藍(lán)萼甲素對牙齦卟啉單胞菌體外抑菌活性研究

楊鈺婷 宋忠臣 張旭 周薇 周魯先 宋莉

牙周炎是一種微生物相關(guān)的、宿主介導(dǎo)的、多因素參與并導(dǎo)致牙周附著喪失的炎癥性疾?。?］。藥物治療是牙周炎的一種輔助治療方式，目前最常用于臨床的藥物主要是一些抗生素類藥物，如：甲硝唑、阿莫西林等，它們主要通過抑制某些特定種類的細(xì)菌及細(xì)菌復(fù)合物發(fā)揮其輔助治療的效果［2］。但近些年來，抗生素耐藥性問題已經(jīng)被認(rèn)為是人類健康的主要風(fēng)險(xiǎn)，而且相關(guān)研究人員已經(jīng)從感染的牙髓組織和牙周組織中分離出多種耐藥菌株［3］，這表明口腔很可能作為耐藥菌菌庫，限制抗生素在治療身體其他部位的感染性疾病中的有效性［4］。為了減少牙周病原菌的耐藥性問題，研究人員正致力于研究各種新型的牙周炎輔助治療方法，包括益生菌療法［5］、激光療法［6］等。與此同時(shí)，有研究表明基于天然化合物的治療方法能有效抑制口腔中致病微生物的定植和生長，并且有的天然化合物在體外抗菌實(shí)驗(yàn)中還能夠達(dá)到抑制口腔生物膜形成和減少口腔中成熟生物膜的作用［7］，這就提示若將天然化合物用于牙周炎治療可能在不造成耐藥性問題的基礎(chǔ)之上達(dá)到有效控制牙周病發(fā)展的效果。因此有越來越多的牙周炎藥物研究開始將目光聚焦于具有較高安全性以及廣泛生物學(xué)活性的天然化合物。

藍(lán)萼甲素（glaucocalyxin A，GLA）是從唇形科香茶菜屬植物藍(lán)萼香茶菜中分離并提取出來的一種天然化合物，屬于對映－貝殼杉烷型二萜類化合物［8］，具有抗氧化活性、抗腫瘤活性、抗凝血及抗血栓活性、免疫活性、抗炎性以及抗菌活性［9］。但目前尚無關(guān)于GLA針對牙周致病菌的體外抗菌實(shí)驗(yàn)研究。

牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonasgingivalis，P.gingivalis）是牙周病、尤其是慢性牙周炎病變區(qū)或活動部位最主要的優(yōu)勢菌，相關(guān)研究顯示P.gingivalis在慢性牙周炎患者齦下菌斑中的檢出率高達(dá)85.75%［10］。P.gingivalis能從齦溝或牙周袋內(nèi)的上皮細(xì)胞侵入宿主的牙周組織中，釋放各種毒素，誘導(dǎo)宿主產(chǎn)生一系列炎癥反應(yīng)。毒素的作用加之機(jī)體自身的免疫炎癥反應(yīng)將導(dǎo)致宿主牙周支持組織的吸收和破壞，最終使得牙齒松動、脫落。除此之外，P.gingivalis還能夠逃避宿主的免疫防御，這一特點(diǎn)使得由P.gingivalis所導(dǎo)致的牙周組織的感染和破壞很難得到有效的控制［11］。因此，在與牙周炎相關(guān)的體外抑菌實(shí)驗(yàn)中常將P.gingivalis作為實(shí)驗(yàn)對象來觀察和研究不同處理方式對牙周致病菌的作用［12－14］。

本研究觀察GLA對P.gingivalis的生長及其生物膜的形成和生物活性的影響，初步探究GLA作為一種抗菌藥物用于輔助治療牙周炎的可行性。

1 材料與方法

1.1 基本材料

藍(lán)萼甲素溶液（上海艾濟(jì)生物科技有限公司）；P.gingivalis ATCC 33277（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔微生物實(shí)驗(yàn)室）；腦心浸液（BHI）培養(yǎng)基、培養(yǎng)液（BD，美國）；厭氧培養(yǎng)箱（Baker，英國）；酶標(biāo)儀（Bio Tek Epoch2，美國）；結(jié)晶紫染料（Sigma，美國）；MTT試劑盒（上海碧云天）。

