赵弘毅,蒋粉荣,陈晓娅,李 坤,潘光兄,蒋利和,赵钟兴,王 静,刘海波
(广西大学化学化工学院, 广西南宁530004)
中草药对铜绿假单胞菌及其群体感应抑制作用
赵弘毅,蒋粉荣,陈晓娅,李 坤,潘光兄,蒋利和,赵钟兴,王 静,刘海波
(广西大学化学化工学院, 广西南宁530004)
为了筛选对多重耐药铜绿假单胞菌具有抑菌作用的中草药,并筛选铜绿假单胞菌的群体感应蛋白LasR的抑制剂,本实验利用纸片扩散法对59株临床分离的铜绿假单胞菌和1株PAO1进行抗生素药敏试验,并对其中3株菌进行中草药提取物体外抑菌试验,通过检测报告质粒中β-半乳糖苷酶的活性来筛选LasR蛋白抑制剂。实验发现,丁香、赤芍等中药粗提物具有良好的抑菌效果,部分中草药可通过影响LasR蛋白的水溶性或信号分子与受体蛋白的结合来实现对细菌群体感应的调控。
铜绿假单胞菌;多重耐药性;中草药;群体感应抑制剂
抗生素的发现是人类医学史上的里程碑,但随着抗生素类药物在临床上的广泛应用,细菌的耐药性问题日趋严重。随着耐药菌株大量涌现及蔓延,严重威胁着人类的健康。细菌耐药性的出现和耐药细菌的感染给临床抗感染治疗带来极大的挑战,也成为全球最关注的问题之一[1-5]。作为当今医院感染的首要致病菌之一的铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa),其耐药性不断加剧,耐药机制复杂多变,且耐药基因在铜绿假单胞菌和其他致病菌中的扩散,给临床治疗带来极大挑战[6-8]。
铜绿假单胞菌群体感应(quorum sensing,QS)系统与其毒力因子的启动及其表达水平有着密切的关系。群体感应参与各种细胞活动,例如细胞密度控制、次生代谢产物的生产、细胞分化、细胞膜形成以及毒性[9]。据现有研究显示,铜绿假单胞菌的QS系统有三种,分别为las,rhl和喹诺酮信号系统。las系统是由lasR和lasI基因组成,主要激活LasI和LasR蛋白的转录[10],进而指导细胞外信号分子3OC12-HSL(N-3-氧代十二烷酰-L-同型丝氨酸内酯,AHL)的合成。当信号分子达到一定值后,细菌会控制毒性基因的表达。目前,抑制细菌群体感应的途径主要有降解信号分子、抑制信号分子合成和干扰受体蛋白与信号分子结合[11]。其中,通过干扰受体蛋白与信号分子来抑制群感效应的可行性高,筛选高效的群体感应抑制剂有望成为解决细菌耐药问题的一个有效途径。
传统的抗菌药物都是以细菌蛋白质的合成、细胞壁的合成、DNA超螺旋、叶酸的合成等为靶点,通过干扰细菌的重要生命过程直接将其杀死或者抑制细菌的生长来实现抗感染的目的,但由于细菌本身具有快速适应性和进化能力,在这种生存压力下,极其容易产生耐药性和微生物菌群失调等负面作用。以细菌的群体感应系统为靶标筛选出来的抗菌药物,与传统的抗生素的作用机制完全不同,此类药物只抑制细菌群体感应调控的致病行为,不杀死细菌不抑制其生长,最终使病原菌无法对抗宿主的免疫防御而被机体自身清除。因此,理论上不会引起细菌耐药性的产生。
中草药在我国有着悠久的历史,其中一些草药具有明显的抗菌作用。中草药的主要有效成分为生物碱类、多酚类、萜类和黄酮类化合物[12-14]。广西壮族自治区的药用植物资源丰富,约占全国的药用植物资源总量的三分之一。而本文充分利用我区中草药资源优势,寻找具有抗耐药菌作用的中草药,并从中草药中筛选出有效的群体感应抑制剂,解决铜绿假单胞菌的多重耐药性问题。
1.1 药敏纸片、中草药及培养基
中草药在南宁市药店购买获得(见表1);抗生素药敏纸片通过杭州天和微生物试剂有限公司购买获得;LB培养基与技术琼脂粉分别在北京陆桥科技有限责任公司和广东环凯微生物科技有限公司购买获得。
1.2 菌株
本文所用菌株和质粒如表2所示。
表1 实验中使用的中草药
Tab.1 Chinese herbal medicine used in this study
样品名称八角茴香(1)乌梅(2)何首乌(3)石榴皮(4)花椒(5)川木香(6)丁香(7)马齿苋(8)苍耳子(9)茜草(10)五加皮(11)金钱草(12)两面针(13)连翘(14)知母(15)瞿麦(16)厚木(17)白芥子(18)甘草(19)补骨脂(20)败酱草(21)夏枯草(22)天冬(23)菊花(24)竹茹(25)柴胡(26)漏芦(27)海金沙(28)山茱萸(29)五味子(30)升麻(31)山楂(32)苦参(33)黄柏(34)鱼腥草(35)紫苏(36)川芎(37)紫菀(38)枇杷叶(39)雷公藤(40)秦皮(41)板蓝根(42)赤芍(43)百部(44)白天翁(45)大黄(46)穿心莲(47)防己(48)肉桂(49)五倍子(50)虎杖(51)蒲公英(52)防风(53)柴草(54)槐花(55)金银花(56)广藿香(57)肉豆蔻(58)白芷(59)胖大海(60)垂盆草(61)野菊花(62)薄荷(63)半枝莲(64)地榆(65)黄苓(66)猪苓(67)半边莲(68)地肤子(69)丹参(70)姜黄(71)石菖蒲(72)藁本(73)党参(74)茯苓(75)鹅不食草(76)土荆皮(77)前胡(78)鹿衔草(79)黄莲(80)续断(81)
