馮荊城,莊彬彬,李中燕,馬月龍,李心想,陳雅娟
(細(xì)胞逆境響應(yīng)與代謝調(diào)控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 福建 福州 350108)
1928年,亞歷山大·弗萊明醫(yī)生在實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)青霉菌具有殺滅清除細(xì)菌的作用,進(jìn)而找到了青霉素這一具有抗擊傳染性疾病的強(qiáng)效藥物,并在第二次世界大戰(zhàn)中挽救了無數(shù)受傷士兵的生命,這預(yù)示了“抗生素時(shí)代”的到來[1]。至此開始,抗生素被廣泛發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等領(lǐng)域,成為保證人類健康、防治動(dòng)物疫病以提高養(yǎng)殖效益的一大必備藥品[2-3]??股氐呐R床應(yīng)用可以說是20世紀(jì)最大的醫(yī)學(xué)突破[4]。
隨著抗生素的廣泛使用,也引發(fā)諸多問題,其中最引人關(guān)注的即是抗生素的濫用致使病原菌對(duì)抗生素逐漸演化出耐藥性,該現(xiàn)象在近幾十年愈演愈烈,嚴(yán)重威脅病人生命與健康[5-6],同時(shí)威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性,并對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成巨大影響。因此,在2014年世界衛(wèi)生組織已將抗生素耐藥列為21世紀(jì)最重要的公共衛(wèi)生威脅之一[7]。有調(diào)查預(yù)測(cè),若不采取措施使當(dāng)前存在的不合理使用抗生素的趨勢(shì)繼續(xù)演化下去,到2050年,全球每年將有1 000萬人死于耐藥性感染[8]。
細(xì)菌面對(duì)不同抗生素的殺滅作用已經(jīng)進(jìn)化出了復(fù)雜的耐藥機(jī)制。(1)產(chǎn)生鈍化酶[9];(2)耐藥菌進(jìn)化出主動(dòng)外排機(jī)制[10];(3)抗生素殺菌靶點(diǎn)修飾[11];(4)降低外膜滲透性[12]。針對(duì)以上錯(cuò)綜復(fù)雜的耐藥機(jī)制,研究人員將目光聚焦在:(1)研發(fā)新型抗生素;(2)探索新的殺菌靶點(diǎn)和抑制劑;(3)尋找能夠輔助現(xiàn)有抗生素殺菌的佐劑及方法策略。而自從20世紀(jì)70年代開始,抗生素新藥研發(fā)進(jìn)展緩慢,研發(fā)周期長(zhǎng)、資金投入巨大,許多生物公司已經(jīng)停止相關(guān)項(xiàng)目[13]。提高現(xiàn)有抗生素殺菌效率或者尋找新的殺菌靶點(diǎn)和抑制劑或許才是未來有效解決細(xì)菌耐藥的方法,研究人員通過外源添加葡萄糖[14]、5-甲基吲哚[15]、正丁醇[16]、丙氨酸[17]增強(qiáng)氨基糖苷類抗生素殺菌效果,也尋找出一系列輔助殺菌的方法策略,例如:低離子休克[18]、冰凍[19]等。與抗生素單處理相比,上述佐劑及方法均可在較短時(shí)間內(nèi)提高抗生素殺菌效率,這種“新瓶裝舊酒”的殺菌方式在未來應(yīng)用潛力巨大。