1.2 研究方法

1.2.1 細(xì)菌培養(yǎng)及鑒定 取凍存的 P.gingivalis ATCC 33277菌株于超凈臺中常規(guī)接種復(fù)蘇。復(fù)蘇成功后取適量菌液以四區(qū)劃線法均勻涂布于BHI瓊脂平板上，將平板倒置放入37℃恒溫厭氧箱中厭氧培養(yǎng)72 h。待平板上形成形態(tài)均一的黑色菌落后，挑取其中部分單克隆菌落進(jìn)行革蘭氏染色，并在光學(xué)顯微鏡下根據(jù)P.gingivalis的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)對復(fù)蘇的菌株進(jìn)行鑒定，鑒定無誤后，挑取若干單克隆菌落接種至BHI液體培養(yǎng)基中進(jìn)行增菌培養(yǎng)。

1.2.2 GLA對 P.gingivalis的藥物敏感性實(shí)驗(yàn) 取培養(yǎng)至對數(shù)生長期的P.gingivalis，用BHI培養(yǎng)基將菌液濃度調(diào)整至約2.0×107CFU/mL，備用。

實(shí)驗(yàn)組為用BHI培養(yǎng)基稀釋好的GLA與備用的菌液各100μL加入96孔板中混合，使其中GLA的終濃度分別為：1.25、2.5、5、10μmol/L，菌液的終濃度為1.0×107CFU/mL。對照組為菌液加BHI培養(yǎng)基，菌液終濃度同實(shí)驗(yàn)組。另設(shè)調(diào)零孔（200μL BHI培養(yǎng)基）用于實(shí)驗(yàn)組和對照組的調(diào)零。每組至少設(shè)置三副孔。

將上述配置好的孔板放入37℃恒溫厭氧箱中厭氧培養(yǎng)48 h后，用酶標(biāo)儀讀取各組在600 nm波長時(shí)的吸光度值（A值）。將A600＜0.05所對應(yīng)的最小濃度定為GLA對P.gingivalis的最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）［15］。各實(shí)驗(yàn)組的生長抑制率（%）＝［（對照組A600－調(diào)零孔A600）－（實(shí)驗(yàn)組A600－調(diào)零孔 A600）］/（對照組 A600－調(diào)零孔 A600）×100%。實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次。

各組取適量菌液涂布于BHI瓊脂血平板上，將平板倒置放入37℃恒溫厭氧箱中厭氧培養(yǎng)48 h，將觀察到菌落數(shù)量為0的最小濃度定為GLA對P.gingivalis的最小殺菌濃度（minimal bactericidal concentration，MBC）。

1.2.3 GLA對 P.gingivalis生物膜形成的影響 實(shí)驗(yàn)組按照 GLA終濃度分為：1/4 MIC（1.25μmol/L）、1/2 MIC（2.5μmol/L）、MIC（5μmol/L），對照組培養(yǎng)基中不加入GLA，具體處理過程同1.2.2。將配置好的96孔板放入37℃恒溫厭氧箱中厭氧培養(yǎng)48 h后取出，將孔板內(nèi)多余液體棄去，用PBS輕輕沖洗3次，注意沖洗過程盡量小心輕柔不要破壞生物膜的完整性。然后往孔板內(nèi)加入甲醇固定生物膜15 min，棄甲醇。待96孔板干燥后，往每孔中加入0.4%的結(jié)晶紫（crystal violet，CV）溶液染色15 min，棄染料，將多余染料沖洗干凈，待96孔板充分干燥后，每孔加入100μL 95%乙醇溶液，另設(shè)調(diào)零孔，調(diào)零孔內(nèi)只加100μL 95%乙醇溶液。蓋上蓋板輕輕震蕩1 h，最后用酶標(biāo)儀在波長550 nm處讀取 A值［16］。

