藥用植物揮發(fā)油的抗菌作用及機(jī)制研究進(jìn)展

李旭領(lǐng)，郭月婷，王一佳，趙含羽，郭玉茹，田春蓮，張德顯，劉明春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與醫(yī)學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

揮發(fā)油又稱精油，通常是指從植物的花、葉、根、種子、果實(shí)、樹皮、樹脂、木心等部位提煉萃取得到的揮發(fā)性、芳香性物質(zhì)。揮發(fā)油是一類可隨水蒸氣蒸餾而與水不相混溶的油狀液體，具有香氣，在常溫下可揮發(fā)，具有抗菌、抗炎、抗病毒、抗氧化、抗腫瘤、解熱鎮(zhèn)痛、止咳平喘、驅(qū)蟲等功效[1]；其源于自然，對(duì)人體相對(duì)安全。藥用植物揮發(fā)油由多種成分組成，其中萜類占多數(shù)，還有脂肪族和芳香族的烴及少量氧化物。化學(xué)研究表明，牡荊中主要有木脂素類、黃酮類、萜類、酚酸類等化學(xué)成分，由牡荊葉提取的揮發(fā)油制成的油膠丸已被載入中國(guó)藥典[2]。由于抗生素的廣泛應(yīng)用，細(xì)菌的耐藥性逐漸增強(qiáng)，尋找新型抗耐藥菌藥物已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。而藥用植物揮發(fā)油具有分子質(zhì)量小、脂溶性強(qiáng)、易透過體內(nèi)生物膜和生物利用度高等特點(diǎn)[3]，有望將其開發(fā)為新型替抗藥物。本文對(duì)藥用植物揮發(fā)油的抗菌活性、抗菌作用機(jī)制、抗菌過程中的聯(lián)合應(yīng)用等方面研究進(jìn)展綜述，以期為開發(fā)新型抗菌藥物提供參考。

1 藥用植物揮發(fā)油的抗菌活性

藥用植物揮發(fā)油活性成分包括萜類、酚類、醇類、醛類、酮類等化合物，均具有廣譜的抗菌活性。含有醛類或酚類物質(zhì)的揮發(fā)油，如檸檬醛、丁香酚或百里酚等化合物的抗菌活性最高；其次是含有萜烯醇的揮發(fā)油；而含酮或酯類的揮發(fā)油抗菌活性較弱。常見藥用植物揮發(fā)油的抗菌活性成分及其抗菌活性見表1。

2 藥用植物揮發(fā)油的抗菌作用機(jī)制

從天然植物中提取的揮發(fā)油，其抗菌活性取決于化學(xué)成分的種類和含量，其作用不是由一種特定機(jī)制引起的，而是涉及整個(gè)細(xì)菌細(xì)胞的一連串反應(yīng)。目前的研究報(bào)道顯示，天然植物揮發(fā)油及其成分抗菌作用機(jī)制主要包括改變細(xì)菌細(xì)胞壁與細(xì)胞膜的通透性、抑制細(xì)菌核酸和蛋白質(zhì)的合成、抑制ATP合成和影響菌體的群體感應(yīng)(quorum sensing，QS)活性等。

2.1 對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的影響

細(xì)胞膜的完整性對(duì)于維持微生物的正常生命活動(dòng)具有重要意義。藥用植物揮發(fā)油能增加細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，干擾細(xì)胞的正常代謝，從而殺滅細(xì)菌。

潘旭遲等[4]通過測(cè)定菌液電導(dǎo)率和掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)檸檬油、茶樹油、留蘭香油的活性成分檸檬烯、1,8-桉葉素和左旋香芹酮均可改變細(xì)菌細(xì)胞膜通透性，使細(xì)胞皺縮，以此達(dá)到抗菌效果。Lambert R J等[22]發(fā)現(xiàn)百里酚、香芹酚可使細(xì)菌細(xì)胞膜損傷，引起大量離子泄漏，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。另據(jù)報(bào)道，丁香揮發(fā)油處理金黃色葡萄球菌后，細(xì)胞由正常的球形變?yōu)椴灰?guī)則形狀，細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)膜變得凹凸不平，部分細(xì)胞壁破裂[23]。

