茶樹精油抗微生物作用機理研究進展

程 峰,尚若鋒,楊 珍,梁劍平,郝寶成,王學紅,郭文柱,劉 宇

(中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所/農業農村部獸用藥物創制重點實驗室/ 甘肅省新獸藥工程重點實驗室,甘肅蘭州 730050)

近年來,消費者對于天然產物的興趣日益增加,精油(EO)作為人工添加劑或藥理學相關制劑的替代品,在生物醫學、制藥,化妝品、食品、農業等領域的應用得到了極大的普及[1]。截止到目前,研究人員已經鑒定了3000多種精油,但是只有300多個樣品得以應用[2]。

茶樹精油(tea tree oil,TTO)是從澳大利亞的桃金娘科互葉白千層的新鮮枝葉中以水蒸餾的方式提取出來的一種無色至淡黃色液體,具有尖銳的樟腦氣味和薄荷醇的清涼感[3],在香料、農業、食品工業以及化妝品都具有廣泛的應用。茶樹精油是由100多種化學物質所組成的混合物,主要是由單萜,倍半萜烯及醇類等所組成[4],具有六種化學類型,分別是萜品油烯化學型、松油烯-4-醇化學型和四種1,8-桉葉素化學型[5]。由于1,8-桉葉素的副作用較多,在實際應用中多選用松油烯-4-醇化學型。目前,茶樹精油作為殺菌劑、防腐劑等廣泛的應用于食品、醫藥和化妝品等領域,本文總結了茶樹精油的抗微生物作用及部分機理,旨在為茶樹精油在食品保鮮以及醫藥行業中“減抗替抗”提供理論依據。

1 茶樹精油的成分以及含量范圍

茶樹精油的相對密度為0.885～0.906,微溶于水,可與非極性溶劑混溶。其主要成分是由單萜(對傘花烴,松油烯-4-醇,萜品油烯,1,8-桉葉素,α-pine烯,γ-萜品烯),倍半萜烯及醇類(單萜醇)等組成,Brophy等[4]開創性的通過氣相色譜和氣相色譜-質譜法檢測了800多個TTO樣品,并給出了大約100種成分及其濃度范圍。ISO 4730-2017中規定了松油烯-4-醇化學型的茶樹精油中的14種特征性組分的含量范圍(表1)[6]。

表1 茶樹精油的主要成分及其含量范圍Table 1 The main contents of TTO

2 茶樹精油的抗菌活性及抗菌作用機制

2.1 茶樹精油的抗菌活性

茶樹精油具有良好的抗菌活性,澳大利亞新南威爾州北部Bundjalung原住民將茶樹葉子打碎,吸入其碎葉以治療感冒和咳嗽,或者將碎葉撒在傷口上,敷在傷口表面[7]。Penfold[8]最早測定了茶樹精油及其主要成分的抑菌活性并和苯酚的抑菌活性做了對比。茶樹精油對一些常見細菌的最小抑菌濃度(MIC)及最小殺菌濃度(MBC)如表2所示。數據表明茶樹精油對大多數細菌的MIC值在0.1%以下,并且多數細菌的MIC值與MBC值相當,這說明茶樹精油對大多數細菌起殺菌作用,但對于部分細菌在低濃度情況下只起抑菌作用。

表2 部分細菌對茶樹精油的藥敏數據Table 2 The susceptibility data for bacteria tested to TTO

近年來,隨著細菌耐藥性日趨嚴重,植物精油由于其獨抗菌譜廣、毒副作用小而進入了研究人員的視野,Walsh[18]首先提出茶樹精油具有殺滅耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)的潛力,和化學藥物相比,茶樹精油的成分更為復雜;Carson[19]通過實驗證明了茶樹精油及其主要成分松油烯-4-醇不會影響細菌的耐藥性以及不會使細菌產生新的耐藥性[20],在延緩抗生素耐藥性的發展具有良好的應用前景。同時,茶樹精油作為一種廣譜、低毒、性能優異并具有一定芳香氣味的抗菌劑,對于控制醫院獲得性感染和在家庭衛生消毒中具有很好的應用前景。

