中草药对多重耐药菌的抑制作用及机制研究进展

赵永师,杜 娜,杜 艳

(1. 昆明医科大学第一附属医院检验科 云南省检验医学重点实验室,云南 昆明 650032; 2. 云南省中医医院检验科,云南 昆明 650021)

由于抗菌药物的不合理使用,甚至是滥用,细菌耐药性日益严重,多重耐药菌(multidrug-resistant organism, MDRO)的检出逐步增多,严重威胁世界各国人民的生命安全。MDRO是指对通常敏感的常用的3种或3种以上抗菌药物同时耐药的菌株[1]。临床上常见的MDRO有耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus, MRSA)、耐万古霉素肠球菌(vancomycin-resistantEnterococcus, VRE)、产超光谱β-内酰胺酶(extended-spectrum β-lactamase, ESBLs)肠杆菌目细菌、耐碳青霉烯类肠杆菌目细菌(carbapenem-resistantEnterobacterales, CRE)、多重耐药铜绿假单胞菌(multidrug-resistantPseudomonasaeruginosa, MDR-PA)、多重耐药鲍曼不动杆菌(multidrug-resistantAcinetobacterbaumannii, MDR-AB)等。MDRO感染引发严重的经济损失,欧洲每年有2.5万人死于MDRO感染,使欧盟经济损失150亿欧元[2]。MDRO感染已危及全球公共卫生安全,开发出有效的抗菌药物来对抗耐药菌已经成为解决病原菌耐药危机的迫切需求之一[3]。新型抗菌剂的开发涉及时间长及花费昂贵,并可能导致进一步的耐药[4]。因此,开发出一种不易产生耐药性的抗菌药物非常必要。中草药具有耐药性低、毒性低、价格低廉等优点,并且具有良好的抗菌效果,还可以抑制或杀灭细菌,调节机体免疫力,减少细菌耐药性的产生,甚至逆转细菌的耐药性,与抗菌药物联用具有协同抑菌作用,因而成为研究热点,深入研究中草药对MDRO的抑菌作用,研发新型抗菌药物,对临床抗MDRO感染至关重要。本文就中草药对常见MDRO的抑菌作用及机制等方面的研究进展作一综述。

1 中草药对MDRO的体外抗菌活性研究

1.1 单味中草药对MDRO的作用 许多单味中草药具有良好的抗菌活性,如黄芩、黄连、乌梅、五味子、连翘、金银花、五倍子等。这些单味中药大多数对MDRO具有抑菌作用,下面就这些中药对几种常见MDRO的抑菌作用进行阐述。

1.1.1 对MRSA的作用 金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus, SA)是引起人类感染的一种重要病原体,可引起人类皮肤、软组织和呼吸道感染,以及菌血症和心内膜炎等各种疾病。SA通常被分为MRSA和甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌(methicillin-sensitiveStaphylococcusaureus, MSSA)。MRSA同时携带耐药基因和毒力基因,使治疗更为困难。紫草具有清热解毒和活血凉血的功效,Li等[5]研究发现从紫草中提取的高脂溶性萘醌色素紫草素对MRSA具有良好的抑菌作用,可为解决MRSA感染问题提供一种替代治疗方法。

Shamsi等[6]研究发现负载没食子酸的氧化石墨烯(GAGO)对MRSA和MSSA具有抑菌活性,能够抑制细菌菌株的生长。He等[7]从三文藤根中分离出的白屈菜红碱对SA、MRSA和产ESBLs SA表现出很强的抑菌活性。综上所述,许多中草药对MRSA有抑菌作用,且抑菌效果较好,可能成为应对MRSA感染的有效治疗药物。

1.1.2 对MDR-PA和MDR-AB的作用 2021年细菌耐药监测[8]数据显示,不发酵葡萄糖的革兰阴性杆菌中检出率占前两位的是铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌。MDR-AB和MDR-PA是医院严重感染的常见病原菌,尤其是重症监护病房(ICU)[9]。由于抗菌药物的过度使用,许多之前对MDR-AB和MDR-PA有效的药物失去效力,目前能治疗MDR-AB和MDR-PA感染的有效药物很少,迫切需要开发新的治疗药物和治疗方案[10]。房华等[11-12]研究中草药对MDR-PA和MDR-AB的抑菌作用表明,赤芍、青黛、五倍子、野菊花、鱼腥草、小檗碱对MDR-PA与MDR-AB有不同程度的抑菌作用,五倍子对MDR-PA和MDR-AB的抑菌效价为512～1 024,抑菌作用最强,且五倍子与小檗碱对MDR-AB与MDR-PA的耐药性有一定的逆转作用。周琳琳[13]研究发现珊瑚姜油对MDR-AB有明显的抑菌和杀菌作用。因此,部分中草药对MDR-AB和MDR-PA具有抑菌作用,深入研究中草药的抑菌作用,有望成为MDR-AB感染患者的福音。