脂質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞膜的一種成分，而親脂性成分可通過改變不飽和脂肪酸的比例來破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。揮發(fā)油組分對(duì)脂肪酸酶具有很強(qiáng)的作用，而脂肪酸酶可影響不飽和脂肪酸的鏈長(zhǎng)和比例。百里酚、丁香酚可降低不飽和C18脂肪酸的濃度，增加飽和C16和C18脂肪酸的數(shù)量[24]。牛至揮發(fā)油可促進(jìn)鼠傷寒沙門氏菌中不飽和脂肪酸的合成和順反異構(gòu)化[25]。以上研究均表明藥用植物揮發(fā)油對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜有破壞作用。

表1 常見藥用植物揮發(fā)油的抗菌活性

2.2 對(duì)細(xì)菌核酸和蛋白質(zhì)的影響

DNA作為基因復(fù)制及轉(zhuǎn)錄的模板，當(dāng)DNA受到破壞或其復(fù)制受到抑制時(shí)，必將影響其生長(zhǎng)繁殖。藥用植物揮發(fā)油及其活性成分可通過抑制DNA、RNA、肽聚糖、蛋白質(zhì)等的生物合成，使相關(guān)基因無法表達(dá)而達(dá)到抗菌作用。

有研究表明，肉桂醛通過與微管蛋白的原核同源物FtsZ的結(jié)合，減少了大腸埃希氏菌細(xì)胞分裂之間的相互作用，從而影響分裂蛋白的聚合來阻礙細(xì)胞分裂[26]。汪曉輝等[19]發(fā)現(xiàn)，在佛手揮發(fā)油主要成分橙皮苷的作用下，金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)緩慢，胞外可溶性蛋白質(zhì)含量和胞外核酸相對(duì)含量增加。丁香揮發(fā)油一方面破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)菌死亡；另一方面，在破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)后進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，然后抑制細(xì)菌生長(zhǎng)所需的DNA和蛋白質(zhì)的正常合成[23]。藥用植物揮發(fā)油直接或間接作用于細(xì)菌核酸和蛋白質(zhì)，進(jìn)而影響細(xì)菌的生理功能和生長(zhǎng)繁殖。

2.3 對(duì)細(xì)菌能量代謝的影響

三磷酸腺苷(ATP)是所有生物細(xì)胞的能量來源，不僅在呼吸和代謝中起著重要作用，也是許多酶反應(yīng)中最重要的能量來源。藥用植物揮發(fā)油可通過改變ATP酶的活性進(jìn)而影響細(xì)菌功能。

據(jù)報(bào)道，丁香酚和百里酚對(duì)念珠菌的抗菌作用是通過抑制ATP酶，使得細(xì)胞內(nèi)的環(huán)境呈酸性，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡[27]。郭俸鈺等[28]研究發(fā)現(xiàn)，芳樟醇對(duì)大腸埃希氏菌的作用時(shí)間越長(zhǎng)，細(xì)胞內(nèi)ATP含量降低越顯著。藥用植物揮發(fā)油通過減少細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)ATP的合成，阻礙細(xì)胞生長(zhǎng)，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

2.4 對(duì)群體感應(yīng)的影響

群體感應(yīng)(quorum sensing，QS)是指微生物群體在其生長(zhǎng)過程中，因群體密度的增加，導(dǎo)致其生理和生化特性的變化，顯示出少量菌體或單個(gè)菌體所不具備的特征。細(xì)菌可以向周圍環(huán)境釋放小分子信號(hào)因子，如?；呓z氨酸內(nèi)酯(AHL)、寡肽類分子(AIP)、自體誘導(dǎo)分子-2(AI-2)。信號(hào)分子濃度達(dá)到一定水平可通過相關(guān)蛋白的信號(hào)傳遞影響基因的表達(dá)，調(diào)控微生物群體生理活動(dòng)，如質(zhì)粒轉(zhuǎn)移、生物被膜形成、毒力因子表達(dá)、DNA轉(zhuǎn)錄、胞外蛋白酶產(chǎn)生、色素生成和次生代謝物的產(chǎn)生等[29]。藥用植物揮發(fā)油能夠通過抑制菌體的群體感應(yīng)達(dá)到抗菌的效果。