實(shí)驗(yàn)室已有的研究發(fā)現(xiàn),正丁醇能夠較好地輔助氨基糖苷類抗生素殺滅金黃色葡萄球菌持留菌、MRSA及多種致病菌[16],看到了醇類在抗擊細(xì)菌耐藥方面的巨大潛力。本研究共測(cè)試了8種丁醇類有機(jī)化合物與妥布霉素雙處理對(duì)平臺(tái)期大腸桿菌進(jìn)行殺滅5 h的殺菌效果,從中篩選出了1,2-丁二醇(1,2-Butanediol,BD)具有良好的輔助氨基糖苷類抗生素殺滅大腸桿菌的作用。1,2-丁二醇廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品保濕劑、穩(wěn)定劑、增塑劑等領(lǐng)域[20]。本研究首次發(fā)現(xiàn)1,2-丁二醇在輔助傳統(tǒng)殺菌型抗生素增效方面的良好效果,未來有望拓展1,2-丁二醇在醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,為抗生素“增效減毒”做出貢獻(xiàn)。
以大腸桿菌模式菌株BW25113為試驗(yàn)材料,10株臨床耐藥大腸桿菌由福建醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院饋贈(zèng)。
氨基糖苷類抗生素:妥布霉素(Tob)、慶大霉素(Genta)、鏈霉素(Strep)、卡那霉素(Kana)、阿米卡星(Amk)、奈替米星(Net)。β-內(nèi)酰胺類抗生素:氨芐青霉素(Amp)、羧芐青霉素(Car)。喹諾酮類抗生素:氧氟沙星(Ofl)、環(huán)丙沙星(Cip)。
1.2.1菌種活化及稀釋點(diǎn)板方法 菌種活化:吸取-80℃凍存的大腸桿菌菌液1 μL,加入到1 mL LB液體培養(yǎng)基中,于搖床(37℃,220 r·min-1)培養(yǎng)12 h進(jìn)行菌種活化,所得菌液稀釋500倍,接種于20 mL的LB液體培養(yǎng)基中,于搖床(37℃,220 r·min-1)培養(yǎng)24 h,即得平臺(tái)期大腸桿菌菌液。
稀釋點(diǎn)板:經(jīng)不同試驗(yàn)要求處理后吸出50 μL的菌液離心(13 000 r·min-1,2 min),去除上清液,然后用100 μL PBS緩沖液重懸菌體,洗滌兩次后,再加入50 μL PBS緩沖液重懸菌體(使其與原菌液相同體系)。所得菌液按每次10倍的梯度用PBS緩沖液稀釋,稀釋梯度為101、102、103、104、105,每個(gè)稀釋度取4 μL菌液點(diǎn)鍍?cè)贚B固體培養(yǎng)基平板上,倒置于37℃恒溫培養(yǎng)箱12 h后,檢查細(xì)菌死亡并進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)算大腸桿菌經(jīng)處理后的存活率(注:殺菌測(cè)試試驗(yàn)的菌液活化、洗脫、點(diǎn)板均與上述方法相同,僅是處理時(shí)的抗生素類型、濃度,1,2-丁二醇的濃度及處理時(shí)間不同)。
1.2.28種丁醇類化合物與妥布霉素雙處理殺滅平臺(tái)期大腸桿菌效果測(cè)試 取平臺(tái)期大腸桿菌,分別吸取500 μL菌液分裝于18個(gè)無菌玻璃搖菌管中,編號(hào)為1~18。1號(hào)管作為空白對(duì)照組不經(jīng)任何處理,2~9號(hào)管內(nèi)分別加入正丁醇、異丁醇、叔丁醇、2-丁醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇,濃度為30 mmol·L-1,10號(hào)管中加入妥布霉素(200 μg·mL-1)作為妥布霉素單處理組,11~18號(hào)管分別按序加入上述8種醇(30 mmol·L-1),并分別加入妥布霉素(200 μg·mL-1),將上述18個(gè)搖菌管置于37℃搖床(220 r·min-1)孵育5 h處理。
