黄连及其提取物防治肺部感染的研究进展

冯晓明 钱前 李松 顾明华 李红芳

肺部感染是由多种病原菌引起的肺炎病变,可引起咳嗽、咯痰、呼吸困难、胸痛等,通常经抗感染治疗后病情可治愈,若抗感染不利将给肺部结构和功能造成不同程度的损伤[1]。黄连是典型的清热解毒药物,含有多种活性成分。现代药理研究发现,黄连具有广泛的抗菌、抗炎作用,临床可用于感染性肺炎、急性肺损伤等多种病变的治疗[2-3]。黄连的抗菌作用已获得多个研究证实[4],但防治肺部感染的作用机制尚未完全阐明。故本研究通过整理黄连及其提取物用于肺部感染的研究,阐述其作用机制,为黄连的临床运用提供循证支持。

1 黄连及其提取物对多种病原菌具有抗菌活性

多种细菌、病毒、肺炎支原体等是导致肺部感染的主要原因,其中肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌、流感病毒、冠状病毒是引起肺部感染最常见的病原菌[5]。病原菌可在呼吸道黏膜进行定植,从而引发局部免疫应激反应,进而造成肺泡水泡、出血等病理损伤[6]。多个研究将黄连及其提取物用于多种主要病原菌的细菌培养实验,验证其抗菌活性。黄连及其提取物可通过对肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌、流感病毒、冠状病毒等多种病原菌发挥抗菌活性,进而显著减轻肺部感染程度,降低肺部组织的损伤程度。

1.1 抑制肺炎克雷伯菌感染

程招敏等[7]研究结果证实,黄连颗粒制剂的水溶液对泛耐药肺炎克雷伯菌的抑菌圈直径为12(11,13)mm,黄连的最低抑菌浓度为64 ng/mL。2 mg/mL的黄连可导致细菌细胞外碱性磷酸酶的活性显著降低,提示黄连抗泛耐药肺炎克雷伯菌的机制与改变细菌细胞膜通透性有关。任鹏等[8]研究将黄连水煎剂用于治疗产超广谱β内酰胺酶肺炎克雷伯杆菌引起的肺部感染大鼠的实验,结果显示,48 g/L的黄连水煎剂使大鼠的体重比升高,其作用与莫西沙星相当,还能显著降低大鼠血液中性粒细胞的水平,说明黄连对产超广谱β内酰胺酶肺炎克雷伯杆菌具有一定的抗菌活性。周晓元等[9]将黄连素用于干预肺炎克雷伯菌的体外细菌培养实验发现,500 mg/L的黄连素在4～10小时可显著降低肺炎克雷伯菌的细菌繁殖速率,但其作用低于环丙沙星。Hasan M F等[10]将小檗碱制作成载硒纳米粒子的结构,显著提高了小檗碱抗真菌活性,400 mg的小檗碱对肺炎克雷伯菌、白色念珠菌的抗菌效果明显。载硒纳米粒子为提高小檗碱的生物利用度提供了参考。

1.2 抑制铜绿假单胞菌感染

罗予等[11]研究运用黄连水煎液联合头孢菌素用于多种病原菌进行体外实验,结果显示,31.25～125 mg/mL的黄连水煎液联合头孢他啶使用的抑菌环直径明显高于头孢他啶单独使用,黄连水煎液有助于降低头孢他啶的使用率,增强头孢对肺炎克雷伯菌、金葡萄球菌、铜绿假单胞菌的抗菌作用。

1.3 抑制鲍曼不动杆菌感染

叶冠龙等[12]体外实验结果发现,黄连对鲍曼不动杆菌62.50%的高度敏感菌及37.50%中度敏感菌具有抑菌作用,且对产β-内酰胺酶鲍曼不动杆菌的最小抑菌浓度(minimum inhibitory concentration,MIC)为13.4～31.6 mg/mL,表现出黄连对鲍曼不动杆菌的体外抑菌效果。

1.4 抑制金黄色葡萄球菌的生长

孟治平等[13]研究将小檗碱制作成粉雾剂并用于金黄色葡萄球菌诱导的肺炎小鼠的治疗,结果显示,经过喷雾干燥制备的粉雾剂的肺部沉降率高达76.4%,12 mg/kg的小檗碱能显著减轻小鼠肺泡萎缩、膈肌增厚、炎症细胞浸润等病理改变,进而降低肺匀浆中白细胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)的水平,其效果与青霉素类似,认为小檗碱制作成的粉雾剂可用于金黄色葡萄球菌肺炎的治疗。