2.2 茶樹精油的抗菌作用機制

從茶樹精油大部分成分的親脂性中可以推測出茶樹精油的抗菌機理可能是破壞細胞膜的生物功能,而Cox等[21]的茶樹精油可以滲透脂質體系統的數據也支持這個觀點。目前大多數研究也都集中在茶樹精油對細菌細胞膜的影響上,具體表現為在形態學上,細菌細胞膜以及生物膜被破壞[22],在功能上表現為鉀離子外流[23],碘化丙啶(PI)攝入增加[24],培養液中可溶性蛋白含量增加[24],DNA、RNA以及其它大分子物質的滲出[25]。Ce等[26]發現暴露于茶樹精油的單核細胞增生李斯特菌和大腸桿菌的細胞膜發生嚴重損傷,使用碘化丙啶染色后發現暴露于茶樹精油的細菌的細胞膜損傷可以達到95%以上,同時鉀離子的外流增加也抑制了細菌的呼吸作用,進一步促進了細菌的死亡。掃描電鏡拍照也觀察到了大腸桿菌菌體的溶解與對細胞表面電子致密物質的破壞[22]。以上結果均證明了茶樹精油通過破壞細菌膜的結構和功能完整性導致細菌的死亡。

細菌生物被膜(BF)是一種自我合成、表面附著的細胞群[27],可以顯著增強細菌對抗生素的耐藥性并促進其逃脫機體免疫。茶樹精油可以有效破壞金黃色葡萄球菌等細菌的生物膜,通過激光共聚焦顯微鏡可清晰觀察到所引起的生物膜損傷[12]。松油烯-4-醇處理后的金黃色葡萄球菌也可發生類似的生物膜損傷現象。多糖胞間粘附素(PIA)是細菌形成生物膜的關鍵物質之一[28],相關研究指出,金黃色葡萄球菌經茶樹精油處理后,SarA和icaADBC基因均顯著下調[12],SarA基因可以促進icaADBC基因的表達,進一步促進PIA的形成;同時,與絲氨酸和蘇氨酸代謝途徑相關的11個基因的表達也顯著上調,絲氨酸與蘇氨酸的代謝可以產生更多的纖溶蛋白,從而防止細菌粘附在表面,破壞生物膜基質的結構,導致細菌釋放及死亡。以上研究表明茶樹精油可以通過破壞細菌的生物膜起到殺菌作用。

茶樹精油對細菌毒素也有一定的影響,Liu等[29]發現茶樹精油可以抑制李斯特桿菌的毒素,并進一步驗證了茶樹精油通過抑制李斯特桿菌溶血素O(LLO)的p60蛋白的分泌和相關基因Hly以及IAP的表達,并有效抑制李斯特菌刺激的巨噬細胞激活的NLRP3炎癥途徑蛋白的表達。

茶樹精油可以通過多種方式抑制以及殺滅細菌,并對生物膜中和浮游的細菌均表現出良好的抑菌活性,可以有效地降低細菌耐藥性的發展。目前對其作用機制的研究還不是特別透徹,尤其是茶樹精油中各種單體的作用以及它們之間的相互作用仍需要進一步的深入研究。

3 茶樹精油的抗真菌活性及其作用機制

3.1 茶樹精油的抗真菌活性

茶樹精油具有良好的抗真菌活性,并且在陰道念珠菌的治療[30]和果蔬保鮮[31]方面有廣泛的應用。有研究數據表明茶樹精油對酵母菌[32]和某些絲狀真菌[33]較為敏感,從表3可以看出,茶樹精油對大多數真菌的MIC(最小抑真菌濃度)值在0.12%～0.2%之間。Oliva等[34]測定了茶樹精油、5-氟胞嘧啶和兩性霉素B的抗真菌活性,發現茶樹精油的抗真菌活性在一定程度上優于其他兩種。但是這些研究都是集中在對化學試劑不敏感的分生孢子上,Hammer[32]比較了萌發前后的黑曲霉分生孢子對茶樹精油敏感性,發現萌發的比未萌發的更敏感。這一結果表明,完整的分生孢子壁對真菌有強大的保護作用。Rocha等[35]證明0.25%的茶樹精油水蒸氣也能明顯的抑制擴張青霉分生孢子的萌發。