有研究表明，香芹酚可以通過抑制銅綠假單胞菌中乙酰高絲氨酸內(nèi)酯合成酶LasI的活性，同時(shí)降低轉(zhuǎn)錄激活因子lasR的表達(dá)，進(jìn)而影響?；呓z氨酸內(nèi)酯的產(chǎn)生，最終抑制銅綠假單胞菌的群體感應(yīng)，達(dá)到抑制毒力因子表達(dá)，發(fā)揮良好的抗菌效果[30]。錢靜漪[31]以金黃色葡萄球菌為試驗(yàn)菌株，研究發(fā)現(xiàn)茅蒼術(shù)揮發(fā)油能夠抑制群體感應(yīng)相關(guān)基因AgrA和Hla的表達(dá)。另據(jù)報(bào)道，百里香酚能夠抑制生物被膜相關(guān)基因Luxs的表達(dá)[32]。藥用植物揮發(fā)油通過抑制信號(hào)因子阻礙群體感應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)，影響細(xì)菌的理化性質(zhì)，發(fā)揮抗菌作用。

3 藥用植物揮發(fā)油的聯(lián)合抗菌作用

3.1 藥用植物揮發(fā)油與天然活性成分的聯(lián)合作用

含有不同成分的揮發(fā)油可以相互作用，從而降低或增強(qiáng)其抗菌效果。藥用植物揮發(fā)油的抗菌活性普遍高于其主要化合物，其抗菌活性是主要化合物與次要化合物共同作用的結(jié)果[33]。

黃涵年等[34]研究發(fā)現(xiàn)，肉桂與丁香、肉桂與連翹揮發(fā)油復(fù)配后對(duì)大腸埃希氏菌表現(xiàn)出相加作用，對(duì)金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出協(xié)同作用。與單一的藥用植物揮發(fā)油相比，揮發(fā)油混合物可能因成分多樣性而具有抗菌譜廣、抗菌活性強(qiáng)的特點(diǎn)，從而可以減少使用劑量，降低揮發(fā)油氣味帶來的負(fù)面影響。

3.2 藥用植物揮發(fā)油與抗菌藥物的聯(lián)合作用

藥用植物揮發(fā)油的種類較多，活性成分較復(fù)雜，抗菌機(jī)制獨(dú)特，目前未見有關(guān)細(xì)菌對(duì)藥用植物揮發(fā)油產(chǎn)生耐藥性的報(bào)道。有研究發(fā)現(xiàn)，丁香油具有明顯的抗耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)活性，且不易產(chǎn)生耐藥性，其與β-內(nèi)酰胺類藥物聯(lián)用時(shí)對(duì)MRSA呈協(xié)同作用，可降低臨床β-內(nèi)酰胺類藥物的用量[35]。梁小雪等[36]發(fā)現(xiàn)，丁香揮發(fā)油與喹諾酮類藥物聯(lián)用對(duì)MRSA也有明顯的協(xié)同抑制作用。另據(jù)報(bào)道，苦橙葉油與阿米卡星、四環(huán)素聯(lián)用時(shí)對(duì)大腸埃希氏菌呈協(xié)同作用；且苦橙葉油與阿米卡星聯(lián)用時(shí)，6 h內(nèi)完全抑制了沙門氏菌的生長(zhǎng)[37]。藥用植物揮發(fā)油與抗生素聯(lián)用之后可以加強(qiáng)對(duì)病原菌的殺滅效果，減少抗生素的用量。

4 結(jié)語與展望

為應(yīng)對(duì)耐藥菌感染導(dǎo)致的抗生素療效降低的困境，在動(dòng)物養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的“減抗替抗”政策引領(lǐng)下，從藥用植物中尋找新的抗菌活性物質(zhì)成了趨勢(shì)所向。我國(guó)豐富的芳香植物資源為研究藥用植物揮發(fā)油及其活性抗菌成分、開發(fā)新型綠色抗菌藥物提供了良好的資源。藥用植物揮發(fā)油具有良好的廣譜抗菌活性，各成分之間多表現(xiàn)為協(xié)同作用，可通過多靶點(diǎn)發(fā)揮抗菌作用，故不易產(chǎn)生耐藥性；且具有作用速度快、毒副作用小等特點(diǎn)，已引起人們的關(guān)注。有關(guān)藥用植物揮發(fā)油的抗菌機(jī)理研究還不夠深入，其明確的靶點(diǎn)和作用方式還不清楚，未來需通過現(xiàn)代分子生物學(xué)等手段進(jìn)一步研究其抗菌機(jī)理。為了克服藥用植物揮發(fā)油易揮發(fā)、穩(wěn)定性差等不足之處，則有望利用現(xiàn)代制劑技術(shù)和手段將其制成新型制劑，以提高其穩(wěn)定性和生物利用度。