表2 研究中所用的菌株和质粒
Tab.2 Strains and plasmids used in this study
菌株描述来源PaeruginosaPAO1sourceforlasRgeneRochester,USAEcoliBL21(DE3)HLrecombinantEcoliBL21harboringhis⁃lasR韩国釜山大学EcoliDH(5α)host韩国釜山大学临床分离菌株withmulti⁃drugresistancegene广西医科大学质粒描述来源pET⁃28a⁃lasRlasRgeneinpET⁃28a;Kanr韩国釜山大学pJN105LproduceLasR;GmR韩国釜山大学pSC11lasI⁃lacZreporterplasmid;ApR韩国釜山大学
1.3 中草药有效成分提取
将中草药分别称取4 g,其中2 g用10 mL 100%的无水乙醇浸泡,2 g用10 mL 50 %的乙醇浸泡,浸泡时间为2 d以上。
1.4 抑菌试验方法
临床分离的铜绿假单胞菌的药敏实验和中药抑菌实验均使用纸片法进行。通过抗生素药敏实验,筛选出耐药性最强和耐药性最弱的两株菌供抑菌实验使用。
1.5 LasR蛋白的表达
为了表达LasR蛋白,将含有pET-28a-lasR的大肠杆菌BL21(DE3)菌株接种到100 mL含有50 μg/mL卡那霉素和0.5 mL中药提取液的LB培养液中,当在600 nm下的光密度为0.5时,将培养物迅速冷却到20 ℃,用0.1 mmol的异丙基-β-D-氨基半乳糖苷(IPTG)诱导,在17 ℃下过夜培养,离心收获细胞。将细胞用50 mmol磷酸钾缓冲液(pH 7.0)洗涤2次,并重悬于缓冲液中。使用超声细胞破碎器将细胞破碎,将细胞裂解液进行离心分离,并使用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳后,使用考马斯亮蓝G-250进行蛋白染色。
1.6 β-半乳糖苷酶活性分析
在30 ℃下,将含有pJN105L和pSC11质粒的大肠杆菌DH(5α)菌株放入含有10 μg/mL庆大霉素和50 μg/mL的氨苄西林的LB培养基中进行培养。当在600 nm下的光密度为0.3时,将0.5 mL培养物分散到2 mL的Ep离心管中,加入AHLs(20 mmol)、中药提取物(1 μL)和阿拉伯糖(0.04 %),250 r/min和30 ℃条件下培养3~4 h。离心收获细胞,用Z buffer[Na2HPO4·7H2O(60 mmol)、NaH2PO4·H2O(40 mmol)、KCl(10 mmol)、MgSO4·7H2O(1 mmol)、β-巯基乙醇(50 mmol)]清洗1次并重悬。测定细胞密度OD600值后,取200 μL重悬液加入到含有800 μL的Z Buffer、40 μL氯仿和16 μL 0.1 % SDS的Ep管中,反复吸取充分溶解细胞。取水相400 μL,加入80 μL的邻-硝基苯-β-D-半乳糖苷(ONPG:4 mg/mL 溶剂为磷酸缓冲液),反应20 min左右出现显色反应,加入200 μL的Na2CO3溶液(1 mol)终止反应。分别测OD420和OD550。Miller单位用方程计算:
Miller Units = 1000× (OD420-1.75 ×OD550)/(T×V×OD600),
其中:T为反应时间,min,V为实验所用培养物的体积,mL;Miller单位与酶的活性成正比。
2.1 铜绿假单胞菌的临床来源分布
医院感染是人类面临的一个难题,它是导致患者病情加重甚至导致死亡率上升的主要原因。在能够引起医疗感染的细菌中,铜绿假单胞菌是首要致病菌之一。铜绿假单胞菌在自然界中广泛存在,在人体的皮肤、肠道以及呼吸道中都有其存在,是临床分离率相当高的革兰氏阴性致病菌。当人体免疫力下降时,十分容易感染该菌,造成呼吸道、肠道等感染。由于铜绿假单胞菌很容易附着在医疗器械上,所以在重症监护室中机械通气的病人十分容易受到它的感染,死亡率非常高。重症监护室的患者多数来源于神经外科、神经内科和呼吸科。本试验中使用的59株铜绿假单胞菌均来源于以下科室(表3)患者的分泌物、尿液、痰液、脓液等样本。
