青蒿素及其衍生物抗菌活性的研究進展Δ

蔣為薇，錢妍（重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院藥學部，重慶400010）

青蒿素（Artemisinin）是我國藥學工作者在1971年從菊科植物黃花蒿中提取的常用抗瘧藥，是一種具有過氧橋結(jié)構(gòu)的新型倍半萜內(nèi)酯類化合物[1]。一直以來，青蒿素及其衍生物以其良好的抗瘧效果和較高的安全性得到了各國醫(yī)學界的認可，每年都有數(shù)以百萬的瘧疾患者受益于青蒿素或其衍生物的治療。為了表彰這一成就，青蒿素的發(fā)現(xiàn)者屠呦呦與一名日本科學家及一名愛爾蘭科學家共同分享了2015年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎[2]。目前，關(guān)于青蒿素的研究早已不再局限于瘧疾的治療。研究者們發(fā)現(xiàn)，青蒿素及其衍生物還具有抗腫瘤、抗寄生蟲、抗菌、抗病毒、調(diào)節(jié)免疫、抗炎、抑制肺纖維化及抗動脈粥樣硬化等多種作用[3-7]。目前，關(guān)于青蒿素及其衍生物的抗腫瘤、抗寄生蟲、抗菌、抗病毒、免疫調(diào)節(jié)等作用已有大量的綜述報道，而關(guān)于青蒿素及其衍生物對細菌作用的綜述則鮮有報道。盡管這方面的研究尚處于起步階段，但對這些研究結(jié)果的整理也發(fā)現(xiàn)了很多值得深入研究的問題，為此，筆者以“青蒿素”“抗菌”“結(jié)核分枝桿菌”“金黃色葡萄球菌”“大腸埃希菌”“Artemisinin”“Antibacterial”“Mycobacterium tuberculosis”“Escherichia coli”“Staphylococcus aureus”等為關(guān)鍵詞，在中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)、PubMed、Medline等數(shù)據(jù)庫中組合查詢2000年1月－2019年3月發(fā)表的中英文相關(guān)文獻。結(jié)果，共檢索到相關(guān)文獻327篇，其中有效文獻39篇，現(xiàn)就青蒿素及其衍生物抗菌活性的研究進展進行歸納與總結(jié)，旨在為其進一步開發(fā)利用提供參考。

1 青蒿素及其主要衍生物

青蒿素分子具有過氧橋結(jié)構(gòu)，當血紅素或游離鐵破壞過氧化物橋時會導致青蒿素分子結(jié)構(gòu)降解，形成具有C中心的親核自由基代謝物；該自由基可充當烷化劑攻擊高分子軸承電子基團或中心，最終導致瘧原蟲的死亡。由于青蒿素溶解性差、生物利用度低及復燃率高等問題，科學家們在青蒿素基礎(chǔ)上又開發(fā)出了多種衍生物，如雙氫青蒿素（Dihydroartemisinin）、青蒿琥酯（Artesunate）、蒿甲醚（Artemether）、蒿乙醚（Arteether）等：將青蒿素結(jié)構(gòu)中的C-10位羧基還原成羥基可以得到雙氫青蒿素，而進一步烷氧基化就得到蒿甲醚，而進行酯化就可得到青蒿琥酯[1]。青蒿素及其主要衍生物的化學結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 青蒿素及其主要衍生物的化學結(jié)構(gòu)

2 青蒿素及其衍生物的體外抗菌作用

青蒿素及其衍生物的抗菌作用研究暫處于起步階段，因此大部分的研究也只進行到體外研究部分，體內(nèi)研究及機制研究均不夠深入。

2.1 青蒿素及其衍生物對結(jié)核分枝桿菌的作用

結(jié)核分枝桿菌是最危險的病原體之一，由其引起的結(jié)核病發(fā)病率和病死率位居人類各種傳染病前列。與此同時，結(jié)核分枝桿菌對現(xiàn)有抗結(jié)核藥物的耐藥情況也相當嚴峻，多耐藥和泛耐藥結(jié)核桿菌的迅速出現(xiàn)，給全球的公共衛(wèi)生問題帶來了不斷的挑戰(zhàn)，使得相應(yīng)抗菌藥物的研發(fā)在全球范圍內(nèi)廣泛開展[8-9]。