1.2.31,2-丁二醇輔助妥布霉素殺滅平臺(tái)期大腸桿菌的濃度梯度測(cè)試 取平臺(tái)期大腸桿菌,分別吸取500 μL菌液分裝于20個(gè)無菌玻璃搖菌管中,編號(hào)為1~20。1~10號(hào)管為1,2-丁二醇單處理組,設(shè)置1,2-丁二醇濃度梯度為0(未添加1,2-丁二醇的空白對(duì)照組)、1、3、5、8、10、30、50、80、100 mmol·L-1;11~20號(hào)管為1,2-丁二醇與妥布霉素雙處理組,在按序添加上述1,2-丁二醇濃度后,在每管中再添加妥布霉素(200 μg·mL-1),將上述20個(gè)搖菌管置于37℃搖床(220 r·min-1)孵育5 h處理。
1.2.41,2-丁二醇輔助殺菌型抗生素殺滅平臺(tái)期大腸桿菌效果測(cè)試 1,2-丁二醇與3類殺菌型抗生素聯(lián)合應(yīng)用處理:取平臺(tái)期大腸桿菌,分別吸取500 μL菌液分裝于14個(gè)無菌玻璃搖菌管中,編號(hào)為1~14。1號(hào)管為未處理空白對(duì)照組,2~7管為抗生素單處理組,其中2~3號(hào)管分別添加妥布霉素、慶大霉素(各200 μg·mL-1),4~5號(hào)管分別添加氨芐青霉素、羧芐青霉素(各2000 μg·mL-1),6~7號(hào)管分別添加氧氟沙星、環(huán)丙沙星(各10 μg·mL-1);8號(hào)管為1,2-丁二醇單處理組(濃度為50 mmol·L-1),9~14號(hào)管為抗生素與1,2-丁二醇雙處理組,在按序添加了上述抗生素后,在每管中再添加1,2-丁二醇(50 mmol·L-1),將上述14個(gè)搖菌管置于37℃搖床(220 r·min-1)孵育5 h處理。
1,2-丁二醇與6種氨基糖苷類抗生素雙處理:6種氨基糖苷類抗生素各設(shè)置2個(gè)濃度,分別為妥布霉素(Tob1=200 μg·mL-1、Tob2=500 μg·mL-1)、慶大霉素(Genta1=100 μg·mL-1、Genta2=200 μg·mL-1)、鏈霉素(Strep1=200 μg·mL-1、Strep2=500 μg·mL-1)、卡那霉素(Kana1=1 000 、Kana2=1 500 μg·mL-1)、阿米卡星(Amk1=1 000 μg·mL-1、Amk2=1 500 μg·mL-1)、奈替米星(Net1=100 μg·mL-1、Net2=200 μg·mL-1),以妥布霉素的處理為例,取活化后所得平臺(tái)期大腸桿菌,分別吸取500 μL菌液分裝于5個(gè)無菌玻璃搖菌管中,編號(hào)為1~5。1號(hào)管為0 h未處理組,2號(hào)管、3號(hào)管分別添加妥布霉素200、500 μg·mL-1,4號(hào)管、5號(hào)管在分別添加上述妥布霉素外再添加1,2-丁二醇(50 mmol·L-1),然后放置到搖床(37 ℃,220 r·min-1)孵育,設(shè)置0~5 h時(shí)間梯度,每1 h取樣50 μL進(jìn)行點(diǎn)板。其余5種抗生素均以上述方法進(jìn)行處理。
1.2.5妥布霉素?cái)z取 (1)標(biāo)準(zhǔn)品制備:分別吸取平臺(tái)期大腸桿菌1 mL置于6管1.5 mL EP管中,13 000 r·min-1,2 min離心,去上清,PBS洗脫3次,加入100 μL溶菌酶(2 mg·mL-1)于菌樣中,用移液槍小心吹打菌樣混勻;然后分別加入不同濃度的妥布霉素,設(shè)置0、20、40、60、80、100 μg·mL-1的妥布霉素濃度梯度。(2)試驗(yàn)樣品制備:分別吸取1 mL平臺(tái)期大腸桿菌菌液于4個(gè)玻璃搖菌管中,編號(hào)為1~4,妥布霉素濃度為管1、2:200 μg·mL-1,管3、4:500 μg·mL-1,再往管2、4加入1,2-丁二醇(50 mmol·L-1),將這4管放置到37℃搖床220 r·min-1處理3 h轉(zhuǎn)移至1.5 mLEP管中,離心后去上清,PBS洗脫3遍,洗去細(xì)菌表面殘留妥布霉素,最后加入100 μL溶菌酶于菌樣中吹打混勻。