1.2.4 GLA對P.gingivalis生物膜的代謝活性的影響分組及處理同1.2.3，將配置好的96孔板放入37℃恒溫厭氧箱中厭氧培養(yǎng)48 h后取出，將孔板內(nèi)多余液體棄去，用PBS輕輕沖洗3次，然后往孔板內(nèi)加入0.5%MTT 50μL，厭氧避光孵育4 h后棄去孔內(nèi)液體，加入100μL DMSO進(jìn)行溶解，另設(shè)調(diào)零孔，調(diào)零孔內(nèi)只加100μL DMSO。輕輕震蕩10 min后用酶標(biāo)儀在波長490 nm處讀取A值。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用Graphpad Prism 6.0軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。定量資料采用±s表示。采用單因素方差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié) 果

2.1 GLA對P.gingivalis的藥物敏感性實(shí)驗(yàn)

如表1所示，當(dāng)GLA濃度達(dá)到5μmol/L時(shí)，其所對應(yīng)的 A600＝0.024±0.008，是 A600＜0.05所對應(yīng)的最小濃度，故GLA對P.gingivalis的MIC為5μmol/L；在此濃度下有P.gingivalis細(xì)菌懸液中96%的細(xì)菌生長受到抑制（圖1）。當(dāng)GLA濃度達(dá)到1/2 MIC即2.5 μmol/L時(shí)，與對照組相比 P.gingivalis細(xì)菌懸液的生長已受到顯著的抑制效果（P＜0.05）（表1），此時(shí)GLA對P.gingivalis細(xì)菌懸液的生長抑制率已達(dá)61%（圖1）。雖然 10μmol/L GLA對 P.gingivalis細(xì)菌懸液的生長抑制率高達(dá)99%，但與5μmol/L組相比其差異并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）（圖1）。

圖1 不同濃度GLA對P.gingivalis細(xì)菌懸浮液生長的相對抑制率（與對照組相比，*P＜0.000 1）Fig 1 Relative inhabitation rate of GLA on P.gingivalis bacterial planktonic cultures（compared with control group，*P＜0.000 1）

表1 不同濃度GLA對P.gingivalis細(xì)菌懸浮液A值的影響 （±s）Tab 1 The effects of different concentrations of GLA on the A value of P.gingivalis bacterial planktonic cultures（±s）

表1 不同濃度GLA對P.gingivalis細(xì)菌懸浮液A值的影響 （±s）Tab 1 The effects of different concentrations of GLA on the A value of P.gingivalis bacterial planktonic cultures（±s）

注：與對照組比較，① P＜0.05

分組 對照組 實(shí)驗(yàn)組（μmol/L）1.25 2.5 5 10 A600 0.554±0.015 0.520±0.062 0.126±0.037① 0.024±0.008① 0.021±0.006①

如圖 2所示，當(dāng) GLA濃度為 2.5μmol/L和 5 μmol/L時(shí)，P.gingivalis在 BHI瓊脂血平板上的生長情況與對照組無明顯差異。當(dāng)GLA濃度為10μmol/L時(shí)，與對照組相比P.gingivalis的生長受到顯著抑制，只在劃線的起始部分觀察到明顯的成群的菌落，隨著劃線往后菌落數(shù)量也隨之減少，并且菌落密度也越來越低，甚至在劃線的末端已未見有明顯的黑色菌落形成。當(dāng)GLA的濃度達(dá)到20μmol/L時(shí)，BHI瓊脂血平板上的該區(qū)域內(nèi)未見有P.gingivalis菌落生長和形成，菌落數(shù)為 0，故 GLA對 P.gingivalis的 MBC為 20 μmol/L，為 MIC值的4倍。

圖2 不同濃度GLA對P.gingivalis在BHI瓊脂血平板上的生長情況的影響Fig 2 The effect of different concentrations of GLA on the growth of P.gingivalis on BHI agar blood plate

2.2 GLA對P.gingivalis生物膜形成的影響

圖3所示，當(dāng) GLA濃度達(dá)到1/4 MIC即1.25 μmol/L，GLA對 P.gingivalis生物膜的形成已經(jīng)具有具有顯著抑制作用（P＜0.01），與對照組相比能夠抑制 14%P.gingivalis生物膜的形成，而 1/2 MIC（2.5 μmol/L）的 GLA能抑制25%P.gingivalis生物膜的形成。當(dāng) GLA濃度升高到 MIC（5μmol/L），其對P.gingivalis生物膜形成的抑制作用進(jìn)一步增強(qiáng)，能抑制76%P.gingivalis生物膜的形成。結(jié)果表明，GLA對P.gingivalis生物膜的形成過程具有一定的抑制作用，并且該抑制作用隨著GLA濃度的升高而增強(qiáng)，呈濃度依賴性變化。

