来源于植物提取物的群体感应抑制剂抑制痤疮致病菌机制的研究进展

罗丽棋, 郑柳琪, 卢静怡, 张海, 白莉

南京医科大学康达学院,江苏 连云港 222000

痤疮是一种毛囊皮脂腺的慢性炎症皮肤病,以粉刺、脓疱等特征形式存在,好发于脸部、背部等皮脂腺较发达的部位[1]。痤疮属于高发皮肤疾病,已成为全球第八大慢性疾病,在青少年中发病率甚至高达93%[2]。此外,因空气污染、食品重盐重油、生活作息不规律等诱导因素,痤疮患病率逐步升高[3]。痤疮的发生与雄激素作用导致的皮脂大量分泌及皮脂成分的改变,痤疮丙酸杆菌(Cutibacteriumacnes,C.acnes)等痤疮致病菌的定植,毛囊皮脂腺导管角化异常以及遗传、饮食、作息等相关[4]。目前治疗手段主要为抑制皮脂腺的分泌,减轻炎症,控制痤疮致病菌的繁殖,调节激素水平;严重者往往要采用外用药物和内用药物联合治疗数月才能完全清除[5]。而由于治疗中抗生素的长期使用以及不适当的用药方式,患者极易产生耐药性,治疗难度加大[6]。以副作用较少的植物提取物类的群体感应抑制剂作为治疗药物,通过群体淬灭(quorum quenching, QQ)的机制,降低痤疮致病菌的菌群密度,抑制毒力因子的生成和生物膜的形成,有望成为一种解决耐药性问题的新治疗方案。本文主要综述来源于植物提取物的群体感应抑制剂对痤疮致病菌的抑制机制研究进展。

1 痤疮与群体感应

1.1 群体感应

群体感应(quorum sensing, QS)近年一直是科学研究领域的热点之一。细菌在生长发育过程中往往会释放一种独特的信号分子,激发细菌本身的相关基因启动,当细菌达到一定密度,信号分子达到一定的阈值时,相关基因的表达继而形成了单个菌体或少数菌落都不能形成的生理表现特征以提高自身竞争力,适应外界环境的现象称为QS[7]。越来越多的研究表明,QS在细菌致病基因表达、生物被膜形成、抗生素及细菌素的产生等方面起到关键调控作用[8]。

QS主要分为3类:革兰氏阳性菌的双组分QS系统、革兰氏阴性菌的LuxI/LuxR QS系统、革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌共用的LuxS/AI-2 QS系统,其信号分子分别为寡肽类信号分子AIPs,类酰基高丝氨酸内酯分子AHLs,呋喃酮衍生的信号分子AI-2[9]。AI-2 QS系统是存在于众多菌种的QS系统中较为广泛分布的一个系统,AI-2信号分子的生物合成主要有两种途径:依赖于LuxS序列所表达的LuxS酶;不依赖LuxS序列而由磷酸核酮糖异构生成[10]。对AI-2信号分子的研究常利用仅对AI-2信号分子发生反应并发光的哈维氏弧菌BB170所表现的发光强度反映AI-2信号分子的活性[11]。

1.2 痤疮丙酸杆菌的群体感应机理

痤疮的主要致病菌痤疮丙酸杆菌的QS在国内外的相关研究还尚未成熟,迄今为止,还未发现任何对AI-2有反应的受体或痤疮丙酸杆菌的信号转导系统,也就意味着,还未有胞内证据明确表明痤疮丙酸杆菌的QS[12]。但在胞外研究中,通过AI-2信号分子检测技术,显示拥有AI-2信号分子所依赖的编码LuxS蛋白的同源序列的痤疮丙酸杆菌胞外存在大量AI-2信号分子的聚集,并在成熟生物膜状态下的胞外AI-2水平远远高于游离状态下胞外AI-2水平[13]。AI-2信号分子刺激了脂肪酶活性的增加,在其作用下毒力因子游离脂肪酸(FFAs)大量增加,激活受体TLR2和TLR4,随释放炎症细胞因子和危险信号,最终引起皮肤的炎症反应引发痤疮的发生[12]。目前研究推断显示,相对于另外两种QS系统,AI-2 QS系统在痤疮丙酸杆菌中存在的可能性更大。

1.3 金黄色葡萄球菌的群体感应机理

痤疮的相关致病菌有金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,S.aureus)、表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis,S.epidermidis)等。在金黄色葡萄球菌与表皮葡萄球菌中都明确发现存在由寡肽类信号分子AIPs介导的辅助基因调节器(accessory gene regulator,agr)系统和luxS/AI-2系统两种QS系统[14]。以金黄色葡萄球菌为例,在其Agr系统中,agr基因是由两个转录物RNAⅡ和RNAⅢ组成[15],RNAⅡ是agrABCD四种因子的编码结构,其中,自诱导肽AIP由被agrB转化下的agrD形成,当AIP累积到一定的阈值时激发agrC发生磷酸化改变,进而激活agrA[16],分别由P2、P3控制转录的RNAⅡ和RNAⅢ在agrA的作用下加快转录效率,促使agrABCD生成与毒力因子对人体的作用,细菌生物被膜在皮肤上的定植、成熟、分化、迁移等起关键性调节作用[17]。对于AI-2 QS系统,不同细菌中基因表达方式不同,在金黄色葡萄球菌中,AI-2信号分子激活抑制子icaR转录,最终减弱生物膜的形成[18]。AI-2 QS系统对荚膜多糖合成酶基因和二元信号系统kdpDE基因的转录均起下调作用,减少表面多糖与多糖黏附素的形成,使金黄色葡萄球菌在某些基因的表达下协调行为逃逸宿主吞噬细胞的吞噬功能,达到在皮肤上菌群繁殖与扩散的作用[19]。

