天然产物抑制肺炎链球菌研究进展

徐 炎 ，孔一卜，杨福双，王中天，姚 博，孙丽平

（1.长春中医药大学，长春 130117；2.长春中医药大学附属医院，长春 130021）

肺炎链球菌是世界范围内引起社区获得性肺炎的主要原因，是5 岁以下儿童死亡的主要原因之一。抗生素是治疗肺炎链球菌的有效手段，但2019 年1 月世界卫生组织发布的《全球抗菌药物耐药性监测系统（GLASS）报告》，揭示了一个令人担忧的现实：全球范围内抗生素耐药的出现和扩散，正在威胁人们治疗传染性疾病的能力，进而导致疾病治疗周期延长、残疾和死亡的发生，同时增加医疗成本。因此，寻找新的方法治疗肺炎链球菌性疾病是非常有必要的，天然产物是指动物、植物提取物（包括中药）或昆虫、海洋生物和微生物体内的组成成分或其代谢产物的统称，已成为治疗重大疾病的药物或重要先导化合物的主要来源。本文总结了近年天然产物抑制肺炎链球菌的报道，并且探讨了天然产物抑制肺炎链球菌的最新进展和具体机制。

1 天然产物抑菌的MIC、MBC、IZD

中华民族早在几千年前已经使用植物药物作为治疗疾病的有效手段，且沿用至今。现代研究发现使用植物中提取的天然产物治疗肺炎链球菌性疾病几乎无不良反应。已知植物中的抗菌特性依赖于有效化合物的存在，主要为醌类、酚类、生物碱、黄酮类化合物、萜类化合物、精油、单宁、木质素、葡萄糖苷和一些有待探索的次级代谢物。然而现有天然产物的研究大多处在单纯探索MIC（最小抑菌浓度）、MBC（最小杀菌浓度）和IZD（抑制区直径）的初级阶段，其具体是何种机制产生的抑菌作用尚不清楚。当然对医学进程的发展来说，探索过程必不可少，未阐述机制的近5 年有关天然化合物的抑菌作用[1-15]，见表1。

表1 天然化合物的抑菌作用

2 天然产物抑菌机制

天然产物作为药物应用于临床的先决条件是“安全、有效、质量可控”，这意味着要大规模推广天然产物作为细菌抑制剂，必然要对其进行具体、深入的机制研究，阐述其机制。已有很多研究进行了深入探索，其中针对毒力因子的探索是非常有前途的抑菌策略，与抗生素协同增效作用意味着天然产物是下一代抗菌药物的粗胚，纳米技术则是现代科技与生物技术结合的典型代表，具体如下。

2.1 天然产物与肺炎链球菌毒力因子 肺炎链球菌的致病过程包括传播、定植和侵袭。毒力因子是其致病的根本原因，减少毒力因子的生产量或者中和毒力因子的毒性是一种很有前途的抑菌方法，因为没有直接抑制细菌的繁殖和生长，所以不会对菌群产生进化压力。目前对毒力因子的研究集中在肺炎链球溶血素（PLY）、神经氨酸酶（NAS）和生物膜的形成方面。

2.1.1 抑制PLY 的成孔活性 肺炎链球溶血素（PLY）作为重要的毒力因子，参与了整个致病过程。首先，PLY 的表达可提升肺炎链球菌在体外的存活率，肺炎链球菌侵入人体后，PLY 的释放可以减少呼吸道上皮细胞的纤毛摆动，从而减少肺炎链球菌被纤毛清除的数量，以助于肺炎链球菌侵入上皮细胞的胞吞作用。同时PLY 还直接破坏上皮细胞，破坏上皮屏障，促进肺炎链球菌突破内皮进入血液。整个侵袭过程PLY都能帮助肺炎链球菌有效的躲避吞噬细胞的吞噬[16]。PLY 由4 个结构域构成复杂的空间结构，大量PLY单体在室温下可以形成螺旋寡聚体，这种低聚物呈现出类似于孔隙状态的弯曲蛋白构象。研究者通过探索植物中提取的天然产物干扰PLY 的生物活性来限制其细胞毒性：天然产物通过氢键和疏水作用插入PLY的结构域3 和4 之间的裂缝中，从而阻断PLY 的成孔活性，减少肺炎链球菌的致病性，减轻肺部炎症的作用[17]。