圖3 結(jié)晶紫染色法檢測不同濃度GLA對P.gingivalis生物膜形成的影響（*P＜0.01，**P＜0.000 1）Fig 3 The effect of different concentrations of GLA on the formation of P.gingivalis biofilm examined by crystal violet staining（*P＜0.01，**P＜0.000 1）

2.3 GLA對P.gingivalis生物膜代謝活性的影響

圖 4示當(dāng) GLA濃度達(dá)到1/4 MIC（1.25μmol/L），P.gingivalis生物膜代謝活性開始受到抑制（P＜0.01），此時(shí)有20%的生物膜代謝活性受到抑制；當(dāng)GLA的濃度上升到 1/2 MIC（2.5μmol/L）時(shí)，能抑制38%P.gingivalis生物膜的代謝活性；MIC（5μmol/L）時(shí)已有74%的生物膜代謝活性受到抑制（P＜0.000 1）。不同濃度的實(shí)驗(yàn)組之間的差異均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），說明 GLA對 P.gingivalis生物膜的代謝活性的抑制作用呈濃度依賴性，抑制作用從1.25μmol/L開始隨著GLA濃度的升高而不斷增強(qiáng)。

圖4 MTT法檢測不同濃度GLA對P.gingivalis生物膜生物活性的影響（與對照組相比，*P＜0.01，**P＜0.000 1）Fig 4 The effect of different concentrations of GLA on the viability of P.gingivalis biofilm examined by MTT assay（compared with control group，*P＜0.01，**P＜0.000 1）

3 討 論

藥物治療雖然是治療牙周炎的一種輔助手段，但在牙周組織的急性感染、器械不易到達(dá)的感染部位以及伴有全身性疾病的患者或不能行使口腔衛(wèi)生措施的患者等特殊情況下往往能發(fā)揮非常重要的作用。鑒于目前抗生素的使用存在著諸如耐藥性等在內(nèi)的一系列問題［17］，天然化合物的使用已經(jīng)逐漸成為了研究的熱點(diǎn)，越來越多的證據(jù)表明一些天然化合物能夠?qū)Π≒.gingivalis在內(nèi)的牙周致病菌的細(xì)菌懸液及生物膜產(chǎn)生抑制作用［18－20］。

GLA是一種提取自藍(lán)萼香茶菜的天然化合物，具有良好的生物活性和較高的生物安全性，其抗菌活性很早就被人們發(fā)現(xiàn)和研究。早在1954年，就有日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)從香茶菜中提取出來的對映－貝殼杉烷型二萜類化合物具有抑制革蘭氏陽性細(xì)菌生長的作用。后來又有中國學(xué)者發(fā)現(xiàn)：藍(lán)萼香茶菜的莖和葉的乙醇提取物對革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出較好的抑菌活性，莖和葉的乙醇提取物對金黃色葡萄球菌的MIC分別為 25 mg/mL和 50 mg/mL［21］。金忠民等［22］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示藍(lán)萼香茶菜提取物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均有抑制作用，并且采用不同的提取劑其MIC也不一樣。在上述實(shí)驗(yàn)中研究的藍(lán)萼香茶菜提取物其實(shí)是藍(lán)萼香茶菜的一種粗提取物，其中除了含有主要的活性成分GLA之外還有一些其他的化學(xué)成分。目前尚無針對分離純化后的GLA的抗菌活性的相關(guān)研究，本實(shí)驗(yàn)是首次將分離純化的GLA用于體外抗菌實(shí)驗(yàn)。