Choi WH[10]的研究發(fā)現(xiàn)，75～300 μg/mL青蒿素和青蒿琥酯可以在體外有效抑制結(jié)核分枝桿菌H37Rv的生長；其中，青蒿琥酯的抗菌效果更優(yōu)于青蒿素，300 μg/mL的青蒿琥酯作用于結(jié)核桿菌后的21 d均未檢測到結(jié)核分枝桿菌的生長；同時體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，3.5 mg/kg的青蒿琥酯表現(xiàn)出了有效的抗結(jié)核作用，可明顯減少模型大鼠肺內(nèi)結(jié)核分枝桿菌的數(shù)量。2019年，Kalani K等[11]報道雙氫青蒿素的半合成衍生物DHA-5和DHA-6均表現(xiàn)出了直接的體外抗結(jié)核活性，并且DHA-5還表現(xiàn)出了與異煙肼或者利福平聯(lián)合使用時的協(xié)同作用，協(xié)同指數(shù)（FIC）為0.375。

與上述研究不同，Miller MJ等[12]在研究中卻未能發(fā)現(xiàn)青蒿素的直接抗結(jié)核分枝桿菌活性；但其研究結(jié)果顯示，青蒿素與分枝桿菌特異性鐵載體螯合形成的螯合物顯示出了顯著的且具選擇性的抗結(jié)核活性，該螯合物對包括多重耐藥菌和泛耐藥菌在內(nèi)的多種結(jié)核分枝桿菌菌株均有顯著的抑制作用，其抗結(jié)核活性的作用機制可能是通過利用分枝桿菌鐵載體遞送青蒿素，為結(jié)核分枝桿菌提供氧自由基從而殺滅結(jié)核分枝桿菌，這既保留了其抗瘧疾活性又使其成為有效的抗結(jié)核物質(zhì)。但該研究也發(fā)現(xiàn)，該螯合物并沒有對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯桿菌等其他細菌表現(xiàn)出抑制活性，這進一步提示該螯合物的抗結(jié)核作用可能與結(jié)核桿菌特殊的細菌結(jié)構(gòu)相關(guān)。同樣，Morake M等[13]也在研究中發(fā)現(xiàn)，10 μg/mL和80 μg/mL的蒿甲醚-膽固醇結(jié)合物也表現(xiàn)出了優(yōu)秀的抗結(jié)核分枝桿菌活性：相對于單用蒿甲醚，該結(jié)合物對結(jié)核分枝桿菌H37PV的抑制率從3%和18%分別增加到30%和52%；作用機制方面，可能是通過膽固醇介導增加了青蒿素進入細菌的靶向性。van Zyl L等[14]擬觀察囊泡包裹青蒿素對皮膚結(jié)核的治療作用，但該方式并不能使得青蒿素到達皮膚組織，也就無法觀察其抗結(jié)核作用；但這也從側(cè)面反映了研究者們對于青蒿素抗結(jié)核作用研究的青睞。

眾所周知，結(jié)核分枝桿菌呈休眠狀態(tài)，可以潛伏在人體內(nèi)長達數(shù)十年；而當結(jié)核分枝桿菌處于休眠狀態(tài)時會表現(xiàn)出對抗生素的高度耐藥。2017年，Johnson BK等[15]和Zheng H等[16]團隊同時發(fā)現(xiàn)青蒿素可以通過影響結(jié)核分枝桿菌的DosRST雙組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)來阻斷結(jié)核分枝桿菌進入休眠狀態(tài)，避免對藥物敏感的結(jié)核分枝桿菌變得耐藥，從而有望縮短治療時間。其機制可能是：青蒿素通過氧化含鐵血紅素并產(chǎn)生血紅素青蒿素加合物來抑制對血紅素敏感的DosS和DosT傳感器激酶，從而抑制與結(jié)核分枝桿菌休眠相關(guān)的多個生理過程，包括三酰甘油的合成、對抗生素耐藥等。

此外，Chaudhary S等[17]在青蒿素的基礎(chǔ)上還新合成了一系列具有穩(wěn)定三環(huán)結(jié)構(gòu)的臭氧化物，其中臭氧化物9和10（發(fā)現(xiàn)者尚未命名）除了具有抗瘧效應(yīng)以外，還對結(jié)核分枝桿菌表現(xiàn)出了殺菌活性，對H37Rv的最低抑菌濃度（MIC）值分別為0.39和 3.12 μg/mL。