1.5 抑制肺炎链球菌的生长

王蓉等[14]使用小檗碱干预肺炎链球菌感染的A549细胞的体外实验发现,25、50、100、200 μg/mL的黄连素对肺炎链球菌的侵袭数量的降低呈剂量依赖性,达到100 μg/mL时肺炎链球菌的侵袭数为0,可发挥显著抗肺炎链球菌作用。

1.6 抑制流感病毒感染

Yan Y Q等[15]运用黄连素治疗流感病毒感染的小鼠,结果显示,20 μg/mL的黄连素对病毒的发挥细胞毒性作用,强效抑制甲型流感H1N1病毒在肺内的复制,减轻病毒引起的肺部细胞坏死、水肿、炎症浸润、上皮细胞丢失,减轻肺部细胞的病理改变。

1.7 抑制冠状病毒的生长

Majdalawieh A F等[16]研究综述了小檗碱可通过降低细胞因子风暴、调节Th1/Th2平衡、增强细胞免疫反应等途径降低新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019,COVID-19)引起的炎症反应,还能作用于新型冠状病毒上的主要蛋白酶、血管紧张素转换酶2受体、刺突蛋白三个靶点,发挥抑制冠状病毒的作用。一项使用计算建模技术寻找黄连素防治COVID-19和重症急性呼吸综合征(sever acute respiratory syndrome,SARS)的作用机制研究中,黄连素对COVID-19和SARS的共同生物靶点有19个,基因本体论研究结果显示,黄连素可通过细胞凋亡、细胞增殖、调节宿主系统反应等方面发挥疗效。经化合物靶向途径疾病网络研究确认,黄连素可通过作用于核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)p53、甘油醛3磷酸脱氧氢酶等关键蛋白质,黄连素还能抑制多种炎症因子的分泌,以降低病毒感染引起的组织损伤,结果证实黄连素可作为临床治疗COVID-19和SARS感染的候选药物[17]。

2 黄连及其提取物提高抗生素的抗菌活性

随着抗生素的广泛运用,肺部病原菌的耐药性日益突出,耐多药肺炎克雷伯菌、多重耐药鲍曼不动杆菌等耐药菌的出现,限制了常规抗生素的抗菌活性[18]。多个研究通过将黄连及其提取物与多种抗菌药物进行单独和联合体外实验,探讨其联合抗菌作用。黄连及其提取物可通过与环丙沙星、亚胺培南、美罗培南、舒巴坦、利福平、多黏菌素B等多种抗菌药物发挥协同作用,不仅能降低病原菌的耐药性,还能降低抗菌药物的MIC,提高抗生素的抗菌活性,发挥协同或相加的抗菌作用。

一项将黄连素与环丙沙星联合用于肺炎克雷伯菌培养的实验发现,500 μg/mL的黄连素与1/2MIC的环丙沙星降低细菌的繁殖速率明显高于二者单独使用,且在细菌对数生长期就可发挥抗菌活性,可能的原因为黄连素增加了肺炎克雷伯菌对环丙沙星的敏感性[9]。苏杞敏等[19]将黄连素联合左氧氟沙星用于肺炎克雷伯菌的细菌培养研究发现,500 μg/mL的黄连素能显著增强左氧氟沙星的抗菌效果,显著降低耐药突变选择窗,是耐药株和敏感株对左氧氟沙星的MIC降低20%和33.3%。

Zhou X Y等[20]使用小檗碱联合环丙沙星干预耐多药肺炎克雷伯菌的实验发现,128～1 024 μg/mL的小檗碱能显著降低环丙沙星的MIC至少2倍,二者联合使用表现出相加性和协同作用,减少耐药菌的发生。Mahmoudi H等[21]运用黄连素干预耐药性鲍曼不动杆菌,结果显示,鲍曼不动杆菌对环丙沙星、亚胺培南的耐药性达94.7%和97.4%,使用2～128 μg/mL黄连素联合干预后,显著降低了鲍曼不动杆菌的耐药性,提高了环丙沙星、亚胺培南的抗鲍曼不动杆菌的活性。Li X B等[22]在运用小檗碱联合多种抗生素治疗抗多重耐药鲍曼不动杆菌感染的肺炎小鼠的实验中,发现20 mg/kg的小檗碱对多重耐药鲍曼不动杆菌有轻微的抗菌活性,能显著降低多重耐药鲍曼不动杆菌对美罗培南、环丙沙星、舒巴坦的耐药性,使美罗培南、舒巴坦的MIC从32 mg/L下降至1 mg/L,使环丙沙星的MIC从64 mg/L降至2 mg/L,证实小檗碱可显著增强环丙沙星的抗菌活性。

