夠通過多種機制發揮抑菌作用,具有多靶點抑菌作用的中草藥是對抗耐藥菌的有效途徑,加強中草藥對MDRO的抑菌作用和抑菌機制的研究,對于開發新的抗菌藥物和解決細菌耐藥問題具有重要意義。

中草藥作為抗菌藥物效果明顯,應用前景廣闊。目前主要集中于體外抑菌作用的研究,體內研究較少,尤其缺乏明確的體內藥代藥效學、藥物劑量研究,在臨床廣泛應用的難度大。

利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。