黃酮化合物抗菌機理的研究進展

柯春林，任茂生，王　娣，謝海偉，黃　斌，趙　陽（蚌埠學院生物與食品工程系，安徽蚌埠233030）

黃酮化合物抗菌機理的研究進展

柯春林，任茂生，王娣，謝海偉，黃斌，趙陽
（蚌埠學院生物與食品工程系，安徽蚌埠233030）

抗生素耐藥是一個重大的全球性問題，迫切需要開發新的抗菌治療藥物。黃酮是植物源化合物，具有潛在的抗菌活性，其可能作用機制為直接的抑菌作用，與抗生素的協同作用，抑制細菌的毒力因子，如群體感應信號受體、酶和毒素，在細胞水平上抑制細菌生物膜的形成，抑制細菌粘附到宿主受體，中和細胞毒作用。本文介紹了近幾年來黃酮化合物抗菌機理的最新進展，為天然抗菌藥物的開發提供理論依據。

黃酮化合物，抗菌活性，作用機制

隨著世界各地眾多醫院抗生素耐藥性危機的出現以及地區獲得性感染疾病耐藥事例的增加，尋求新的抗感染藥顯得尤為重要。由于耐藥性的出現，目前的藥物已經很難為抗感染治療提供有效的解決方案，因此有必要對藥物的結構進行改造，比較理想的做法：一是開發新型抗生素試劑［1］；二是通過發展新型輔助佐劑來抑制細菌的耐藥性。如1981年推出的內酰胺酶抑制劑克拉維酸，經過多年廣泛使用，目前仍然是有效的［2］；三是針對細菌致病因子藥物的開發，這些化合物可以干擾細菌粘附到宿主組織，從而改善感染狀態［3］。天然產物是多樣性化學藥物的主要來源，而且植物源性黃酮類化合物的抗菌性能越來越受到關注，可用來治療和預防各種感染和毒素介導的疾病［4］。本文綜述了近幾年來多種黃酮化合物直接的抗菌活性，協同抗生素抗耐藥活性，對細菌致病性的減弱作用及其構效關系（SARs）和作用機制（MOAs）。

1　直接的抗菌活性

1.1天然、合成及半合成黃酮化合物

幾十年來，大量文獻報道了類黃酮天然化合物具有顯著的抗菌活性，其最低抑菌濃度（MICs）小于100μg/mL，甚至小于10μg/mL［5］。早在1981年就有關于天然黃酮類化合物結構改性方面的研究報道，最近幾年也有一些成功的例子，例如白楊素N-雜環與A環第7位的連接，該衍生物活性為母環的64～128倍左右［6］。二丁胺與染料木素A環第7位連接后其抗菌活性也得到增強［7］。兒茶素烷基化反應極大地提高了該化合物對革蘭氏陽性病原體的抗菌活性。3-O-癸（+）-兒茶素衍生物抗菌活性是其母本的64～128倍［8］。

1.2結構-活性關系

在結構上，提高查耳酮開放鏈的活性也相應的提高了其他黃酮類化合物的活性。對于查耳酮，其A環第2位的羥基化對抗菌活性有重要的影響，因為羥基化促進了該黃酮結構的穩定性［9］。A環其他位置的羥基化，包括第4′位，也能提高抗菌活性［10］。在其第3位連有異戊烯基或香葉基團則顯示良好的活性［9］。相反的，在A環第2位進行乙酰氧基化或甲氧基以及在第4′位進行氟基化則降低其抗菌活性［9-11］。對于B環，第4位連有6烷基碳鏈和哌啶基團的查耳酮具有良好的抗菌活性［12］。第3位連有三氟甲基或溴的親脂性取代基，也可以提高其抗菌活性，如果這些取代基團是出現在B環的第5位，那么其抗菌活性還有可能進一步加強［11］。對于其他黃酮類化合物，在A環第7位進行O-酰基或O型烷鏈連接，能提高黃酮類化合物的抗菌活性。A環位第6或第8位連接脂溶性基團，也能提高黃酮的活性［13］。對于B環上的研究工作一直比較少，較早的研究顯示在位置2′、3′和4′的溴化（氯化）提高了黃酮的活性，這與查耳酮的最新結果一致［11］。對于C環，第3位的羥基化提高了黃酮的活性［13］。

1.3作用機制

早期的研究（1987～2004年）表明，黃酮類化合物直接的抗菌活性有3個機制。即由穿孔作用或細胞膜的流動性降低造成的胞漿膜破壞，由拓撲異構酶的抑制作用引起核酸合成的抑制，NADH-細胞色素C還原酶的抑制造成能量代謝的抑制［4，14］。例如國內曾春暉報道黃酮通過增加細菌通透性并抑制細菌脫氫酶活性發揮抗菌作用［15］。最近也有人提出了2個新的機制，即抑制細胞壁的合成［16］和抑制細胞膜的合成［17］。這些作用機制是否由于：（a）單一結構的黃酮只有一種作用機制（MOAs），不同結構的黃酮擁有多種MOAs。（b）所有的類黃酮有多種MOAs或（c）所有類黃酮有相同的MOAs。在這3種情況中，至少（a）是有可能的，因為所有的類黃酮有著相似的結構，但（b）和（c）目前還沒有可信服的證據。