1.1.3 对产ESBLs大肠埃希菌的作用 产ESBLs大肠埃希菌是临床上导致血流感染的常见病原菌,携带多种耐药基因和毒力因子,对多种抗菌药物具有耐药性[14],限制了临床用药选择。桂勇等[15]研究乌梅等10味中药对产ESBLs大肠埃希菌的体外抑菌作用表明,乌梅、五味子在较低浓度时就有较强的抑菌效果,金银花对产ESBLs大肠埃希菌也有一定的抑菌作用[16]。中药活性成分小檗碱和没食子酸对产ESBLs的大肠埃希菌具有良好的抑制效果,小檗碱在浓度为16 μg/mL时能够杀灭细菌[17]。因此,多种中草药对产ESBLs大肠埃希菌具有抑菌作用,中草药可能成为治疗产ESBLs的有效药物。

1.1.4 对其它MDRO的作用 细菌耐药监测数据显示,我国临床MDRO检出率仍较高,临床分离株对常见抗菌药物的耐药率仍呈增长趋势[18],治疗困难。李海利等[19]研究穿心莲、黄芩、苦参、白头翁、芒果叶和百里香等6种中草药对多重耐药猪胸膜肺炎放线杆菌的体外抑菌效果,发现抑菌效果最强的是百里香和芒果叶。程招敏等[20]研究发现黄芩、黄连、麻黄和鸡血藤对泛耐药的肺炎克雷伯菌具有良好的体外抑菌效果,黄芩和黄连的抑菌效果最好。苦参酮能够抑制变形链球菌、MRSA、VRE的生长[21]。以上研究表明,单味中草药及提取物对MDRO具有良好的抑菌效果,为今后MDRO菌株感染的治疗提供潜在选择。

1.2 中药复方对MDRO的作用 许多单味中药具有良好的抗菌效果,通过合理的中药配伍能够提高原有的抗菌效果,扩大抑菌范围,故中药复方在MDRO中应用广泛。Liu等[22]用多重耐药尿路致病性大肠埃希菌构建小鼠模型,然后用中药扶正清热利湿方或亚胺培南处理,发现扶正清热利湿方对多重耐药尿路致病性大肠埃希菌具有抑菌作用,但不能完全清除宿主体内的细菌。胡俊辉等[23]研究发现,复方红根草片(由金银花、穿心莲、红根草、鱼腥草、野菊花5味中药组成的复方制剂)对多重耐药肺炎克雷伯菌有抑菌效果。以上研究表明,中药复方是临床治疗中中药的常用使用手段,有的单味中草药对耐药菌无抑菌作用,但几种中药联合应用抑菌作用较好,探究不同中药组合方剂对耐药菌的抑菌效果,对临床治疗MDRO感染具有重要意义。

1.3 中药联合抗菌药物对MDRO的作用 抗菌药物耐药被视为全球最严重的公共卫生威胁,中草药联合抗菌药物治疗广泛耐药的肠杆菌目细菌和非发酵菌感染,相对于常规抗菌药物单一疗法有更好的疗效[24]。孟千琳等[25]研究发现亚胺培南、美罗培南、多黏菌素B和替加环素与3种中药单体(黄芩苷、盐酸小檗碱、檞皮素二水物)能够抑制MDR-AB生物被膜形成,且中药单体与抗菌药物联用后对MDR-AB具有不同程度的协同抑菌作用,亚胺培南与小檗碱、头孢他啶与五倍子联合可以增加各自对MDR-PA的敏感性[11]。Zuo等[26]研究发现小檗碱(Ber)和 8-丙酮基-二氢小檗碱(A-Ber)能够增加阿奇霉素和左氧氟沙星对MRSA的体外抑菌作用。Lan等[27]研究发现一枝蒿的黄酮类化合物金圣草素与环丙沙星和苯唑西林结合对MRSA有抑菌作用。总之,中草药与抗菌药物联合能够降低抗菌药物用量,增加抗菌药物的抑菌效果,有效减少耐药菌株的产生,比单味中药或抗菌药物单独使用具有更广泛的应用前景。

