衣康酸抗細菌感染的研究進展

王興梅 綜述 劉亞君，陳濤 審校

遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院重癥醫(yī)學科，貴州 遵義 563003

感染性疾病是指病原微生物如細菌、病毒、真菌、寄生蟲等侵襲人體引起的局部或全身炎癥反應，威脅人類健康，嚴重感染甚至可危及生命；而其中細菌感染最為常見，且近年來細菌感染引起的死亡率在全球范圍內顯著提高[1-2]。1928年，青霉素的發(fā)現和臨床應用成為了現代抗感染的基石，此后，多種抗生素被發(fā)現和應用于臨床。但抗生素的廣泛應用使得多種耐藥細菌如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)、耐萬古霉素腸球菌(VRE)、耐碳青霉烯腸桿菌科細菌(CRE)等出現，進而導致侵襲性、危及生命的感染性疾病急劇增加[2-3]。因此，新型抗生素的發(fā)現及運用仍是抗感染治療的關鍵，21 世紀初，研究人員發(fā)現衣康酸具有抗菌作用并對其進行深入研究，發(fā)現衣康酸可通過多種機制發(fā)揮抑菌或殺菌作用，本文就衣康酸對細菌感染的抗感染機制及研究進展進行綜述，以期為臨床抗感染治療提供新策略。

1 衣康酸的發(fā)現與發(fā)展

衣康酸亦稱亞甲基琥珀酸，是一種白色結晶狀的有機不飽和二羧酸，具有極性高、不易滲透細胞膜的特點，由瑞士化學家Samuel Baup 于1836 年在檸檬酸蒸餾過程中首次發(fā)現，隨后在1840年首次經化學合成途徑由順烏頭酸脫羧反應獲得，被廣泛應用于乳膠、塑料、樹脂等工業(yè)材料的生產；我國于20世紀60 年代初開始生產衣康酸，利用土曲霉、黑粉菌等微生物的發(fā)酵生成，主要運用于工業(yè)生產[4-6]。隨著對衣康酸研究的深入，有研究發(fā)現衣康酸不僅可作為工業(yè)化合物生產的前體，而且可應用于醫(yī)療及制藥。2011 年，Strelko等[7]指出具有順烏頭酸脫羧酶活性的微生物是自然界衣康酸形成的一般途徑；相比較之下，只有具有順烏頭酸脫羧酶活性或者可產生順烏頭酸脫羧酶同系物的哺乳動物細胞，才具有從頭形成衣康酸能力，同年，研究人員首次在哺乳動物免疫細胞中發(fā)現衣康酸的生物合成；2013 年，研究人員揭示出哺乳動物衣康酸的生物合成途徑。

2 衣康酸的結構及功能

衣康酸為無色、無臭的白色晶體，密度為1.632，熔點為167℃~168℃，在真空下能升華，溶于水、乙醇、丙酮，微溶于氯仿、苯和乙醚。衣康酸的分子結構式為CH2=C(COOH)CH2COOH，其分子內部含有一個乙烯基和兩個羧基，性質非?；顫?，可進行自身間的聚合，也能與其他單體如丙烯腈等聚合；具有可再生的特點，在加工過程中不會產生刺激性氣味[8-9]。

衣康酸是線粒體三羧酸(TCA)循環(huán)產生的重要代謝產物，可作為酶抑制劑，通過直接抑制細菌異檸檬酸裂解酶發(fā)揮殺菌作用，同時也可作為宿主細胞免疫應答基因1(immune-responsive gene 1，IRG1)、琥珀酸脫氫酶、Rab23、活性氧(reactive oxygen，ROS)的輔助因子，發(fā)揮抑菌或殺菌作用；除此之外，衣康酸可作為激活劑的一種，促進ROS、一氧化氮(nitric oxide，NO)等抗炎癥因子的釋放[10-12]。同時有報道稱，高濃度衣康酸在海洋軟體動物中可通過某種特有的機制破壞相關病原體的中心碳代謝，由此完全或部分抑制病原體的生長，以確保海洋軟體動物，如貽貝等生長[13]。