將上述標(biāo)準(zhǔn)品及試驗(yàn)樣品放置到翻轉(zhuǎn)混勻儀上室溫裂解3 h。裂解完成后置于-80℃超低溫冰箱中冰凍2 min,然后取出靜置等待融化,反復(fù)凍融3次使細(xì)菌充分裂解,接著將其放到90℃加熱10 min,使溶菌酶失活。待冷卻后離心,吸取上清液至新的1.5 mLEP管中做好標(biāo)記,然后將上清液點(diǎn)鍍?cè)谕繚M對(duì)數(shù)期大腸桿菌的平板上,每個(gè)樣品重復(fù)3次,待吹干后置于37℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)倒置過夜培養(yǎng)。最后測(cè)量抑菌圈的直徑,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)品的抑菌圈面積,作出標(biāo)準(zhǔn)曲線,將樣品的抑菌圈面積代入公式中即可測(cè)算出試驗(yàn)樣品組的大腸桿菌攝取抗生素的情況。
1.2.61,2-丁二醇輔助妥布霉素、慶大霉素殺滅臨床耐藥大腸桿菌 在進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)時(shí)根據(jù)不同株臨床大腸桿菌的耐藥程度選擇不同濃度的抗生素,其中210215749、210215826、210305607、210215736、210305638、210409104、210215869這7株菌的妥布霉素、慶大霉素濃度均選擇500 μg·mL-1,210829776、210117528、210305622這3株菌的妥布霉素、慶大霉素濃度均選擇200 μg·mL-1。以210215749菌株為例,取活化后所得平臺(tái)期210215749,分別吸取500 μL于4個(gè)玻璃搖菌管中,1~2號(hào)管分別添加妥布霉素、慶大霉素(500 μg·mL-1),3~4號(hào)管在添加上述同等抗生素后,在每管中再添加1,2-丁二醇(50 mmol·L-1),然后放置到搖床(37℃,220 r·min-1)孵育處理5 h,剩余9株菌株均以同樣方法進(jìn)行處理。
試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)通過ANOVA算法進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)來源于3次獨(dú)立試驗(yàn)。
由圖1可知,處理5 h后,8組丁醇類化合物(30 mmol·L-1)單處理與空白對(duì)照組在殺菌效果上沒有顯著性差異。妥布霉素(200 μg·mL-1)單處理與空白對(duì)照組相比僅展現(xiàn)了輕微的殺菌作用,殺菌數(shù)量在1個(gè)數(shù)量級(jí)以內(nèi)。而8種丁醇類化合物分別與妥布霉素進(jìn)行雙處理的測(cè)試結(jié)果中,1,2-丁二醇與妥布霉素雙處理的殺菌效果與妥布霉素單處理相比增強(qiáng)了約5個(gè)數(shù)量級(jí)的殺菌效果??梢?,在這8種丁醇化合物中,1,2-丁二醇對(duì)妥布霉素殺滅大腸桿菌的輔助效果最具潛力,因此選用1,2-丁二醇用于后續(xù)研究。
注:“control”表示無添加任何醇類,“-”表示無添加妥布霉素,“+”表示添加妥布霉素