2 中草药对MDRO的抑菌机制

2.1 影响细胞膜和细胞壁的完整性 细菌细胞膜的完整性对于维持细胞正常的生命活动非常重要。细胞膜的完整性受到破坏,会影响细胞正常的生长、发育、繁殖,导致细菌死亡。大部分中草药活性成分具有疏水基团,能与细菌细胞上不同的作用靶点结合,破坏细胞壁结构,引起细菌细胞变形。Qian等[28]研究发现,中药单体熊果酸对耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌(CRKP)有抑菌作用,主要通过破坏细胞膜完整性,并对生物膜的形成以及生物膜相关基因的表达产生强烈的抑制作用。紫草素是一种从紫草根中提取的生物活性成分,Shu等[29]研究发现紫草素脂质体对MRSA具有良好的抑菌活性,主要通过破坏细菌细胞壁和细胞膜的完整性扰乱细菌的生理活动来实现抑菌活性。Liu等[30]研究发现,富含没食子酸和木犀草素的猴耳环(神仙草)提取物对MRSA具有抑菌活性。猴耳环提取物的乙酸乙酯部分(S20b)对MRSA具有最强的抑菌活性,电子显微镜显示提取物S20b破坏了MRSA的细胞壁,增加了细胞膜的通透性。Wang等[31]研究发现,黄藤素与卡那霉素结合对多重耐药大肠埃希菌具有协同抑菌作用,抑菌机制主要为破坏细胞膜完整性。以上研究表明,部分中草药以及从中草药中提取的活性单体能够破坏细胞膜和细胞壁的完整性,改变细胞膜的通透性而发挥抑菌作用。

2.2 抑制核酸及蛋白质的合成 蛋白质的合成依赖于遗传物质的正常表达,细胞的生理活性依赖于蛋白质的正常功能。因此,当遗传物质的表达受到影响时会导致细胞功能异常。王倩[32]研究发现木犀草素可明显抑制SA可溶性蛋白及核酸的合成。薛志平[33]对复方半边莲的抑菌机制研究表明,木犀草素和黄芩素对MRSA、β-内酰胺酶阳性葡萄球菌可能通过破坏菌体的细胞壁及细胞膜的完整性和影响蛋白质的表达,导致细菌生理功能受损而发挥抑菌作用。吴玲玲[34]发现,木犀草苷(从金银花等忍冬科植物中提取的黄酮类化合物)能够抑制blaNDM-1阳性CRE的生长,可能是通过破坏细菌细胞壁及细菌DNA聚合酶,抑制blaNDM-1、blaTEM-1及blaCTX-M-9等耐药基因表达,发挥抑菌作用。白屈菜红碱的主要抑菌机制可能归因于其破坏细菌细胞膜的通道,导致蛋白质泄漏到细胞外,以及抑制蛋白质生物合成[7]。蛋白质是生命活动的承担者,核酸是细菌的主要遗传物质,因此,影响核酸和蛋白质的合成是中药发挥抑菌作用的重要机制。

2.3 抑制菌体内酶的活性 DNA拓扑异构酶是调节核酸代谢的关键酶,可以催化DNA链扩张和断裂,完成DNA的复制、转录和其它过程。中草药能够抑制DNA转录和翻译的酶,阻碍相关蛋白质的表达,影响其正常的生理活动,最终导致菌体因不能维持正常的生命活动而死亡。云宝仪等[35]研究发现黄芩素对MRSA的抑菌机制主要通过抑制DNA拓扑异构酶的活性,使其不能进行正常的复制与转录,进而抑制了下游蛋白质的翻译过程。此外,黄芩素能够抑制三羧酸循环(TCA)中琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶的活性[35]。Liu等[36]研究发现,败酱草对耐甲氧西林表皮葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusepidermidis, MRSE)在体内和体外都具有抑菌作用,败酱草能够使苹果酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶的活性下降,通过影响MRSE的能量代谢来发挥抑菌作用。以上研究表明,中草药不仅能够抑制DNA复制和转录的酶,影响核酸的合成,还能够影响细胞代谢酶,影响细胞的能量代谢和呼吸代谢,从而发挥抑菌作用。

2.4 抑制细菌生物被膜形成 生物被膜富含多糖、蛋白质、DNA、RNA、肽聚糖、脂和磷脂等有机成分,附着于有生命或无生命物体表面,具有半透膜特性。Wang等[37]研究发现银杏叶外果皮提取物能够抑制耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌(CRAB)的生长,通过改变相关基因表达来抑制SA和MRSA生物膜的形成[38]。Pu等[39]研究发现,地榆根的乙醇提取物对鲍曼不动杆菌和SA有抑菌作用,并且能够抑制SA生物膜的形成和细菌毒素的产生。Di等[40]研究发现,啤酒花提取物对多重耐药的SA和表皮葡萄球菌具有抑菌作用,并且能够抑制生物膜的形成。以上证据表明,中草药能够抑制细菌生物膜的形成和细菌毒素的产生,并且能够调节生物膜相关基因的表达,抑制细菌生物膜的形成来发挥抑菌作用。