表3 59株铜绿假单胞菌的临床来源分布
Tab.3 Distribution of 59P.aeruginosaclinical samples
科室菌株数比例/%感染性疾病科4678神经外科4678中医科81356重症科132203呼吸内科2339儿科91525肿瘤内科2339口腔科3508肾内科2339神经内科3508烧伤整形外科2339创伤骨科手外科2339五官科2339血液内科3508
2.2 铜绿假单胞菌药敏实验结果
细菌耐药性产生的分子机制主要包括生化机制和遗传机制。其中生化机制主要指以下几个方面:①形成细菌生物膜,阻止抗生素的等药物进入细菌细胞内[9];②主动外排机制;③诱导酶修饰;④组织渗透;⑤产生酶使得抗生素类药物失效。而研究发现,细菌耐药性产生的遗传机制则与染色体介导、转座子和整合子有关。
实验中使用的20种抗生素分别属于β-内酰胺类、氨基糖苷类及喹诺酮类抗生素。而根据相关文献报道,针对β-内酰胺类抗生素耐药的基因有oxa1, oxa2,oxa5,oxa10, shv2, tem, ctxm-1, imp, vim, blaZ, mecA, aac, fox, act, ctxm-NG-1, ctxm-NG-2, ctxm-NG-4, cny2, kpc, ges基因,针对氨基糖苷类抗生素耐药的基因有aac,aph-Ⅲ,ant基因,针对喹诺酮类抗生素耐药的基因为pnra。铜绿假单胞菌的多重耐药机制主要有:①由于大量的β-内酰胺类抗生素在临床上使用,使得铜绿假单胞菌产生大量的头孢菌素酶(AmpC酶),使得其此类抗生素耐药;②青霉素结合蛋白发生改变[15-16];③铜绿假单胞菌胞外膜蛋白的减少使得抗生素类物质很难进入到细菌细胞内[17];④生物膜的产生是其具有多药耐药性的重要原因之一。
本文对59株临床菌株和1株野生菌株PAO1进行了药敏分析。实验结果表明,60株铜绿假单胞菌对阿莫西林、氨苄西林、头孢曲松、头孢唑林、头孢西丁、呋喃妥因、复方新诺明和替加环素是完全耐药的,说明了铜绿假单胞菌具有多重耐药性;阿米卡星、左氧氟沙星、和妥布霉素等抗生素药物具有良好的抑菌效果(见表4)。通过抗生素药敏试验结果,选出一株抗药性最强的菌(#5336)和一株抗药性最弱的菌(#5685)作为中药抑菌实验的研究对象。
表4 59株铜绿假单胞菌药敏实验结果
Tab.4 Antibiotics susceptibility test of 59P.aeruginosastrains
抗生素敏感(S)中敏(I)耐药(R)头孢哌酮/舒巴坦20(3333%)9(1500%)31(5167%)阿莫西林/棒酸0(%)0(%)60(10000%)阿米卡星48(8000%)0(%)12(2000%)氨苄西林0(%)—60(10000%)氟曲南25(4167%)10(1667%)25(4167%)头孢他啶44(7333%)1(167%)15(2500%)环丙沙星45(7500%)2(333%)13(2167%)头孢曲松0(%)0(%)60(10000%)头孢唑林0(%)0(%)60(10000%)头孢吡肟35(5833%)11(1833%)14(2333%)头孢西丁0(%)0(%)60(10000%)庆大霉素42(7000%)4(667%)14(2333%)亚胺培南43(7167%)2(333%)15(2500%)左氧氟沙星46(7667%)3(500%)11(1833%)呋喃妥因0(%)—60(10000%)哌拉西林40(6667%)1(167%)19(3167%)复方新诺明0(%)0(%)60(10000%)替加环素0(%)0(%)60(10000%)妥布霉素46(7667%)0(%)14(2333%)他唑巴坦34(5667%)13(2167%)13(2167%)
2.3 铜绿假单胞菌中药抑菌实验结果
针对目前铜绿假单胞菌多重耐药性的现状,研究如何使用中草药消除细菌耐药性成为了热点。根据研究显示,中草药能够消除细菌耐药性的机制主要是其对β-内酰胺类有一定的抑制作用、对细菌生物膜的形成也有抑制作用。中草药还可以降低细菌细胞的主动外排功能和消除耐药质粒等方式解决细菌耐药性问题。