通過上述青蒿素對結(jié)核分枝桿菌的相關(guān)研究可以看出，盡管具有抗分枝桿菌活性的物質(zhì)僅有青蒿琥酯和一些新的衍生物（DHA-5、DHA-6、臭氧化物9和10），但通過與載體的結(jié)合，青蒿素及蒿甲醚也能表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗分枝桿菌活性；此外，青蒿素還能夠通過影響分枝桿菌的休眠來改變其細菌的耐藥性。

2.2 青蒿素及其衍生物對大腸埃希菌的作用

大腸埃希菌是典型的革蘭氏陰性桿菌，其中致病性大腸埃希菌更是臨床最常見的病原菌之一。近年來，大腸埃希菌的耐藥株不斷增加，使得臨床上大腸埃希菌的預(yù)防和治療變得十分困難[18]。Appalsamy S等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，從黃花蒿中提取的青蒿素及其前體物質(zhì)具有抑制包括大腸埃希菌在內(nèi)的多種革蘭氏陽性和陰性細菌生長的作用；其對大腸埃希菌的抗菌效果與鏈霉素相當，體外抑菌濃度為0.09 mg/mL；同時該研究也發(fā)現(xiàn)，0.09 mg/mL的青蒿素可導致鹵蟲的死亡，提示高劑量青蒿素的毒性也不容忽視。2012年。Goswami S等[19]在研究青蒿素衍生物對幽門螺桿菌的抗菌活性時意外發(fā)現(xiàn)，部分青蒿素衍生物（GRB-3、5）對大腸埃希菌有一定的抑制作用。此外有研究也發(fā)現(xiàn)，青蒿素、青蒿琥酯和雙氫青蒿素對大腸埃希菌也表現(xiàn)出一定的抗菌活性，但MIC＞16 μg/mL[20-22]。

細菌對藥物的主動外排是大腸埃希菌耐藥株產(chǎn)生耐藥性的重要原因之一，細菌外排泵通過將進入胞內(nèi)的抗菌藥物泵出胞外而使菌體內(nèi)藥物濃度降低，導致細菌對抗菌藥物的敏感性降低，其中AcrAB-TolC是大腸埃希菌中最重要的外排泵[23]。Li B等[23]研究發(fā)現(xiàn)，雖然青蒿素衍生物青蒿琥酯本身對大腸埃希菌沒有抑制能力，但其可以明顯增加β-內(nèi)酰胺類抗生素對大腸埃希菌ATCC 35218和大腸埃希菌臨床菌株的抑制作用；通過對其機制研究發(fā)現(xiàn)，青蒿琥酯可通過抑制大腸埃希菌重要的外排泵AcrAB-TolC的表達，從而減少了包括β-內(nèi)酰胺類抗生素在內(nèi)的部分抗菌藥物的外排，從而發(fā)揮抗菌增敏作用，并且該作用呈劑量依賴性。Wang J等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，青蒿琥酯可以保護致死劑量的大腸埃希菌對小鼠的攻擊：當聯(lián)合給予小鼠100 mg/kg或200 mg/kg的青蒿琥酯與400 mg/kg氨芐西林時，小鼠的死亡率可從100%分別降低到66.6%和33.3%。此外，Esimone CO等[25]的研究聯(lián)合使用了蒿甲醚和4種喹諾酮類藥物，發(fā)現(xiàn)蒿甲醚可以降低環(huán)丙沙星和諾氟沙星對大腸埃希菌的MIC，降低幅度分別為43.8%和44.9%，而其作用機制尚需要進一步研究。

由上述青蒿素及其衍生物對大腸埃希菌的研究可以看出，青蒿素及其多種衍生物如青蒿琥酯、雙氫青蒿素、GRB-3、GRB-5等均表現(xiàn)出抗大腸埃希菌活性，同時青蒿琥酯、蒿甲醚還可以發(fā)揮抗菌增敏作用，提高大腸埃希菌對現(xiàn)有抗菌藥物的敏感性。

2.3 青蒿素及其衍生物對金黃色葡萄球菌的作用

金黃色葡萄球菌也是臨床常見的病原菌，尤其多見于皮膚和軟組織感染[26]。其中，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）由于對多種抗菌藥物耐藥，其臨床治療較為棘手。Appalsamy S等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，從黃花蒿中提取的青蒿素及其前體物質(zhì)對多種革蘭氏陽性細菌也具有抗菌作用，其中就包括金黃色葡萄球菌，其抗菌效果也與鏈霉素相當。2012年，Goswami S等[19]在研究青蒿素衍生物對幽門螺桿菌的抗菌活性時發(fā)現(xiàn)青蒿素衍生物GRB-1、5對金黃色葡萄球菌具有較強的抑制作用，抑菌環(huán)直徑（IZD）＞1.8 cm，且其對MRSA也顯示出了一定的抑制作用，IZD為1.6 cm。