2　協同抗生素抗耐藥活性

2.1天然黃酮類化合物

最近有許多研究表明，黃酮類化合物能增強抗生素的抗菌活性。在已報道協同活性的所有類黃酮中，黃烷-3-醇最受關注，并進行了最充分的研究。沒食子酰基黃烷-3-醇，如（-）表兒茶素沒食子酸能降低β-內酰胺類抗生素對一些耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的最小抑制濃度，其濃度降低到原來的1/512［18］。這方面的一個最新發展是非沒食子酰化的黃烷-3-醇，其本身對β-內酰胺不敏感的MRSA菌株可以增強沒食子酰基黃烷-3-醇介導的敏感性［19］。

2.2半合成類黃酮

對β-內酰胺類抗生素敏感的金黃色葡萄球菌而言，（-）表兒茶素沒食子酸是比較值得注意的。最近用酰胺替代C環和沒食子酰基D環的酯聯接，可得到一種不易水解的穩定結構。這半合成類黃酮具有其母體化合物類似的協同活性，能減少對苯唑敏感MRSA株最小抑制濃度，為原來的1/512～1/32［20］。

2.3結構-活性關系

SARs協同抗生素耐藥性調節作用的活性還不如其直接的抗菌活性，然而，有證據表明，含有沒食子酸的黃烷-3-醇能夠增強β-內酰胺類抗生素抵抗耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的活性［18］，也有一項研究表明黃酮、黃酮醇、黃酮和黃烷-3-醇聯合應用能夠增強異煙肼抗不同結核分枝桿菌的作用［21］。研究也表明，A環中的第5和第7位的羥基很重要，B環的羥基也與其抗菌作用有關。

2.4作用機制

黃酮類化合物的協同抗生素耐藥性調節活性有多種可能的機制。對沒食子酰基黃烷-3-醇而言，它們能調節β-內酰胺類抗生素的耐藥性，通過減少細胞壁磷壁酸D-丙氨酰化的插層來滅活青霉素結合蛋白2a（PBP2a），或進入細胞質膜并誘導PBP2a結構性變化并脫落下來。其機制是抑制PBP2a的表達以及阻止黃烷-3-醇結合到肽聚糖上［22-23］。對于很少研究的黃酮化合物、異黃酮、黃酮醇和黃酮類化合物，它們通過對β-內酰胺酶的抑制作用、離子泵失活、胞質膜不穩定、PBP2a合成的干擾和拓撲異構酶的抑制作用來增強這些抗生素的療效［24-25］。

3　對細菌致病性的減弱作用

3.1抑制群體感應信號受體TraR和Rh1R

群體感應是細胞與細胞之間的通信系統，通過該系統細菌能調節各種毒力因子，包括生物膜形成。細菌釋通過放信號分子來結合鄰近細胞的細胞密度響應受體，導致毒力因子基因的激活。最近的兩項研究表明，類黃酮擾亂酰基絲氨酸內酯（作用于革蘭氏陰性菌信號分子）及其受體之間的相互作用。Zeng等報道稱，黃芩素抑制胞質膜相關受體TraR［20］。兒茶素可以抑制細胞質相關的受體Rh1R［26］。基于Rh1R生物傳感器的研究表明兒茶素能影響rh1RI系統，而且銅綠假單胞菌報告菌株顯示了相關基因表達的減少［26］。亞MIC水平的類黃酮降低銅綠假單胞菌粘附能力和生物膜的形成，這歸功于該黃酮物質對群體感應的抑制作用［26］。

3.2抑制分揀酶

分揀酶是革蘭氏陽性菌胞質膜中催化表面蛋白組裝的酶，如粘附素和內化素。敲除基因突變體的研究表明，分揀酶與細菌的感染相關。最近有研究用純化的金黃色葡萄球菌酶實驗，發現亞MIC數量的莫蘭子抑制了分揀酶A和B［27］。用莫蘭子處理的金黃色葡萄球菌全細胞對纖維蛋白原的結合能力下降，該蛋白為細菌感染過程中粘附宿主配體的分子之一，這表明分揀酶的抑制作用是特異的［27］，而黃酮類化合物可通過抑制革蘭氏陽性菌生物膜的形成而抑制分揀酶活性［28］。

3.3抑制脲酶

胃癌的致病菌幽門螺旋桿菌在低pH胃環境中分泌與感染性有關的脲酶。最近的報告表明，異黃酮化合物和查爾酮類能對該酶具有抑制作用，例如在體內黃酮化合物槲皮素對幽門螺桿菌感染豚鼠的治療作用［29］，以及查耳酮衍生物對耐幽門螺旋桿菌感染人的治療作用［30］。然而，其他類黃酮的影響也可能只在體內發揮作用，包括對VacA的中和作用［31］以及干擾Toll樣受體4（TLR4）的信號途徑［32］。也有一些測試的類黃酮對幽門螺旋桿菌有直接的抗菌活性，或協同抗生素對這種細菌進行作用。