2.1.2 抑制NAS 生物活性 肺炎链球菌共有3 种神经氨酸酶（NAS）：NanA，NanB 和NanC。NanA 是在所有肺炎链球菌菌株中最稳定表达的神经氨酸酶，水解后可释放N -乙酰-神经氨酸，对肺炎链球菌的定值、生物膜的形成及引起宿主脓毒血症具有重要作用。NanB 对唾液酸(SA)的体外去糖基化有一定的促进作用，是从α2，3 -唾液酸苷转移到其他糖联物上的反式唾液酸酶，其底物与NanA 有很大的不同，维持活性所需的pH 也不尽相同（NanA 的pH 为5.5～6.5，NanB 的pH 为5.0～5.5），但对肺炎链球菌的定值、生物膜以及宿主脓毒血症仍有很大作用。NanC 在肺炎链球菌中很少有表达。流感病毒具有相似的神经氨酸酶（NA）的结构和功能，而且流感病毒与肺炎链球菌有着“致命的协同作用”。流感病毒可以通过NA 向肺炎链球菌提供黏附受体和营养物质，增加肺炎的严重程度和致死率[18]。所以，天然产物抑制NA 的活性不仅可以抑制肺炎链球菌的生物活性，还可以抑制流感病毒的生物活性[19]。除此之外，天然产物还可以抑制肺炎链球菌黏附和生物膜的形成[20]。

2.2 天然产物与群体感应 群体感应（QS）机制是“细胞对细胞的交流”，微生物能够在复杂的环境中协调一致，以“团队作战能力”使整个种群更好地存活下来。细菌通过感应自诱导物(AI)的浓度，对周围的细菌数量进行判断。当自诱导物达到一定阈值时，在群体范围内调控一些基因（调控毒力因子分泌和生物膜形成）的表达来适应环境的变化。自诱导剂-2（AI-2）是肺炎链球菌中的QS 信号分子，S-核糖基高半胱氨酸裂解酶（LuxS）和5’-甲硫腺苷（pfs）是AI-2 分子合成途径中两个重要且必需的基因。ComABCD 操纵子途径是肺炎链球菌QS 机制的另一种表现，该操纵子产生17 残基信号肽[能力刺激肽（CSP）]，ComD 基因编码CSP 组氨酸激酶受体，在ComQS 途径中具有重要作用。天然产物能有效减少LuxS、pfs 和ComD的基因表达[21]，从而影响细菌群体感应系统，减少细菌毒力因子分泌和生物膜的形成。

2.3 天然产物和抗生素的协同增效 很多天然产物与抗生素有着相似的作用，包括破坏肺炎链球菌生物膜、降低脂肪酶、凝固酶活性和ATP 酶活性等，天然产物与抗生素的组合是可以克服细菌耐药性问题的有效手段[22]。两者合用可以恢复细菌对抗生素的敏感性，降低抗生素的有效剂量，从而最大限度地减少抗生素不良反应，延长抗菌谱，降低抗感染治疗的成本。

2.4 天然产物和纳米技术结合 纳米材料具有合成制备较易、生物相容性好、能够通过作用微生物多个靶点同时发挥抑菌活性等优点，使用微生物、植物和海藻等天然产物与氧化锌、纳米金、纳米银、纳米铜等合成的新型纳米材料有着经济、高效的巨大优势[23]，开发利用这些材料的抑菌特性，将有利于控制和降低细菌性疾病的发病率，达到替代或减少抗生素的使用、提高人类健康水平的目的。

3 讨论

抗生素耐药是二十一世纪对人类健康的最大威胁之一，对碳青霉烯类和多粘菌素B 等耐药菌株的发现更是引起了对“抗生素后时代”的恐慌。面对可能发生的感染性疾病无药可用的现象，人类不断进行着新的探索。本文介绍了天然产物治疗肺炎链球菌性疾病的有效方法。大多数天然产物都有直接抑菌的功效，且部分天然产物与抗生素的杀菌作用有着相似的作用。天然产物还可以抑制肺炎链球菌的定值和侵袭，减少肺炎链球菌的黏附数量，降低发病率。值得注意的是，天然化合物并不一定能直接抑制肺炎链球菌的生长，在不影响肺炎链球菌毒力因子分泌的情况下，减少毒力因子的活性、降低细菌膜的通透性、防止细胞外和细胞内微生物酶的产生、中断细菌代谢途径或破坏菌斑和生物膜形成都是天然化合物有效抑菌的独特手段。所以天然化合物作为肺炎链球菌的治疗药物是合理的。当然从植物、动物或其代谢产物中鉴定和分离阳性天然产物仍然是一个挑战，相信随着科技手段的进步，更多的有效天然化合物会被筛选出来并应用到医疗、食品领域，必然会成为解决耐药微生物这一全球性问题的解决方案。