表3 部分真菌對茶樹精油的藥敏數據Table 3 The susceptibility data for fungal tested to TTO

3.2 茶樹精油的抗真菌作用機制

3.2.1 茶樹精油對真菌細胞膜的破壞 茶樹精油對真菌作用機制與細菌相類似,也是通過改變真菌細胞膜的通透性進而起到對真菌的抑制作用。Hammer等[38]用0.016%～0.06%(v/v)茶樹精油培養白色念珠菌24 h后發現細胞膜的流動性明顯增加;Zhang等[39]發現的茶樹精油可以促進抗生素譬如氟康唑向胞內擴散,從而產生強大的協同效應,可見茶樹精油通過改變膜特性和損害細胞膜相關功能發揮其抗真菌作用。

3.2.2 茶樹精油對真菌芽管形成的抑制 茶樹精油可以抑制真菌在生殖活動中芽管或菌絲轉換體的形成。Hammer[38]和D’Auria[40]等研究發現在0.25%和0.125%茶樹精油的存在下,胚芽管形成被完全抑制,同時還觀察到芽孢子從單芽或單芽形態變為多胎形態的趨勢。此外,去除茶樹精油后真菌能夠重新形成胚芽管,表明了茶樹精油對真菌生殖管的抑制是可逆的。

3.2.3 茶樹精油對真菌呼吸的抑制 茶樹精油還可以抑制真菌的呼吸作用。Cox等[41]發現茶樹精油的濃度在0.125%時即可顯著的抑制白色念珠菌的呼吸作用。在濃度為1.0%、0.5%時對白色念珠菌的抑制作用分別為95%、40%。Hammer[38]等還發現茶樹精油可以抑制白色念珠菌,光滑念珠菌和釀酒酵母的葡萄糖誘導的培養基酸化,而培養基酸化的原因可能是通過質膜ATP泵所產生的。可見茶樹精油可以通過抑制真菌的能量代謝過程和破壞線粒體膜的完整性而起到殺真菌作用。

Li等[31]的研究發現,茶樹精油可以導致灰葡萄孢線粒體膜的形態和超微結構發生改變,增加線粒體膜的通透性,從而導致細胞內ATP的含量下降,細胞外ATP含量增加;并且增加茶樹精油的濃度進一步影響與三羧酸循環有關酶的活性,使檸檬酸合成酶、檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶和ATP酶的活性降低,同時大大增加了活性氧(ROS)的水平,從而破壞了三羧酸循環,最終導致菌體的死亡。Xu[42]用等壓標記進行相對和絕對定量的方法,在茶樹精油處理與未處理的灰霉病菌中發現了718個差異表達蛋白(DEP),其中17個顯著上調,701個顯著下調。其中約78%與糖酵解、三羧酸循環(TCA循環)和嘌呤代謝有關,這些都表明了茶樹精油可能是通過抑制真菌的三羧酸循環來殺滅或者抑制真菌生長。

茶樹精油具有強大的抗真菌作用,對霉菌、酵母以及鐮刀菌屬均有明顯的抑制作用,說明茶樹精油在食物保鮮以及人類皮膚病的防治上具有良好的應用前景,并且茶樹精油對真菌作用的靶點的多樣,對其細胞膜、生殖作用、呼吸作用具有顯著的影響,降低了產生耐藥性的風險,但其對于真菌的芽管的作用的機制以及各個組分之間的相互作用的研究還不夠透徹,需要進一步的深入研究。

4 茶樹精油的抗病毒活性

茶樹精油具有一定的抗病毒活性,Bishop等[42]首先報道了茶樹精油具有抗煙草花葉病毒的活性,還有研究指出茶樹精油對單純皰疹病毒Ⅰ[43]、流感病毒[44]、人類乳頭狀瘤病毒[45]、腺病毒2型[46]、痘病毒[47]有很好的殺滅作用。但對于其殺滅機理的研究較少。Schnitzler等[48]用茶樹精油處理處于不同復制周期的病毒發現茶樹精油對游離病毒的殺滅效果最好。Garozzo等[48]發現在流感病毒吸附后1 h內用茶樹油處理會造成活病毒數量的大量減少,但是2 h以后用茶樹精油對病毒的活性基本沒有影響,進一步研究發現茶樹精油可以通過干擾抑制病毒脫殼的溶酶體內腔室酸化來抑制流感病毒在細胞中的生長,內泌體和溶酶體的酸性條件可以引起病毒包膜融合活動,包膜融合對流感病毒感染的脫殼過程至關重要,可見,茶樹精油是干擾了病毒復制的早期階段。雖然茶樹精油具有一定的抗病毒效果,但迄今為止測試的病毒范圍非常有限,缺乏大量的體外和臨床數據證明其存在廣譜的抗病毒效果。

