J. Future Foods | 天然产物抗金黄色葡萄球菌作用机制的研究进展

Introduction

近年来，由病原微生物引起的疾病已引起社会各界的高度重视。金黄色葡萄球菌是一种常见的人类感染性细菌，容易引起各种疾病，如皮肤和软组织感染、感染性关节炎和败血症。根据全国细菌耐药监测网（CARSS）的数据，2014—2019年，金黄色葡萄球菌在临床革兰氏阳性菌中的分离率为第一。主要原因是金黄色葡萄球菌能分泌多种毒力因子和侵袭性酶。其较强的致病性给临床治疗和感染控制带来很大困难。抗生素的长期过度使用导致细菌产生耐药性。致病菌的繁殖严重威胁着人类健康，需要新的、更有效的治疗方法。目前，主要的耐药菌包括：耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐青霉素肺炎链球菌（PRSP）、耐万古霉素肠球菌（VRE）、耐万古霉素金黄色葡萄球菌（VRSA）。特别是MRSA具有广泛的分布范围和高死亡率。

临床上使用的抗菌剂部分来自天然产品。这主要归功于天然产物独特的化学结构、折叠方式、良好的细胞渗透性和靶标特异性。随着新药开发战略的发展，天然产物将继续发挥其不可替代的价值。具有抗金黄色葡萄球菌作用的天然产物主要来自植物、抗菌肽和微生物代谢产物。根据目前的研究，天然产物对金黄色葡萄球菌的作用机制主要包括：改变细菌形状，破坏细菌细胞壁和细胞膜，干扰能量系统，影响代谢途径和细菌蛋白质、核酸，破坏细菌生物膜和群体感应系统。河南大学的Yingying Zhao、Jinfeng Wei、Zhenhua Liu*、Changyang Ma*等在本综述回顾了天然产物对金黄色葡萄球菌的抗菌机制，为利用天然产物作为抗生素药物提供了一条线索。

具有抗金黄色葡萄球菌作用的天然产物

具有抗金黄色葡萄球菌作用的天然产物主要来自植物、抗菌肽和微生物代谢产物（图1）。

图1 活性化合物的化学结构

抗菌肽在先天免疫中起着重要作用，可以抵抗细菌、病毒和其他病原体对生物体的入侵。与传统的抗生素不同，抗菌肽可以靶向抑制各种生物大分子的合成，作用于代谢途径中的关键酶，并破坏血浆细胞膜。自然界中的抗菌肽很短，并带有阳离子电荷。带正电荷的抗菌肽可以选择性地与微生物的细胞膜发生作用。原核细胞膜中带负电荷的磷脂含量高于哺乳动物的细胞膜，这使得细胞膜有多个靶点。随后，在细菌、真菌、昆虫、植物、哺乳动物和人体中发现了3400多种抗菌肽。

天然产物的抗菌机制

天然产物对金黄色葡萄球菌的抗菌机制有多种类型（图2）。

图2 天然产物对金黄色葡萄球菌的抗菌途径

对细菌形态的影响

当天然产物作用于细菌时，细菌会改变形态结构。这些结构变化可以通过扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）观察到。从Toddalia asiatica (Linn.) Lam.的根中分离出白屈菜碱，从Ainsliaea bonatii Beauv.中分离出氢醌，它们能显著改变金黄色葡萄球菌的形态。天然高分子壳聚糖（CS）可以改变金黄色葡萄球菌的超微结构，使其细胞壁塌陷，液泡和细胞碎片的数量增加。肉桂醛与MIC处理后，细菌深度折叠变形。由于金黄色葡萄球菌漏出了细胞质内容物，出现了大量的畸形现象。茴香醛可使金黄色葡萄球菌出现明显的折叠和畸形，细胞严重受损。

对细菌细胞壁的影响

细菌细胞壁是一种高度复杂且对维持细胞形态非常重要的结构，它是细菌与宿主、噬菌体和其他物质之间的界面。人β-防御素-3（HBD-3）是一种由人类角质细胞合成的非溶血性抗菌肽，可以抑制金黄色葡萄球菌细胞壁的合成，形成细胞壁穿孔现象。金黄色葡萄球菌细胞壁主要由肽聚糖（PG）、磷壁酸、外多糖（EPS）等成分组成。根据结合部位的不同，磷壁酸可分为通过磷酸二酯连接和N-乙酰氨基甲酸残基结合分壁磷壁酸（WTA）和通过脂质锚定嵌入细胞膜的脂磷壁酸（LTA）。大多数金黄色葡萄球菌的WTA主链是由磷酸核糖醇（RboP）重复单元组成，通过磷酸二酯连接。重复单元中的一些基团可以被氨基酸或碳水化合物取代，通常是D-丙氨酸（D-Ala）或α/β-N-乙酰葡糖胺（α/β-GlcNAc）。WTA骨架一般通过两个甘油-磷酸（GroP）与一个高度保守的二糖连接单元相连接。该连接单元由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰甘露糖胺组成。它们通过磷酸二酯连接键与N-乙酰氨基嘧啶残基共价结合。基于D-Ala的WTA参与介导金黄色葡萄球菌的抗菌肽抗性。金黄色葡萄球菌中dlt操作子的缺失增加了细菌对AMP的敏感性，dltABCD构成了dlt操作子。在甘草查耳酮A的作用下，dltA和dltC的基因表达被下调。FemB是转肽酶，原核生物体外核糖。它催化在肽聚糖侧链的第4和第5位添加甘氨酸。鹿蹄草素负向调节femB的转录，从而降低转肽酶的表达（图3）。细胞壁不能被交联和破坏，所以达到抑菌效果。