3.4抑制李斯特菌溶血素（LLO）

LLO是胞內感染病原體李斯特菌的毒力因子，分泌這種毒力蛋白質的，可使細菌逃避吞噬體進入宿主細胞的細胞質中繁殖。kohda等最近發現，亞MIC水平兒茶素能抑制巨噬細胞內單核細胞增生李斯特菌的生長［33］。這是由于黃烷-3-醇能阻止LLO結合到膜脂上并抑制LLO-誘導的細胞裂解作用，從而發揮對LLO的抑制效果［33］。LLO抑制也可能是由于在肝細胞中β-萘對李斯特菌的抑制作用引起的。

3.5中和細菌毒素

毒素在細菌的發病機制中發揮了重要作用，最近的研究表明，類黃酮可中和這些致病因子。Choi等的研究表明兒茶素聚合物在體外和體內都能減弱金黃色葡萄球菌α-毒素的作用［34］。異黃酮也能抑制外毒素［35］，有研究顯示金雀異黃素能保護HeLa細胞免受弧菌毒素RtxA1的感染，在CD-1小鼠體內實驗中，金雀異黃素能保護小鼠免受創傷弧菌的感染［35］。此外，Delehanty等研究表明，兒茶素能中和內毒素（LPS）［36］。黃酮類化合物可以阻斷LPS和其受體TLR4/MD2及CD14之間的反應，該信號途徑是膿毒性休克發生的前期事件。因此，這些化合物也可以應用于體內革蘭氏陰性細菌感染的治療［36］。

3.6抑制致病因子的分泌

金黃色葡萄球菌之所以能夠引起疾病，主要是由于其擁有分泌酶和毒素的能力。最近的研究表明，類黃酮能在亞MIC水平上抑制這種細菌釋放的致病因子。Shah等發現，兒茶素沒食子酸阻止了該菌凝固酶和α-毒素的分泌［37］。Choi等發現類黃酮直接抵抗α-毒素的活性［37］。最近的研究表明，甘草查耳酮A能降低金黃色葡萄球菌毒素的分泌量［38］。實時聚合酶鏈反應（PCR）結果顯示，這些影響伴隨著agrA基因轉錄減少，這說明真正的作用是由于抑制致病因子的合成，而不是抑制致病因子的分泌［38］。

4　結論與展望

自2005年以來，在抗菌類黃酮的研究方面已經有相當大的進展。一些黃酮類化合物具有直接的抗菌活性（破壞細胞膜、抑制核酸合成、抑制能量代謝、抑制細胞壁和細胞膜的合成）、協同抗生素抗耐藥活性，一些黃酮類化合物能干擾各種細菌的致病因子，包括酶、毒素和信號受體。目前藥用化學研究已經確定提高黃酮類化合物的抗菌性能的幾個結構特征，當然抗菌活性的增加伴隨著有選擇性的下降，因此未來的結構與活性的研究應該具有抗菌測試與細胞毒性測試并行。確定黃酮類化合物抗菌機制的關鍵是開發這些化合物，識別其細胞靶位將允許有關的臨床安全性和耐藥性問題的預期，并通過優化配體靶位構效關系促進。隨著類黃酮結構與活性以及其抗菌機制的深入研究，這將為抗菌類黃酮化合物的開發拓展新的空間。

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Research progress on the antibacterial mechanism of flavonoids

KE Chun-lin，REN Mao-sheng，WANG Di，XIE Hai-wei，HUANG Bin，ZHAO Yang
（Department of Biotechnology and Food Engineering，Bengbu College，Bengbu 233030，China）

Antibiotic resistance was a major global problem and there was a pressing need to develop new therapeutic agents.Flavonoids are a family of plant-derived compounds with potentially exploitable activities，including direct antibacterial activity，synergism with antibiotics，and flavonoids also inhibit a number of bacterial virulence factors，such as quorum-sensing signal receptors，enzymes and toxins.Evidence of these molecular effects at the cellular level include in vitro inhibition of biofilm formation，inhibition of bacterial attachment to host ligands，and neutralisation of toxicity towards cultured cells.The latest research progress on the antibacterial mechanism of flavonoids was introduced in this article，which provided a theoretical basis for the development of natural antibacterial drugs.

flavonoids；antimicrobial activity；mechanism of function

TS201.1

A

1002-0306（2015）02-0388-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.076

2014－03－13

柯春林（1976-），男，博士研究生，副教授，主要從事天然產物化學和食品微生物學方面的研究。

安徽省自然科學基金項目（1408085MH209）；安徽省高等學校省級自然科學基金項目（KJ2012B094）；蚌埠學院博士科研啟動基金項目。