3 衣康酸與細菌感染的相關性

3.1 衣康酸與細菌異檸檬酸裂解酶在細菌感染中的相關性 異檸檬酸裂解酶存在于植物細胞、某些微生物細胞及一些無脊椎動物細胞中，是參與細胞內乙醛酸循環(huán)的關鍵酶之一。乙醛酸循環(huán)是脂類轉化為糖類的關鍵途徑，對結核分枝桿菌、大腸桿菌、靛藍假單胞菌等以脂肪酸或醋酸鹽等為限制碳源的細菌生存至關重要，在慢性感染階段，以脂肪酸或醋酸鹽等為限制碳源細菌內的乙醛酸循環(huán)將顯著上調，通過脂肪酸β-氧化代謝產生C2底物，維持三羧酸循環(huán)[14-16]。研究表明，靛藍假單胞菌在僅以乙醇為限制碳源的生長情況下，需通過驅動乙醛酸循環(huán)將脂類轉化為糖提供能量，而異檸檬酸裂解酶為乙醛酸循環(huán)的關鍵酶，此時加入外源性衣康酸可抑制靛藍假單胞菌生長；因此衣康酸可通過抑制異檸檬酸裂解酶在細菌感染中發(fā)揮殺菌作用[10，14，17]。但在異檸檬酸裂解酶活性較低的條件下，衣康酸的釋放增加不影響鼠疫桿菌的生長，表明衣康酸在細菌感染中作用與細菌異檸檬酸裂解酶機制有關，衣康酸的殺菌作用具有一定局限性，僅針對可驅動乙醛酸循環(huán)的細菌有效[15]。

3.2 衣康酸與宿主巨噬細胞免疫應答基1 在細菌感染中相關性 免疫應答基1 (immune-responsive gene 1，IRG1)是順烏頭酸脫羧酶同系物的編碼基因，這種酶可催化順烏頭酸轉變?yōu)橐驴邓?，與土曲霉生產衣康酸中催化順烏頭酸的順烏頭酸脫羧功能相近。研究發(fā)現IRG1主要存在于哺乳動物巨噬細胞線粒體中，細菌感染時哺乳動物巨噬細胞中IRG1 基因表達高度上調[14，18]。細菌感染機體后被體內巨噬細胞吞噬，此時許多細胞內細菌會建立起細胞內膜結合區(qū)，以此來抵抗溶酶體的降解和體液免疫反應的作用。而作為共同進化的結果，巨噬細胞發(fā)展了針對細菌膜結合物及內部細菌的策略，從而控制細菌感染[19-21]。嗜肺軍團菌感染后被巨噬細胞吞噬，在細胞形成表皮細胞液泡(legionella-containing vacuole，LCV)，使嗜肺軍團菌避免受到溶酶體等的攻擊；同時感染刺激脊椎動物細胞內免疫的有效誘導劑I 型干擾素分泌增加，不斷誘導IRG1 的表達，此時含有IRG1 基因的線粒體在某種機制的作用下不斷向LCV靠近，并附著在LCV表面；IRG1 表達生成具有順烏頭酸脫羧酶活性的酶，催化衣康酸的產生，并通過某種機制將衣康酸輸送到LCV 內，在衣康酸的作用下，靶向殺死LCV 內細菌或抑制其復制生長[14，22-23]。

3.3 衣康酸與宿主細胞琥珀酸脫氫酶在細菌感染中的相關性 琥珀酸脫氫酶是一種存在于線粒體內膜上的結合酶，同時也是線粒體的標志酶之一，屬于黃素酶類，是連接氧化磷酸化和電子傳遞的樞紐之一，主要為真核細胞線粒體及多種原核細胞需氧和產能的呼吸鏈提供電子[24-25]。細菌感染時，衣康酸作為細胞內高度上調的細胞代謝產物，不僅可直接作用于異檸檬酸裂解酶來發(fā)揮殺菌作用，也可以同時通過抑制線粒體三羧酸循環(huán)中琥珀酸脫氫酶，從而間接抑制乙醛酸循環(huán)幫助溶酶體發(fā)揮殺菌作用。有研究報道衣康酸抑制琥珀酸脫氫酶時對宿主細胞本身可能存在毒性作用。同時研究人員發(fā)現，衣康酸在宿主細胞內排泄率很低，在膿毒癥患者的血漿或尿液中，或在肺部感染患者的支氣管肺泡灌洗液中，衣康酸的排泄量均無法檢測到；且研究人員通過測量線粒體呼吸時的特異性底物發(fā)現衣康酸對琥珀酸脫氫酶的抑制作用與衣康酸劑量有關[14，26]。