2.5 消除耐药质粒 质粒是染色体外具有独立复制能力并对细菌生存非必需的小型共价闭合环状双链DNA分子,在细菌细胞内普遍存在。Oyedemi等[41]研究发现,从菲利宾野桐中提取的酚类化合物对MRSA具有抑菌活性,并且能够抑制R质粒的结合转移能力。陈晴等[42]研究发现,黄柏等10种中草药对MRSA具有较强的抑制作用,其中黄柏和甘草的抑菌作用最强,且对MRSA的质粒具有消除作用。汪东海等[43]研究发现,黄芩苷能够消除鲍曼不动杆菌低水平耐药菌株携带的质粒,恢复菌株对庆大霉素和环丙沙星的敏感性,抑制鲍曼不动杆菌生长。张娟[44]在中药对产ESBLs大肠埃希菌耐药消除效果的研究中,通过耐药基因检测,选出3株MDRO(E1、E2、E3),乌梅对菌株E1和E2的耐药消除效果最好,黄芩对菌株E3的消除效果最好。中草药通过消除耐药质粒和耐药基因,逆转细菌的耐药性,恢复耐药菌对抗菌药物的敏感性,可能是中草药控制细菌多重耐药的机制之一。

2.6 抑制细菌外排泵 细菌外排泵是存在于细菌细胞膜上的一类蛋白质,许多细菌可以通过外排泵系统将进入细胞内的抗菌药物泵出细胞外,使菌体内的抗菌药物浓度降低而导致耐药。黄瑞玉等[45]研究发现,连翘水煎剂可以降低环丙沙星对MDR-AB的最低抑菌浓度,影响鲍曼不动杆菌的主动外排泵,并可引起主动外排泵编码基因adeB序列发生变异。Pal等[46]研究发现,槲皮素抑制耐碳青霉烯类大肠埃希菌(CREC)、CRKP、耐碳青霉烯类铜绿假单胞菌(CRPA)和CRAB的碳青霉烯酶的外排泵活性,槲皮素是耐碳青霉烯类革兰阴性菌感染的潜在辅助用药。中草药通过影响外排泵的基因、阻碍外排泵的通道等发挥抑菌作用。

2.7 其它机制 中草药对MDRO的抑菌机制,除了已知的常见抑菌机制,还有一些新发现的抑菌机制。Cech等[47]研究发现,白毛茛叶提取物对MRSA有体外抑菌活性,并且对MRSA菌株显示出群体淬灭活性。此外,王亚男等[48]研究发现,芦丁能够抑制MRSA对纤维蛋白原和纤维蛋白的黏附作用。从肉桂、牛至、百里香和丁香中提取的精油对多重耐药大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、SA等细菌具有抑菌作用,并主要通过抗群体感应系统发挥抑菌作用[49]。还有一些其它抑菌机制不明确,还需进一步研究。几种中草药及有效成分对MDRO的抑菌机制见表1。

表1 sub-MIC抗菌药物对SA生物膜的作用

表1 中草药及有效成分对MDRO的抑菌机制

3 结论与展望

世界卫生组织已把细菌耐药性作为一个主要公共健康问题,面对当前的耐药性危机和新药研究与开发的难题,找到一种更有效、更安全的替代治疗耐药细菌感染的方法至关重要[50]。中草药对MDRO具有较好的抑菌作用,特别是清热解毒和清热燥湿类中药。不同的中草药按照一定比例配伍具有较好的抑菌效果,中草药联合抗菌药物也具有良好的抑菌效果,能够提高抗菌药物对耐药菌的敏感性,为解决细菌耐药问题提供了新的途径。以上研究表明,中草药主要通过破坏细胞膜和细胞壁的完整性进而改变细胞膜的通透性、抑制DNA和蛋白质的合成、抑制酶的活性、抑制细菌生物膜形成、消除耐药质粒、抑制外排泵等机制发挥抑菌作用。部分中药能够通过多种机制发挥抑菌作用,具有多靶点抑菌作用的中草药是对抗耐药菌的有效途径,加强中草药对MDRO的抑菌作用和抑菌机制的研究,对于开发新的抗菌药物和解决细菌耐药问题具有重要意义。

中草药作为抗菌药物效果明显,应用前景广阔。目前主要集中于体外抑菌作用的研究,体内研究较少,尤其缺乏明确的体内药代药效学、药物剂量研究,在临床广泛应用的难度大。

利益冲突:所有作者均声明不存在利益冲突。