图3 金黄色葡萄球菌的细胞壁结构和天然产物对细胞壁和细胞膜的影响

对细菌细胞膜的影响

细胞膜对于细菌的形成至关重要。其上分布着许多完整的细胞膜蛋白，用于物质运输、信息识别和传递、代谢调节等。大多数精油对细菌有杀伤力，主要是由于这些天然产物在其中的疏水性。当精油进入细胞后，会引起渗透性的改变，导致细胞破裂。Chenopodium ambrosioides L.精油和α-萜烯可以通过抑制NorA外排泵来抑制金黄色葡萄球菌。小檗碱可以通过竞争性地抑制外排泵来增加抗菌效果，并通过结合NorA和RamR外排泵来抑制金黄色葡萄球菌的生长。醛酮还原酶（AKR）IolS参与百里酚介导的细胞膜损伤。

抑制细菌的代谢途径

细菌的新陈代谢是由一系列复杂的酶促反应介导的。抑制关键酶的活性是抗菌的关键环节。黄芩素不仅能抑制拓扑异构酶，还能抑制三羧酸循环（TCA）中的琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶。谷氨酸-丙酮酸转氨酶和谷氨酸-草酰乙酸转氨酶在氨基酸的合成中起着重要作用。毛霉菌发酵液可以抑制这两种酶的活性，从而间接影响蛋白质的合成和降低细菌细胞的生理功能。呼吸代谢是生物活动的一种重要形式。来自Glycine max (Linn.) Merr.的大豆异黄酮可以抑制金黄色葡萄球菌的呼吸代谢。据推测，大豆异黄酮与苹果酸脱氢酶结合导致酶的分子构象改变。因此，ATP和NADH的合成受阻，最终呼吸代谢系统受到抑制。活性氧（ROS）是呼吸代谢的自然副产品。适当的ROS可以减少细胞损伤，但过度的ROS会导致细胞死亡。甘氨酸抗菌肽（GAP）可以诱导金黄色葡萄球菌产生ROS，从而导致细菌细胞坏死。

A comprehensive review on mechanism of natural products against Staphylococcus aureus

Yingying Zhaoa,1, Jinfeng Weia,b,1, Changqin Lia,c, Adel F. Ahmedd, Zhenhua Liua,e,*, Changyang Maa,e,*

a National R & D Center for Edible Fungus Processing Technology, Henan University, Kaifeng 475004, China

b Henan Kaifeng College of Science Technology and Communication (Minsheng College, Henan University), Kaifeng 475004, China

c Functional Food Engineering Technology Research Center of Henan Province, Kaifeng 475004, China

d Medicinal and Aromatic Plants Researches Department, Horticulture Research Institute, Agricultural Research Center, Cairo 11435, Egypt

e Joint International Research Laboratory of Food & Medicine Resource Function of Henan Province, Henan University, Kaifeng 475004, China

1 These authors contributed equally to this work.

*Corresponding authors.

E-mail address: liuzhenhua623@163.com

macaya1024@sina.com

Abstract

The abuse of antibiotics seriously threatens the therapeutic effect. Natural products from plants, antimicrobial peptides and micro-organisms have antibacterial activity against Staphylococcus aureus. The mechanism of natural products reported in recent years on S. aureus includes six types, which are the acting on bacterial cell wall, cytomembrane, metabolic pathway, protein, nucleic acid, biofilm and quorum sensing system to achieve antibacterial effect. This article summarized the mechanism of natural products reported in recent years on S. aureus. It is found that the natural products acting on cell wall or cell wall synthesis pathway key enzymes are relatively safe and highly selective. It has the prospect of developing into medicine and provides the clue to investigate and utilize natural products in antibacterial activity.

Reference:

ZHAO Y Y, WEI J F, LI C Q, et al. A comprehensive review on mechanism of natural products against Staphylococcus aureus[J]. Journal of Future Foods, 2022, 2(1): 35-33. DOI:10.1016/j.jfutfo.2022.03.014.

翻译/编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