MIC的定義為：在特定時(shí)間段內(nèi)肉眼能觀察到的抑制微生物生長的最小藥物濃度，MIC實(shí)驗(yàn)的金標(biāo)準(zhǔn)包括微量肉湯稀釋法和瓊脂稀釋法，本實(shí)驗(yàn)在微量肉湯稀釋法的基礎(chǔ)之上采用酶標(biāo)儀在特定波長下測定A值的方法來判定GLA的MIC值，這種方法較大多數(shù)實(shí)驗(yàn)所采用的肉眼判讀方法更為客觀和準(zhǔn)確［12］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示GLA對P.gingivalis的 MIC為5μmol/L（約1.66μg/mL），遠(yuǎn)小于上述實(shí)驗(yàn)中用藍(lán)萼香茶菜提取物所測得的MIC，這一結(jié)果一方面證明了GLA具有良好的抗菌活性，另一方面還提示了GLA很可能就是藍(lán)萼香茶菜提取物中發(fā)揮主要抗菌作用的活性成分。采用分離純化后的GLA，排除了其他化學(xué)成分可能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，從而使得本實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果更加的具體、準(zhǔn)確，更具說服力，并且對于后續(xù)研究及實(shí)際臨床運(yùn)用更具參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

牙周致病微生物在口腔中往往是以生物膜的形式存在的。細(xì)菌生物膜的特殊結(jié)構(gòu)使得其既不能被水沖去或漱掉，同時(shí)也使得其中的細(xì)菌能夠抵抗表面活性劑、抗生素或宿主防御功能的殺滅作用。相關(guān)研究顯示，細(xì)菌生物膜的基質(zhì)能夠阻止抗生素進(jìn)入嵌入其中的細(xì)菌細(xì)胞，所以即使抗生素能夠通過物理作用在生物膜表面流動也無法穿透生物膜基質(zhì)發(fā)揮其殺菌作用［23］。本實(shí)驗(yàn)采用結(jié)晶紫染色法來進(jìn)行生物膜的敏感性實(shí)驗(yàn)，這是生物膜檢測的一種標(biāo)準(zhǔn)方法［24］，即用結(jié)晶紫染料對生物膜成分進(jìn)行染色，使生物膜中的活細(xì)胞、死細(xì)胞以及生物膜基質(zhì)染色，然后再通過染色的深淺程度來對生物膜進(jìn)行量化分析，相關(guān)證據(jù)表明此法的檢出率優(yōu)于其他生物膜檢測方法。MTT實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理是利用活細(xì)胞中的琥珀酸脫氫酶將外源性的MTT還原為不溶于水的紫色結(jié)晶狀甲臜（Formazan），甲臜能夠溶解于二甲亞砜（DMSO），溶解后能夠用酶標(biāo)儀對其進(jìn)行定量分析［25］。MTT實(shí)驗(yàn)雖然常常用于細(xì)胞毒性的檢測試驗(yàn)，但實(shí)際上它同樣可以運(yùn)用于微生物實(shí)驗(yàn)，如：多重耐藥菌的檢測試驗(yàn)、生物膜形成的測定實(shí)驗(yàn)以及抗菌化合物的間接定量檢測實(shí)驗(yàn)等，與結(jié)晶紫染色實(shí)驗(yàn)相比，MTT實(shí)驗(yàn)除了能夠?qū)ι锬みM(jìn)行定位和定量分析之外，最主要的是能夠反映生物膜中活細(xì)菌的存在，從而能夠?qū)ι锬さ拇x活性進(jìn)行定量的分析，是對結(jié)晶紫染色實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和延伸。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示GLA對P.gingivalis生物膜的形成過程及其生物學(xué)活性均具有抑制作用，當(dāng)GLA濃度達(dá)到對P.gingivalis浮游菌具有顯著抑制作用的MIC值時(shí)，其對P.gingivalis生物膜的形成和代謝活性也同樣有較為顯著的抑制作用。GLA的這一特性能夠使其在抑制牙周致病菌生長的同時(shí)還能夠有效防止細(xì)菌粘附和定植，阻止其在口腔中形成生物膜，從而進(jìn)一步阻止牙周致病菌對牙周組織的的損害。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)證明GLA作為一種天然化合物，對P.gingivalis有較好的抑菌效果，并且還能夠有效抑制P.gingivalis生物膜的形成及代謝活性，加之其較高的生物安全性及較好的抗炎活性［26］，GLA有望成為牙周炎輔助治療的一種新型藥物，在防止牙周致病菌的定植、抑制口腔生物膜的形成和生長及減輕牙周組織炎癥反應(yīng)等方面發(fā)揮作用。