由圖2可知,1,2-丁二醇單處理在0~100 mmol·L-1濃度梯度范圍內(nèi)均無顯著殺菌現(xiàn)象。而采用1,2-丁二醇與妥布霉素雙處理后,在1,2-丁二醇濃度低至3 mmol·L-1時(shí)即出現(xiàn)了輔助妥布霉素殺菌的現(xiàn)象,并且隨著1,2-丁二醇濃度越高輔助妥布霉素殺滅大腸桿菌效果越顯著,在1,2-丁二醇濃度為10~50 mmol·L-1時(shí)輔助妥布霉素殺菌效果出現(xiàn)了較大的跨度,50 mmol·L-1與80 mmol·L-1殺菌效果對(duì)比無顯著性差異(P>0.05),因此后續(xù)研究將1,2-丁二醇濃度定為50 mmol·L-1。
注:NS表示差異不顯著(P>0.05);**表示差異極顯著(P<0.01)
從圖3A結(jié)果可知,在處理5 h后,1,2-丁二醇輔助妥布霉素、慶大霉素這兩種氨基糖苷類抗生素殺滅平臺(tái)期大腸桿菌效果明顯,組間差異極顯著(P<0.000 1);而1,2-丁二醇與喹諾酮類抗生素中的氧氟沙星雙處理,1,2-丁二醇僅具有一定的輔助殺菌的效果(P<0.05),與環(huán)丙沙星的雙處理中,1,2-丁二醇在輔助殺菌上的效果通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析無顯著性差異(P>0.05);此外,針對(duì)同屬于青霉素類抗生素的氨芐青霉素和羧芐青霉素,1,2-丁二醇均無顯著性輔助殺菌作用(P>0.05)??梢?,在這3類殺菌型抗生素中,1,2-丁二醇輔助氨基糖苷類抗生素的殺菌效果最佳,這可能是由于不同抗生素的殺菌機(jī)制、抗生素的分子大小不同導(dǎo)致的。
注:A為1,2-丁二醇輔助3類殺菌型抗生素殺滅平臺(tái)期大腸桿菌效果測(cè)試;B-F為1,2-丁二醇輔助6種氨基糖苷類抗生素殺滅平臺(tái)期大腸桿菌效果測(cè)試;Tob1表示妥布霉素濃度為200 μg·mL-1、Tob2表示妥布霉素濃度為500 μg·mL-1;Gen1表示慶大霉素濃度為100 μg·mL-1、Gen2表示慶大霉素濃度為200 μg·mL-1;Strep1表示鏈霉素濃度為200 μg·mL-1、Strep2表示鏈霉素濃度為500 μg·mL-1;Kana1表示卡那霉素濃度為1 000 μg·mL-1、Kana2表示卡那霉素濃度為1 500 μg·mL-1;Amk1表示阿米卡星濃度為1 000 μg·mL-1、Amk2表示阿米卡星濃度為1 500 μg·mL-1;Net1表示奈替米星濃度為100 μg·mL-1、Net2表示奈替米星濃度為200 μg·mL-1;NS表示組間沒有顯著性差異;*表示差異顯著(P<0.05);****表示差異極顯著(P<0.000 1)
為了驗(yàn)證1,2-丁二醇在輔助氨基糖苷類抗生素作用上是否具有廣譜效應(yīng),本研究測(cè)試了6種氨基糖苷類抗生素與1,2-丁二醇雙處理的殺菌效果,分別是妥布霉素、慶大霉素、鏈霉素、卡那霉素、阿米卡星、奈替米星,且每種抗生素選擇2個(gè)濃度,并設(shè)置0~5 h的時(shí)間梯度。由圖3B~F可知,1,2-丁二醇對(duì)6種氨基糖苷類抗生素均有輔助殺菌作用,且殺菌數(shù)量與抗生素濃度、處理時(shí)間成正相關(guān)。該結(jié)果證實(shí)1,2-丁二醇對(duì)氨基糖苷類抗生素具有廣譜輔助殺菌的作用。
為了探究1,2-丁二醇輔助氨基糖苷類抗生素殺菌是基于何種機(jī)制,本研究進(jìn)一步測(cè)試了大腸桿菌胞內(nèi)抗生素?cái)z取情況。由圖4A結(jié)果可知,標(biāo)準(zhǔn)品組中的抑菌圈面積與妥布霉素濃度成正比。