Jiang W等[26]發(fā)現(xiàn)，與青蒿琥酯對大腸埃希菌的作用相似，該化合物本身對MRSA沒有抗菌能力，但青蒿琥酯可以明顯增加氨芐西林和阿莫西林對MRSA菌株WHO-2的抗菌作用；進一步研究其機制發(fā)現(xiàn)，青蒿琥酯可通過抑制MRSA細菌細胞膜上外排泵的活性，從而時間和劑量依賴性地增加包括氨芐西林、阿莫西林等抗菌藥物在菌體內(nèi)的聚集。同時，Jiang W等[27]也發(fā)現(xiàn)，每日肌注15、30 mg/kg的青蒿琥酯聯(lián)合200 mg/kg苯唑西林可以抵御MRSA對小鼠的攻擊，能將小鼠的死亡率從100%分別降低到70.0%和55.5%，并降低其體內(nèi)的炎癥因子水平及細菌數(shù)量。與該研究結(jié)果類似，Li B等[28]發(fā)現(xiàn)，每日肌注15、30 mg/kg的青蒿琥酯聯(lián)合100 mg/kg苯唑西林舒巴坦可以抵御普通金黃色葡萄球菌對小鼠的攻擊，并降低小鼠體內(nèi)的炎癥因子水平。

Lin L等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，用β-環(huán)糊精包封的青蒿素具有對MRSA的抑制作用：20、40 mg/mL的青蒿素/β-環(huán)糊精包合物對MRSA的抑制率可以分別高達99.94%和99.99%，其機制可能是青蒿素/β-環(huán)糊精包合物可以明顯破壞MRSA的細胞膜，增加細胞膜的通透性。Sshah SMH等[30]制備了青蒿素的納米混懸劑，并發(fā)現(xiàn)其對葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、鏈球菌、沙門氏菌等均具有明顯的抑制活性，但是對大腸埃希菌、志賀菌以及白色念珠菌均無效。

同樣，Esimone CO等[25]的研究聯(lián)合使用了蒿甲醚與4種喹諾酮類藥物，發(fā)現(xiàn)蒿甲醚可以降低環(huán)丙沙星和諾氟沙星對金黃色葡萄球菌的MIC，降低程度分別為22.3%和35.8%。此外，Stermitz FR等[31]的研究發(fā)現(xiàn)，來自黃花蒿的兩種黃酮醇（貓眼草黃素和金圣草醇D）可增強小檗堿和諾氟沙星對金黃色葡萄球菌耐藥菌株的抑制活性：這兩種黃酮醇本身的抑菌活性非常弱，但與小檗堿和諾氟沙星聯(lián)用以后其抗菌活性明顯增加；其機制可能與這兩種黃酮醇抑制了MRSA的外排泵，尤其是多藥外排泵NorA，從而減少了細菌對抗菌藥物的外排作用有關(guān)。

由上述青蒿素及其衍生物對金黃色葡萄球菌的研究可以看出，青蒿素衍生物GRB-1、5表現(xiàn)出直接的抗金黃色葡萄球菌活性；同時，青蒿琥酯、蒿甲醚以及來自青蒿的兩種黃酮醇（貓眼草黃素和金圣草醇D）均具有對MRSA的抗菌增敏活性，其中青蒿琥酯在體內(nèi)和體外均表現(xiàn)出了抗菌增敏作用，這可能對臨床治療MRSA感染具有重要意義；此外，通過β-環(huán)糊精包封后的青蒿素的抗金黃色葡萄球菌活性亦有所增強。