干铁儿等[23]对耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌运用黄连素联合亚胺培南西司他丁进行体外培养结果显示,2 048 μg/mL的黄连素与4～128 μg/mL的亚胺培南西司他丁联合分级抑菌浓度(fractional inhibitory concentration,FIC)中位数为0.875,二者联合可发挥相加的抗菌作用,暴露72小时可显著降低耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌对亚胺培南西司他丁的耐药性,进而提高协同抗菌效果。一项将小檗碱与多种抗菌药物联合治疗耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌的实验发现,10～5 120 μg/mL的小檗碱联合利福平、多黏菌素B可发挥协同和相加的作用,使抑菌百分率曲线明显左移,以降低抗菌药物的单药所需MIC。结果证实小檗碱能增强利福平、多黏菌素B对耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌的抗菌效果[24]。

3 黄连及其提取物可降低炎症反应

病原菌感染可激活宿主的氧化应激反应,尤其发生于呼吸道、血管、肺部组织等,病原菌可促使大量炎症细胞激活,促进花生四烯酸的分泌[25]。病原菌感染还能诱导NF-κB信号通路的激活,促使NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)炎症小体、T细胞活化,进而促使多种炎症因子的分泌,引起发炎症级联反应,加重呼吸道的炎症损伤[26]。黄连及其提取物可通过抑制多种炎症因子释放、阻止NF-κB激活、抑制NLRP3炎症小体活化、调节T细胞免疫反应、降低粘附分子的释放、抑制磷脂酶A2(Phospholipase A2,PLA2)的释放,降低病原菌引发的炎症反应,减轻肺组织和肺泡的损伤,减轻肺部水肿、出血、变性等病理损伤。

3.1 通过抑制多种炎症因子的释放

王嵩等[27]使用黄连素治疗肺炎衣原体滴鼻感染的模型小鼠,结果显示,18 mg/kg的黄连素能显著降低小鼠IL-1β、超敏C反应蛋白的表达,降低小鼠血管内皮中浸润单核细胞的数量,降低热休克蛋白-70的染色系数,提示黄连素可通过抑制肺炎衣原体引起多种炎症因子的表达,以降低炎症反应。

3.2 抑制NF-κB的激活减轻炎症反应

朱雪娟等[28]运用黄连素治疗铜绿假单胞菌诱导的肺炎大鼠的实验发现,200 mg/kg的黄连素能显著降低大鼠白细胞的数量,降低大鼠支气管肺泡灌洗液中的IL-6、TNF-α的水平,明显减轻大鼠髓过氧化物酶的活性,抑制NF-κB、NF-κB抑制蛋白的表达,提示黄连素能通过抑制NF-κB信号通路激活降低铜绿假单胞菌诱导的炎症反应,降低肺组织的白细胞聚集。

3.3 抑制NLRP3炎症小体活化减轻炎症反应

An C等[29]使用黄连素治疗流感病毒性肺炎小鼠的实验发现,10 mg/kg的黄连素能有助于减轻小鼠体重降低,减少小鼠的存活率,使小鼠免受H1N1的攻击,还能降低肺充血、间质性水肿、炎症细胞渗出等肺部病理改变,降低肺匀浆中IL-6、TNF-α的水平,但对病毒增殖抑制作用不明显。结果证实,黄连素可通过阻止NLRP3炎症小体活化,降低肺部多种炎症介质的分泌,进而减轻肺部的炎症反应。Liu H等[30]使用小檗碱治疗流感病毒引起的肺部感染小鼠的实验中,16.8 μmol/L的小檗碱能显著抑制小鼠肺组织中NLRP3炎症小体的活化,降低线粒体活性氧的水平,增强线粒体微管相关蛋白轻链3II、p62的水平,促进线粒体自噬,进一步减轻肺部水肿、出血、变性等病理损伤,证实小檗碱可通过阻止NLRP3炎症小体活化以降低流感病毒引起的肺部炎症损伤。

3.4 调节T细胞免疫反应减轻炎症反应

一项黄连素用于病毒诱导的小鼠肺部感染的实验发现,20 mg/kg的黄连素能组织病毒引起的肺部Toll样受体7、NF-κB、髓样分化因子88蛋白的表达,显著降低Th1/Th2、Th17/Treg的比例,进而抑制γ干扰素、TNF-α、IL-1β的表达,结果证实黄连素通过抑制T细胞免疫反应降低病毒引起的炎症反应,减轻肺组织损伤[31]。

