J. Future Foods | 天然產物抗金黃色葡萄球菌作用機制的研究進展

Introduction

近年來，由病原微生物引起的疾病已引起社會各界的高度重視。金黃色葡萄球菌是一種常見的人類感染性細菌，容易引起各種疾病，如皮膚和軟組織感染、感染性關節炎和敗血症。根據全國細菌耐藥監測網（CARSS）的數據，2014—2019年，金黃色葡萄球菌在臨牀革蘭氏陽性菌中的分離率爲第一。主要原因是金黃色葡萄球菌能分泌多種毒力因子和侵襲性酶。其較強的致病性給臨牀治療和感染控制帶來很大困難。抗生素的長期過度使用導致細菌產生耐藥性。致病菌的繁殖嚴重威脅着人類健康，需要新的、更有效的治療方法。目前，主要的耐藥菌包括：耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）、耐青黴素肺炎鏈球菌（PRSP）、耐萬古黴素腸球菌（VRE）、耐萬古黴素金黃色葡萄球菌（VRSA）。特別是MRSA具有廣泛的分佈範圍和高死亡率。

臨牀上使用的抗菌劑部分來自天然產品。這主要歸功於天然產物獨特的化學結構、摺疊方式、良好的細胞滲透性和靶標特異性。隨着新藥開發戰略的發展，天然產物將繼續發揮其不可替代的價值。具有抗金黃色葡萄球菌作用的天然產物主要來自植物、抗菌肽和微生物代謝產物。根據目前的研究，天然產物對金黃色葡萄球菌的作用機制主要包括：改變細菌形狀，破壞細菌細胞壁和細胞膜，干擾能量系統，影響代謝途徑和細菌蛋白質、核酸，破壞細菌生物膜和羣體感應系統。河南大學的Yingying Zhao、Jinfeng Wei、Zhenhua Liu*、Changyang Ma*等在本綜述回顧了天然產物對金黃色葡萄球菌的抗菌機制，爲利用天然產物作爲抗生素藥物提供了一條線索。

具有抗金黃色葡萄球菌作用的天然產物

具有抗金黃色葡萄球菌作用的天然產物主要來自植物、抗菌肽和微生物代謝產物（圖1）。

圖1 活性化合物的化學結構

抗菌肽在先天免疫中起着重要作用，可以抵抗細菌、病毒和其他病原體對生物體的入侵。與傳統的抗生素不同，抗菌肽可以靶向抑制各種生物大分子的合成，作用於代謝途徑中的關鍵酶，並破壞血漿細胞膜。自然界中的抗菌肽很短，並帶有陽離子電荷。帶正電荷的抗菌肽可以選擇性地與微生物的細胞膜發生作用。原核細胞膜中帶負電荷的磷脂含量高於哺乳動物的細胞膜，這使得細胞膜有多個靶點。隨後，在細菌、真菌、昆蟲、植物、哺乳動物和人體中發現了3400多種抗菌肽。

天然產物的抗菌機制

天然產物對金黃色葡萄球菌的抗菌機制有多種類型（圖2）。

圖2 天然產物對金黃色葡萄球菌的抗菌途徑

對細菌形態的影響

當天然產物作用於細菌時，細菌會改變形態結構。這些結構變化可以通過掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）觀察到。從Toddalia asiatica (Linn.) Lam.的根中分離出白屈菜鹼，從Ainsliaea bonatii Beauv.中分離出氫醌，它們能顯著改變金黃色葡萄球菌的形態。天然高分子殼聚糖（CS）可以改變金黃色葡萄球菌的超微結構，使其細胞壁塌陷，液泡和細胞碎片的數量增加。肉桂醛與MIC處理後，細菌深度摺疊變形。由於金黃色葡萄球菌漏出了細胞質內容物，出現了大量的畸形現象。茴香醛可使金黃色葡萄球菌出現明顯的摺疊和畸形，細胞嚴重受損。

對細菌細胞壁的影響

細菌細胞壁是一種高度複雜且對維持細胞形態非常重要的結構，它是細菌與宿主、噬菌體和其他物質之間的界面。人β-防禦素-3（HBD-3）是一種由人類角質細胞合成的非溶血性抗菌肽，可以抑制金黃色葡萄球菌細胞壁的合成，形成細胞壁穿孔現象。金黃色葡萄球菌細胞壁主要由肽聚糖（PG）、磷壁酸、外多糖（EPS）等成分組成。根據結合部位的不同，磷壁酸可分爲通過磷酸二酯連接和N-乙酰氨基甲酸殘基結合分壁磷壁酸（WTA）和通過脂質錨定嵌入細胞膜的脂磷壁酸（LTA）。大多數金黃色葡萄球菌的WTA主鏈是由磷酸核糖醇（RboP）重複單元組成，通過磷酸二酯連接。重複單元中的一些基團可以被氨基酸或碳水化合物取代，通常是D-丙氨酸（D-Ala）或α/β-N-乙酰葡糖胺（α/β-GlcNAc）。WTA骨架一般通過兩個甘油-磷酸（GroP）與一個高度保守的二糖連接單元相連接。該連接單元由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰甘露糖胺組成。它們通過磷酸二酯連接鍵與N-乙酰氨基嘧啶殘基共價結合。基於D-Ala的WTA參與介導金黃色葡萄球菌的抗菌肽抗性。金黃色葡萄球菌中dlt操作子的缺失增加了細菌對AMP的敏感性，dltABCD構成了dlt操作子。在甘草查耳酮A的作用下，dltA和dltC的基因表達被下調。FemB是轉肽酶，原核生物體外核糖。它催化在肽聚糖側鏈的第4和第5位添加甘氨酸。鹿蹄草素負向調節femB的轉錄，從而降低轉肽酶的表達（圖3）。細胞壁不能被交聯和破壞，所以達到抑菌效果。