3.4 衣康酸與宿主細胞Rab32 在細菌感染中的相關性 Rab32 是細胞內的一種宿主防御機制，存在于線粒體和細菌細胞液泡(Legionella-containing vacuole，SCV)中，Rab32GTP 酶構成Rab32-BLOC3 代謝物傳輸途徑，有助于IRG1 酶轉運載體的形及衣康酸的傳遞，也有助于線粒體與SCV 之間的附著[27-29]。傷寒沙門氏菌細菌毒素在宿主細胞中的表達需要建立SCV的環(huán)境。研究發(fā)現由于Rab32-BLOC3途徑的存在，限制了小鼠巨噬細胞中傷寒沙門氏菌的復制。在沙門氏菌感染時Rab32 與IRG1 通過某種特有機制相互作用，驅使細胞內線粒體通過Rab32-BLOC3 通路與SCV 緊密附著，并將所生產的衣康酸通過此通路輸送到含傷寒沙門氏菌的液泡中，發(fā)揮抑菌或殺菌作用[30-32]。此外，Chen 等[32]在研究中發(fā)現如果損壞此通路情況下，衣康酸表達水平降低，表明在衣康酸發(fā)揮抗感染作用中Rab32的存在必不可少。

3.5 衣康酸與宿主細胞活性氧產生在細菌感染中的相關性 在衣康酸的刺激下，活性氧(reactive oxygen，ROS)是由磷酸戊糖途徑生成的用于合成核苷酸的前體，在NADPH 氧化酶的催化下生成ROS，同時NADPH 作為磷酸戊糖途徑的中間代謝產物，也可被用作產生ROS的底物[33-34]；在功能上，ROS在細菌感染中不僅可作為信號分子傳遞信息，而且可抑制細菌，甚至病毒、日本血吸蟲卵的感染。研究發(fā)現，日本血吸蟲和鼠傷寒沙門氏菌共同感染小鼠情況下，衣康酸激活NADPH氧化酶活性，催化ROS水平升高，發(fā)現細胞中鼠傷寒沙門氏菌的生長明顯受到抑制，同時與其共同寄生的日本血吸蟲及蟲卵負擔減少，且衣康酸抑制寄生生長的作用更明顯，即使在非常低的濃度下也能夠產生抑制[14，33]；推測抑制寄生生長可能的機制主要還是與鼠傷寒沙門氏菌感染刺激小鼠巨噬細胞產生衣康酸及ROS有關[35]。

3.6 衣康酸與細菌中心碳代謝在細菌感染中的相關性 在某些細菌中，如海洋弧菌等，其存活所需能量來源主要與乙醛酸循環(huán)途徑作用有關，也是其碳代謝的中心。而乙醛酸循環(huán)是一種允許微生物利用醋酸鹽或脂肪酸等作為不同條件下生長所需的碳源，一種能量產生途徑；已知在宿主發(fā)生感染期間，某些病原菌會上調此循環(huán)[15，36]。

研究發(fā)現，在海洋軟體動物與海洋相關病原體接觸時，海洋軟體動物體內會合成大量衣康酸，這與哺乳動物體內衣康酸的產生不同；采用非靶向氣相色譜-質譜(gas chromatography-mass spectrometry，GC-Ms)法來鑒定弧菌DO1(海洋弧菌中的一種)在較高濃度衣康酸作用下所產生的代謝變化，發(fā)現乙醛酸、順烏頭酸、異檸檬酸、富馬酸等均增加，這些均為乙醛酸循環(huán)所需的中間代謝產物，同時在此濃度衣康酸的作用下，海洋弧菌DO1 生長完全或部分被抑制，研究表明衣康酸通過破壞其中心碳代謝抑制了海洋弧菌DO1的生長。其中最令人驚訝的是，在抑制細菌生長的過程中，細菌異檸檬酸裂解酶活性是增加的，未受到高濃度衣康酸的影響，表明在海洋軟體動物中衣康酸發(fā)揮抗菌作用的機制與哺乳動物中不同[13，37-38]。但此類衣康酸抗菌機制目前只在海洋軟體動物研究中發(fā)現。對于此種機制研究可能會使衣康酸作為一種新型抗菌化合物用于水產養(yǎng)殖。

4 總結

目前研究發(fā)現，衣康酸在抗菌方面可發(fā)揮作用的機制相對較廣，衣康酸可通過不同代謝途徑影響細菌的生存與生長，具有一定靶向性，衣康酸在未來的臨床醫(yī)學應用中能否作為新型抗生素運用于臨床還有待進一步研究。衣康酸除抗菌作用外，其在抗真菌、病毒、甚至是支原體方面也有一定作用，但目前國內外對衣康酸抗感染的機制研究主要集中于某個酶或某種細胞因子，其具體機制還有待進一步研究。