2 利用植物提取物的群体淬灭机制抑制痤疮致病菌

2.1 群体淬灭和群体淬灭抑制剂

根据QS的原理,通过阻断QS信号分子的合成使其降解,利用QS信号分子类似物竞争结合受体蛋白等以干扰群体感应的方式即为群体淬灭[20]。基于此原理能达到群体淬灭作用的物质即为群体感应抑制剂(quorum sensing inhibitors,QSI)[21]。

2.2 痤疮丙酸杆菌的植物提取物类群体感应抑制剂

山茶花愈伤组织裂解液是山茶花中的提取物质。通过对生物膜、脂肪酶的活性与AI-2信号分子的定量测定,表明山茶花愈伤组织裂解液可以减少TLR2和TLR4的表达,限制细菌间的相互作用,降低粘附性,限制或阻断毒力因子,降低AI-2信号分子水平,抑制脂肪酶基因gehA的表达从而降低脂肪酶活性,减少生物膜密度,具备对痤疮丙酸杆菌的群体淬灭活性[22]。 由于痤疮丙酸杆菌的QS系统还尚存在争议性,对此相关QSI文献还尚少。

2.3 金黄色葡萄球菌的植物提取物类群体感应抑制剂

黄芩素是唇形科草本植物黄芩的提取物质[23]。通过结晶紫染色半定量实验和扫描电镜定性实验发现,黄芩素能够有效抑制金黄色葡萄球菌生物膜的形成,且呈浓度依赖性,又通过RTQ-PCR技术检测出黄芩素能够阻断受QS系统调控的细胞间信号转导,抑制agrA、RNAⅢ等的表达,存在QQ现象[24]。

大黄酸和芦荟大黄素是大黄的中药单体成分[25]。一项基于蛋白质脂质体模型的研究表明大黄酸和芦荟大黄素能显著降低由agr系统调节的毒力因子,有效抑制agr信号通路,实现QQ作用[26]。此外,金银花和山银花对金黄色葡萄球菌也存在QQ活性,且同样存在浓度依赖性,表示可能与金黄色葡萄球菌的Agr QS相关[27]。

白藜芦醇是蓼科植物虎杖的提取物质[28]。通过结晶紫染色半定量实验和扫描电镜定性实验发现,白藜芦醇不仅可以抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcusaureus,MRSA)生物被膜形成,还可以破坏部分已形成的生物被膜,差异表达基因分析表明其原因趋向于白藜芦醇可能影响细菌群体感应QS系统、表面蛋白和荚膜多糖的合成[29]。

2.4 表皮葡萄球菌的植物提取物类群体感应抑制剂

香兰素是芸香科植物香荚兰豆的提取物质。丁香酚是植物丁香的提取物质。香兰素和丁香酚二者具有模拟表皮葡萄球菌的QS信号的能力,亚抑制浓度下的香兰素和丁香酚影响其P2启动子、agrA及agrD、RNAII依赖基因的表达,信号通路激活的减少导致表皮葡萄球菌生物膜的形成[30]。

苦参碱是豆科植物苦参的干燥根、果实的提取物质。研究显示苦参碱可以基于AI-2 QS系统机制降低AI-2的活性,致使抑制表皮葡萄球菌生物膜的形成[31]。

有专利公开,30%～45%的梣酮、25%～35%的白鲜碱、25%～35%黄柏酮所混合而成的抗菌组合物能有效抑制AIP介导的QS系统和AI-2介导的QS系统中的关键基因,导致生物膜形成所需的细菌间PIA缺失,菌株黏附障碍;AI-2信号分子减少,降低细菌间的信息交流,因此,确认为表皮葡萄球菌的QSI[32]。

实际上,现如今大多数相关文献为植物提取物对痤疮相关致病菌的体外抑菌作用[33]和抑制生物膜作用[34],明确植物提取物类的QSI以及基于基因层面清楚QSI对痤疮相关致病菌的作用机理还尚少,对此方面的研究还存在更大的潜能。QSI本身并不会杀死所对应的细菌,只针对病原菌的QS系统起抑制作用。为此,在解决耐药菌问题之时,可以将QSI及抗生素联合使用,在抑制耐药菌生物膜形成的同时增强抗生素的抗菌活性,提高抗菌效率及减少耐药菌的产生[35]。

3 结语与展望

本文主要详述了痤疮丙酸杆菌与其可能存在的AI-2 QS系统、金黄色葡萄球菌的agr系统及AI-2 QS系统的机制,列举了痤疮丙酸杆菌的植物提取物类QSI(山茶花愈伤组织裂解液)、金黄色葡萄球菌的植物提取物类QSI(黄芩素、大黄酸、芦荟大黄素、金银花、山银花、白藜芦醇)、表皮葡萄球菌的植物提取物类QSI(香兰素、苦参碱、梣酮、白鲜碱、黄柏酮),阐述了各QSI对各菌种的作用原理。

目前研究还未能完全明确痤疮致病菌的QS种类,对痤疮致病菌的QSI研究较少。随着研究的深入,基于QS原理利用植物提取物的QSI阻断QS信号分子的合成,降解QS信号分子,利用QS信号分子类似物竞争结合受体蛋白的方法,平衡痤疮致病菌的细菌密度,抑制生物膜的形成,减少细菌过度生长产生的毒力因子,降低治疗副作用,将会是痤疮的一种更为安全可靠的治疗方向。