5 茶樹精油的抗寄生蟲活性

6 茶樹精油的有效作用成分

茶樹精油的RW[8]系數表明,其主要活性成分可能是松油烯-4-醇和α-萜品醇,有大量的數據顯示這兩種成分對微生物的生長具有一定的抑制作用,但由于α-萜品醇在茶樹精油中的含量較低,研究人員普遍認為松油烯-4-醇是茶樹精油的最主要的活性成分。Cox等[41]發現松油烯-4-醇和γ-萜品烯或和癸烯的組合產生與茶樹精油近的抑菌活性,但是γ-萜品烯和癸烯卻降低了松油烯-4-醇的水溶性;Li等[53]發現松油烯-4-醇對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌以及黑曲霉菌的抑制活性與茶樹精油相當,可以推測松油烯-4-醇的抑菌活性和茶樹精油相當甚至更加強大。

但近期有研究表示松油烯-4-醇可能不是茶樹精油的主要活性成分。Paola Brun等[14]研究了10種市售的茶樹精油產品的抗微生物活性和化學特征,通過GC-MS發現盡管10種產品都屬于松油烯-4-醇型茶樹精油,并且九種主要化學成分的含量都符合ISO的規定,但是它們每種成分的具體含量還有較大的差別。它們分別測定了這10種精油對光滑念珠菌、單純皰疹病毒1型(HSV-1)、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和銅綠假單胞菌評估抗菌活性,結果發現只有5種精油產生了較為明顯的抗微生物作用,并且在這5種精油中抗微生物活性最好的是含有較低含量的松油烯-4-醇和較高的α-萜品醇、α-品烯和1,8-桉葉素,松油烯-4-醇含量最高的茶樹精油的抗微生物活性反而最低。通過數據分析無法確認茶樹精油某一成分的含量與其抗微生物活性之間有明確的關聯。這些結果說明了松油烯-4-醇可能不是茶樹精油抗菌活性的全部來源,其抗微生物活性可能是多種物質共同作用的結果。正是由于茶樹精油成分的多樣性,其中各個組份抗微生物的機理也不盡相同,因此很難將其生物活性歸于其中復雜化合物中的單一化合物,可以將其抗微生物效果視為包括每種微量成分在內的多種化合物之間的協同作用,但是這種協同作用需要進一步深入研究。

7 結語

隨著抗生素濫用所帶來的細菌耐藥性問題的不斷惡化,諸如茶樹精油之類的天然替抗產品越來越受到國內外學者的廣泛關注。目前,茶樹精油已被應用于治療和預防某些微生物感染,并且由于其毒副作用小,受到了研究人員的普遍青睞,但目前仍缺乏針對微生物感染治療的臨床證據,因此,需要進一步通過大規模臨床研究來鞏固茶樹精油在替抗領域的用藥地位。

茶樹精油含有多種化學成分,其抗微生物機理也較為復雜,目前大部分研究也都集中在茶樹精油對微生物細胞壁、細胞膜和線粒體膜的破壞以及對能量代謝、生殖活動的影響上,但各個藥物組分之間的相互作用并不明確,仍需進一步深入探索。

近年來隨著系統生物學以及計算機模擬的天然產物靶標預測技術的飛速發展,可通過基因組、轉錄組、蛋白組和代謝組學等技術研究茶樹精油抗微生物的作用機制。同時,結合計算機模擬的天然產物靶標預測技術和生物信息學等方法,對揭示茶樹精油對于微生物某個靶點的作用乃至整個蛋白質網絡的影響和在“減抗替抗”中的應用具有重要意義。