实验结果表明(见表5),针对耐药性较强的菌株(#5336),81种中草药均没有显著的抑菌效果。而针对耐药性较弱的菌株(#5685),丁香、赤芍以及五倍子三种中药无论是用100 %乙醇还是50 %乙醇溶剂提取,均具有良好的抑菌效果。针对野生铜绿假单胞菌PAO1,金银花、丁香、赤芍以及黄柏四种中药无论是用100 %乙醇还是50 %乙醇溶剂提取,均具有良好的抑菌效果。
表5 81种中草药抑菌筛选结果
Tab.5 Results of the antimicrobial activities of 81 Chinese herbal medicine
菌株有抑菌效果的中药溶剂:100%乙醇溶剂:50%乙醇水溶液#5336—1—#5685丁香、赤芍、五倍子、石菖蒲、黄柏丁香、马齿苋、赤芍、五倍子、甘草PA-O1赤芍、黄柏、金银花、穿心莲、川木香、大黄、茯苓、丁香、槐花、甘草、乌梅、车前草金银花、丁香、赤芍、红花、虎杖、百部、黄苓、续断、黄柏
注:1. “-”表示所筛选的中草药对该菌株没有抑制效果。
丁香的主要成分有丁香酚和石竹烯,其中丁香酚具有良好的抗氧化作用和较强的抑菌效果,在临床上应用十分广泛。而石竹烯也具有抗氧化作用,在治疗皮肤炎症方面有很好的效果。赤芍的主要成分为单萜苷类,单萜苷类物质含量最高的为芍药苷,试验中赤芍对于铜绿假单胞菌有很好的抑制效果,很可能是由于芍药苷具有抑菌作用。黄柏的主要成分为生物碱、黄柏内酯和黄柏酮,其中生物碱可以治疗炎症并对细菌有抑制作用,也具有抗癌的作用。五倍子的主要成分为没食子酸、黄芩苷、蒽醌、槲皮素和鞣质,这些成分均具有抑菌作用,其中含量最高的为没食子酸。实验证明五倍子与黄柏两种中药均有较好的抑菌效果。金银花的主要抑菌成分为有机酸类,包括绿原酸、白果醇、芳樟醇和木犀草素。其中绿原酸含量最高,其对革兰氏阳性菌和阴性菌都有抑制作用,是一种十分重要的生物活性组分,在临床抗菌抗病毒方面有很好的效果。
2.4 LasR蛋白水溶性的实验结果
在大肠杆菌中表达LasR蛋白后,通过对比LasR蛋白条带,发现不同中药的活性成分对于LasR蛋白的可溶性影响各有不同。如图1所示,部分加入中药的试样蛋白条带明显比空白样品要细,说明该种中草药提取物中有可能含有能够抑制群体感应蛋白的活性分子,可通过影响LasR蛋白的水溶性来实现对细菌群体感应的调控。实验结果表明有抑制作用的中草药有八角茴香(1)、何首乌(3)、石榴皮(4)、丁香(7)、苍耳子(9)、甘草(19)、秦皮(41)、大黄(46)、胖大海(60)。
2.5 β-半乳糖苷酶的活性
本实验利用QS系统中 LasR蛋白与3OC12-HSL信号分子结合而形成具有启动基因启动子作用的结合蛋白,进行调控报道基因lacZ(编码β-半乳糖苷酶)的表达;当使用邻-硝基苯-β-D-半乳糖苷(ONPG)为底物,其可被β-半乳糖苷酶裂解产生半乳糖和一个黄色的邻硝基苯酚;当LasR活性被中药活性分子抑制时,黄色的邻硝基苯酚产物浓度将会降低,故可通过测定该产物测的吸光度来确定中草药中是否含有活性成分。
ONPG被β-半乳糖苷酶裂解产生半乳糖和一个黄色的邻硝基酚。当ONPG(4 mg/mL)过剩且在混合物中酶反应超过30 min时单位时间产生的邻-硝基苯酚与β-半乳糖苷酶的浓度成正比。如图2所示,实验中有18种中草药β-半乳糖苷酶的活性均有一定程度的抑制作用,其中1~18分别为防己、虎杖、紫苑、猪苓、菊花、白芥子、赤芍、蒿本、鹿衔草、山茱萸、甘草、广藿香、茜草、两面针、薄荷、川穹、石榴皮、五倍子。通过与空白(kb)对照,可以看出18种中草药提取物抑制效果较好的是紫菀、猪苓、山茱萸和石榴皮,分别为58.7 %、60.3 %、65.4 %和64.9 %。
图1 中草药对LasR蛋白产生的影响Fig.1 Effect of Chinese herbal medicine on the production of LasR
图2 中草药活性成分对β-半乳糖苷酶活性抑制结果Fig.2 Inhibitory effects of active ingredients of Chinese herbal medicine against β-galactosidase activity
本研究针对铜绿假单胞菌的多重耐药性,采用药敏法确定了临床分离的铜绿假单胞菌株的耐药情况分布,并通过纸片扩散法筛选出具有抑菌作用的中草药。通过实验发现,81种中草药对耐药性较强的菌株无显著的抑菌作用。而对耐药性较弱的菌株,丁香、赤芍以及五倍子三种中药提取物均具有良好的抑菌效果。对于野生铜绿假单胞菌(PAO1),金银花、丁香、赤芍以及黄柏四种中药的100 %乙醇与50 %乙醇提取物,均具有较强的抑菌效果。通过抑制LasR蛋白电泳实验与β-半乳糖苷酶活性实验,从81种中草药筛选出了若干个铜绿假单胞菌的LasR群体感应抑制剂,该实验结果为今后解决铜绿假单胞菌耐药问题提供了一定的理论依据。