將樣品組抑菌圈面積數(shù)值代入到標(biāo)準(zhǔn)曲線公式:y=0.017 9x-0.236 6中,即可獲得各樣品組大腸桿菌中抗生素的攝取情況,標(biāo)準(zhǔn)曲線、定量結(jié)果見圖4B、4C,當(dāng)妥布霉素濃度為200 μg·mL-1時(shí),其單處理的妥布霉素?cái)z取平均值為15.28 μg·mL-1,1,2-丁二醇與妥布霉素雙處理的妥布霉素?cái)z取平均值為19.67 μg·mL-1;當(dāng)妥布霉素濃度為500 μg·mL-1時(shí),其單處理的妥布霉素?cái)z取平均值為23.46 μg·mL-1,1,2-丁二醇與妥布霉素雙處理的妥布霉素?cái)z取平均值為31.75 μg·mL-1,1,2-丁二醇和妥布霉素雙處理組與妥布霉素單處理組對(duì)比,雙處理組可以顯著提高大腸桿菌細(xì)胞中妥布霉素的含量,妥布霉素濃度越高差異越顯著。該結(jié)果提示1,2-丁二醇可通過增強(qiáng)大腸桿菌對(duì)妥布霉素的攝取進(jìn)而輔助妥布霉素殺菌。
注:A為1,2-丁二醇輔助不同濃度的妥布霉素處理平臺(tái)期大腸桿菌后形成的抑菌圈;B為抑菌圈標(biāo)準(zhǔn)曲線;C為1,2-丁二醇的添加促進(jìn)大腸桿菌對(duì)妥布霉素的攝取;NS表示差異不顯著(P>0.05);**表示差異極顯著(P<0.01)
為了驗(yàn)證1,2-丁二醇在臨床耐藥方面的應(yīng)用價(jià)值,本研究從福建醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院獲得10株臨床上分離的大腸桿菌耐藥菌株,其耐藥特性見表1。
表1 10株臨床耐藥大腸桿菌具體信息
由表2可知,在這10株臨床分離的耐藥大腸桿菌中,與妥布霉素單處理組相比,1,2-丁二醇聯(lián)合妥布霉素雙處理對(duì)其中7株的殺滅效果有顯著增強(qiáng),其中1,2-丁二醇對(duì)210215749、210305607這兩株大腸桿菌的輔助殺滅效果極顯著,可提高妥布霉素4個(gè)數(shù)量級(jí)的殺菌效果。但對(duì)于210215736、210409104、210215869這3株大腸桿菌無輔助殺菌效果;另外,與慶大霉素單處理組相比,1,2-丁二醇聯(lián)合慶大霉素雙處理對(duì)其中4株耐藥大腸桿菌的殺滅效果有顯著增強(qiáng)。
表2 1,2-丁二醇增強(qiáng)妥布霉素、慶大霉素殺滅臨床大腸桿菌效果
我國是抗菌藥物生產(chǎn)和使用大國??股貜V泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等領(lǐng)域,在治療人類感染性疾病、防治動(dòng)物疫病以及保障公共衛(wèi)生安全中發(fā)揮重要作用。但由于抗生素在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域和動(dòng)物衛(wèi)生領(lǐng)域的過度使用或者誤用,不僅使抗生素對(duì)人體、養(yǎng)殖動(dòng)物的毒副作用增加,甚至還會(huì)致使敏感菌進(jìn)化成耐藥菌[21],尤其是一些多重耐藥菌的出現(xiàn),嚴(yán)重影響抗生素對(duì)細(xì)菌感染性疾病的治療成功率[22]。而抗生素新藥的研發(fā)進(jìn)度目前已不能滿足臨床治療上的需要,尋找其他有效應(yīng)對(duì)耐藥細(xì)菌的方法策略在臨床治療上已經(jīng)迫在眉睫。
本研究從8種丁醇中篩選出能夠顯著有效輔助氨基糖苷類抗生素殺菌效果的1,2-丁二醇,并證實(shí)其與妥布霉素、慶大霉素聯(lián)合應(yīng)用處理對(duì)臨床部分耐藥大腸桿菌有一定的輔助殺菌作用??股?cái)z取試驗(yàn)結(jié)果提示,1,2-丁二醇能夠促進(jìn)大腸桿菌對(duì)抗生素的攝取可能是其起到輔助殺菌效果的機(jī)制之一。研究結(jié)果可為尋找新型有效地增強(qiáng)抗生素殺菌效果的方法提供新的思路,并為有效降低病原菌產(chǎn)生耐藥風(fēng)險(xiǎn)提供新的策略。