圖3 金黃色葡萄球菌的細胞壁結構和天然產物對細胞壁和細胞膜的影響

對細菌細胞膜的影響

細胞膜對於細菌的形成至關重要。其上分佈着許多完整的細胞膜蛋白，用於物質運輸、信息識別和傳遞、代謝調節等。大多數精油對細菌有殺傷力，主要是由於這些天然產物在其中的疏水性。當精油進入細胞後，會引起滲透性的改變，導致細胞破裂。Chenopodium ambrosioides L.精油和α-萜烯可以通過抑制NorA外排泵來抑制金黃色葡萄球菌。小檗鹼可以通過競爭性地抑制外排泵來增加抗菌效果，並通過結合NorA和RamR外排泵來抑制金黃色葡萄球菌的生長。醛酮還原酶（AKR）IolS參與百里酚介導的細胞膜損傷。

抑制細菌的代謝途徑

細菌的新陳代謝是由一系列複雜的酶促反應介導的。抑制關鍵酶的活性是抗菌的關鍵環節。黃芩素不僅能抑制拓撲異構酶，還能抑制三羧酸循環（TCA）中的琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶。穀氨酸-丙酮酸轉氨酶和穀氨酸-草酰乙酸轉氨酶在氨基酸的合成中起着重要作用。毛黴菌發酵液可以抑制這兩種酶的活性，從而間接影響蛋白質的合成和降低細菌細胞的生理功能。呼吸代謝是生物活動的一種重要形式。來自Glycine max (Linn.) Merr.的大豆異黃酮可以抑制金黃色葡萄球菌的呼吸代謝。據推測，大豆異黃酮與蘋果酸脫氫酶結合導致酶的分子構象改變。因此，ATP和NADH的合成受阻，最終呼吸代謝系統受到抑制。活性氧（ROS）是呼吸代謝的自然副產品。適當的ROS可以減少細胞損傷，但過度的ROS會導致細胞死亡。甘氨酸抗菌肽（GAP）可以誘導金黃色葡萄球菌產生ROS，從而導致細菌細胞壞死。

A comprehensive review on mechanism of natural products against Staphylococcus aureus

Yingying Zhaoa,1, Jinfeng Weia,b,1, Changqin Lia,c, Adel F. Ahmedd, Zhenhua Liua,e,*, Changyang Maa,e,*

a National R & D Center for Edible Fungus Processing Technology, Henan University, Kaifeng 475004, China

b Henan Kaifeng College of Science Technology and Communication (Minsheng College, Henan University), Kaifeng 475004, China

c Functional Food Engineering Technology Research Center of Henan Province, Kaifeng 475004, China

d Medicinal and Aromatic Plants Researches Department, Horticulture Research Institute, Agricultural Research Center, Cairo 11435, Egypt

e Joint International Research Laboratory of Food & Medicine Resource Function of Henan Province, Henan University, Kaifeng 475004, China

1 These authors contributed equally to this work.

*Corresponding authors.

E-mail address: liuzhenhua623@163.com

macaya1024@sina.com

Abstract

The abuse of antibiotics seriously threatens the therapeutic effect. Natural products from plants, antimicrobial peptides and micro-organisms have antibacterial activity against Staphylococcus aureus. The mechanism of natural products reported in recent years on S. aureus includes six types, which are the acting on bacterial cell wall, cytomembrane, metabolic pathway, protein, nucleic acid, biofilm and quorum sensing system to achieve antibacterial effect. This article summarized the mechanism of natural products reported in recent years on S. aureus. It is found that the natural products acting on cell wall or cell wall synthesis pathway key enzymes are relatively safe and highly selective. It has the prospect of developing into medicine and provides the clue to investigate and utilize natural products in antibacterial activity.

Reference:

ZHAO Y Y, WEI J F, LI C Q, et al. A comprehensive review on mechanism of natural products against Staphylococcus aureus[J]. Journal of Future Foods, 2022, 2(1): 35-33. DOI:10.1016/j.jfutfo.2022.03.014.

翻譯/編輯：樑安琪；責任編輯：張睿梅