3.5 降低粘附分子的释放减轻炎症反应

一项小檗碱治疗流感病毒性肺炎小鼠的实验发现,0.005 g/kg的小檗碱能显著降低小鼠肺组织中细胞间粘附分子-1、血管细胞粘附因子-1的表达,进而降低肺泡灌洗液中单核细胞、嗜酸粒细胞的水平,结果证实,小檗碱可通过调控粘附分子的表达以减轻流感病毒引起的肺部炎症反应[32]。

3.6 降低PLA2的释放减轻炎症反应

吴莹等[33]使用小檗碱治疗流感病毒性肺炎小鼠的实验发现,0.005 g/kg的小檗碱可显著降低肺水肿和肺血管通透性,降低支气管肺泡灌洗液蛋白的水平,显著降低肺组织中白三烯B2、PLA2、前列腺素E2的表达。结果表明,小檗碱通过抑制PLA2的表达,进而减轻流感病毒引起肺部的炎症损伤。

4 黄连及其提取物对肺部血管的影响

肺炎衣原体是种常见的革兰氏阴性菌,通过引发肺部感染,促使肺部血管内皮细胞发生炎性损伤,进而促进动脉粥样硬化和新生血管的形成,提高机体并发症的发生风险[34]。黄连及其提取物可通过降低肺部血管内皮损伤,抑制新血管形成,阻止肺纤维化,以降低肺部损伤,对肺部血管发挥保护作用,延缓动脉粥样板块的形成。

4.1 减轻血管内皮损伤

王嵩等[27]在运用黄连素治疗肺炎衣原体感染的小鼠的实验中发现,10 mg/kg的黄连素能促使高密度脂蛋白的水平升高,促使三酰甘油、低密度脂蛋白的水平降低,显著降低小鼠动脉硬化指数,其作用与立普妥的作用相当。电镜下观察发现,黄连素能保护血管内皮细胞和平滑肌细胞的完整性,降低细胞破坏和空泡的出现,结果证实黄连素能通过降低肺炎衣原体感染引起的血管内膜损伤,延缓动脉粥样硬化进程。

4.2 抑制新血管的形成

权伟等[35]将黄连素用于肺炎衣原体的体外研究发现,100、150、200 mmol/L的黄连素能呈浓度依赖性和时间依赖性阻止血管内皮细胞迁移的距离和数量,降低内皮细胞中磷脂酰肌醇-3激酶基因的表达及酶的活性,提示黄连素能抑制肺炎衣原体诱导的细胞内皮迁移,进而有助于降低病理性血管新生及动脉粥样硬化变化。

5 黄连及其提取物阻止肺纤维化进程

COVID-19造成的肺部损伤与肺纤维化密切相关,肺部瘢痕形成可导致呼吸道壁增厚,导致呼吸道狭窄,影响呼吸功能减退[36]。黄连及其提取物可通过阻止肺纤维化进程,减轻COVID-19引起的肺部症状,提高患者的呼吸功能。

Cao J等[37]研究利用网络药理学和分子学分析黄连素对COVID-19肺炎的肺纤维化的作用机制发现,黄连素可作用于COVID-19肺炎纤维化23个靶向基因,经STRING数据库分析结果显示显示,黄连素可通过作用于转录激活剂3、IL-6、趋化因子配体2、TNF-α四个核心基因调节细胞的代谢,发挥抗肺炎纤维化进程。

6 结语

肺部感染是导致人类肺炎相关性死亡的重要原因,尤其是近年来的COVID-19大流行,给人类的生命健康造成严重威胁[38]。中医药在肺部感染的治疗中具有良好优势,中医药成为国内外多位学者的研究方向[39]。黄连及其提取物能通过抗菌、增强抗生素抗菌活性、降低炎症反应、减轻肺血管内皮损伤、组织肺纤维化等多种途径,发挥防治肺部感染的作用。黄连的水提液和颗粒剂的成分较为复杂,混合药液中发挥药效的成分尚不明确。目前针对黄连有效成分的研究集中于黄连素,对黄连其他有效成分研究尚不足,建议后续研究多从黄连碱、甲基黄连碱等其他成分进行研究,以扩大对黄连临床使用的循证支持。同时针对黄连素发挥药效的最低有效药物浓度也存在较大差异,其毒效关系也需进一步探究。望后续研究者开展黄连用于肺部感染的多样本的临床研究,为黄连的临床运用提供更佳的证据。