2.4 青蒿素及其衍生物對幽門螺桿菌的作用

幽門螺桿菌感染是引起消化性潰瘍的主要病因，并且與胃腺癌和胃淋巴瘤的發(fā)生密切相關(guān)。幽門螺桿菌可以作用于胃壁的D細胞和腸嗜鉻樣細胞而引起胃酸分泌增加，也可以直接作用于胃壁細胞并引起胃黏膜防御能力下降，最終導致潰瘍的發(fā)生[32]。由此可見，根除幽門螺桿菌的感染是幽門螺桿菌陽性的消化性潰瘍患者的基本治療方案。由于幽門螺桿菌的耐藥情況逐漸嚴重，幽門螺桿菌的根除也越來越困難。2008年，Cherian S等[33]在研究澳大利亞的非洲裔移民（兒童）幽門螺桿菌的感染情況時意外發(fā)現(xiàn)，在移民前采用過青蒿琥酯治療瘧疾的兒童其幽門螺桿菌的攜帶率明顯低于其他兒童，這提示青蒿琥酯可能具有抗幽門螺桿菌的作用。2012年，Goswami S等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，青蒿素的衍生物GRB-1～GRB-5對幽門螺桿菌有較強的抑制作用，體外實驗中，1 μg/mL GRB-1作用20 h、0.5 μg/mL GRB-5作用30 h即可全面殺滅幽門螺桿菌；同時部分衍生物與阿莫西林或者克拉霉素聯(lián)用還可表現(xiàn)出協(xié)同殺菌效果，F(xiàn)IC指數(shù)均小于0.75。這些衍生物不僅表現(xiàn)出了強烈的殺菌作用，并且低毒、對酸穩(wěn)定，且不易耐藥，因此極可能成為抗幽門螺桿菌治療的候選藥物。此外，Sisto F等[34]以24株對甲硝唑和/或阿莫西林和/或克拉霉素耐藥的幽門螺桿菌菌株為對象進行研究發(fā)現(xiàn)，青蒿素和雙氫青蒿素可以增加阿莫西林、克拉霉素以及甲硝唑的抗菌作用，部分FIC值達到0.625 5。

由上述青蒿素及其衍生物對幽門螺桿菌的研究可以看出，青蒿素衍生物GRB-1～GRB-5對幽門螺桿菌具有較強的抑制作用；同時，青蒿素、雙氫青蒿素以及部分衍生物與阿莫西林或者克拉霉素還有協(xié)同殺菌作用。

2.5 青蒿素及其衍生物對其他細菌的作用

Kim WS等[35]的研究發(fā)現(xiàn)，包括青蒿素在內(nèi)的4種黃花蒿提取物對常常引起牙周病的伴放線凝聚桿菌、具核梭桿菌動物亞種、具核梭桿菌多形亞種、中間普雷沃菌具有一定的抑制作用，因此可能用于牙周病的治療。

3 結(jié)語

自從青蒿素被發(fā)現(xiàn)，全世界的研究人員對其開展了大量廣泛而深入的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，青蒿素及其衍生物除抗瘧作用外，還具有抗腫瘤、抗寄生蟲、抗炎、抑制免疫、抗菌、抗病毒、抗動脈粥樣硬化以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)保護作用等[3-7]。但是這些研究大多數(shù)是在體外進行的，因此還需要大量的體內(nèi)研究進一步確認。其中，屠呦呦團隊發(fā)現(xiàn)的雙氫青蒿素衍生物對紅斑狼瘡的治療作用，現(xiàn)已進入Ⅱ 期臨床研究，尤其值得期待[36-39]。

本研究對青蒿素及其衍生物的抗菌作用進行了綜述，結(jié)果發(fā)現(xiàn)青蒿素及其衍生物對多種臨床常見的致病菌、耐藥菌都具有直接或者協(xié)同的抑制作用?？偟膩碚f，直接抗菌作用需要的藥物濃度明顯高于協(xié)同抗菌，直接抗菌時的藥物濃度與現(xiàn)有的抗菌藥物相比并沒有明顯的優(yōu)勢；但是協(xié)同抗菌時青蒿素及其衍生物的濃度要求較低，這提示現(xiàn)有青蒿素類藥物直接用作抗菌藥的可能性不大，用作協(xié)同抗菌藥物可能具有更廣闊的前景。從作用機制上看，現(xiàn)有研究大多認為青蒿素類藥物的抗菌作用是通過影響細菌細胞壁的結(jié)構(gòu)或者通過影響細菌的外排泵系統(tǒng)而發(fā)揮作用，但是也有大部分研究尚未報道其機制，這有待于研究者們進行更深一步的探索。

總之，青蒿素及其衍生物抗菌作用的發(fā)現(xiàn)，對于應(yīng)對細菌耐藥性日益嚴峻而新抗菌藥物研發(fā)緩慢的問題具有重要意義，青蒿素及其衍生物有望成為新一代安全、有效的抗菌藥物。