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(责任编辑 张晓云 梁碧芬)
Inhibitory effects of Chinese herbal medicine against multi-drug resistant Pseudomonas aeruginosa and its quorum-sensing
ZHAO Hong-yi,JIANG Fen-rong, CHEN Xiao-ya, LI Kun, PAN Guang-xiong, JIANG Li-he, ZHAO Zhong-xing, WANG Jing, LIU Hai-bo
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)
The aim of this study is to screen the bioactive molecules from Chinese medicine, which either interfere the bacterial quorum sensing in multi-drug resistantPseudomonasaeruginosaor simply inhibit its growth. TheP.aeruginosastrains isolated from clinic samples were tested for antimicrobial sensitivity using disk diffusion method. Screening of quorum sensing inhibitors from Chinese herbal medicines were carried out by monitoring the activity ofβ-galactosidase (LacZ) in reporter strains, which can be used for screening quorum-sensing signal molecules and inhibitors. The agar diffusion test results indicated that the alcoholic extracts of Clove and Radix Paeoniae Rubra showed strong antimicrobial activity againstP.aeruginosa. The SDS-PAGE gel results further suggested that the active components of Chinese herbal medicine interfered bacterial quorum sensing by reducing the amount of active LasR protein in soluble fraction or competitively binding to the signal molecules binding domain in receptor proteins.
Pseudomonasaeruginosa; multi-drug resistant; Chinese herbal medicine; quorum-sensing inhibitor
2016-05-11;
2016-06-30
国家自然科学基金资助项目(31360020;31560014);广西自然科学基金资助项目(2014GXNSFCA118003);广西大学科研基金资助项目(XGZ130080)
刘海波(1981—),男,广西梧州人,广西大学教授,博士;E-mail: lwllhb@gxu.edu.cn。
赵弘毅,蒋粉荣,陈晓娅,等.中草药对多重耐药的铜绿假单胞菌及其群体感应抑制作用[J].广西大学学报(自然科学版),2016,41(6):2031-2038.
10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.2031
O622
A
1001-7445(2016)06-2031-08