黄酮类化合物抑菌作用研究进展
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[摘要]细菌耐药性是全球公共卫生面临的最严重的威胁之一，迫切需要寻找到新的有效的治疗药物。黄酮是广泛存在于植物中的一大类化合物，具有直接抑菌、协同抑菌及抑制细菌毒性等作用。本文主要对2005年以来黄酮类化合物抑菌作用及其机制研究进展进行概述。
[关键词]黄酮；抑菌活性；协同作用；构效关系；作用机制
[收稿日期]2013-05-21
[基金项目]国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-22）；广东省自然科学基金团队项目（粤科基字[2009]2号）；广东省自然科学基金博士启动项目（粤科基字[2010]3号）；广东省农科院院长基金（201006）；广州市珠江科技新星专项（201387）
[通信作者]*廖森泰，研究员，硕士生导师，Tel：（020）87596248，E-mail： liaost@163、com；*刘凡，博士，助理研究员，Tel： （020）87236897，E-mail： liufan1234@126、com
[作者简介]游庭活，硕士研究生，Tel：13602429365，E-mail： youtinghuo@126、com由于抗生素的滥用，病原菌日益广泛的耐药性已经成为21世纪全球公共卫生面临的最严峻挑战之一[1]。据统计，一种新的抗菌药物从研制到临床应用一般需要5～10年，而细菌产生耐药仅需2～3年。因此，研发新的抗菌药物已经成为医药产业面临的迫切任务。基于目前抗菌药物的研究现状，天然产物的抑菌作用受到了普遍关注，尤其是黄酮类化合物，已经成为近年来研究的热点之一[2]。大量文献证明，自然界中从低等植物到高等植物，源自植物的花、叶、种子、果实以及根、茎中提取的许多类黄酮，均具有抑菌作用[3-5]。关于黄酮类化合物抑菌活性的研究也有较多综述，而本文重点对自2005年以来在黄酮类化合物的抑菌活性、构效关系及作用机制等方面取得的研究进展作一综述。
1黄酮结构特征与分类
黄酮类化合物是广泛存在于自然界的一大类化合物。黄酮类化合物是指2个苯环（A环与B环）通过C3连接而成的一系列化合物，也就是具有C6-C3-C6结构，并且是以2-苯基色原酮为母核的化合物。现代研究证实，黄酮的基本骨架中A环源于3个丙二酰辅酶A，而B环由桂皮酰辅酶A生物合成而来[6]。自然界中黄酮类化合物多以苷类形式存在，由于苷元不同，以及糖的种类、数量、连接位置和连接方式的不同，使自然界中形成了数目众多、结构各异的黄酮类化合物。
根据黄酮类化合物A环和B环中间的C3链的氧化程度、C3链是否成环等结构特征，可将黄酮类化合物分为：黄酮（flavone）、二氢黄酮（flavonone） 、黄酮醇（flavonol）、二氢黄酮醇（flavanonol）、异黄酮（isoflavone）、二氢异黄酮（isoflavanone）、查耳酮（chalcone）、二氢查耳酮（dihydrochalcone）、橙酮 （aurone）、花色素（anthocyanidins）、黄烷-3-醇（flavan-3-ol）、黄烷-3，4二醇（flavan-3，4-diols）、双苯吡喃酮（xanthone）和双黄酮（biflavonoids）等[7]。黄酮类化合物的主要化学结构见图1。
2黄酮类化合物直接抑菌作用
2、1黄酮类化合物直接抑菌活性
自20世纪60年代以来，关于天然产物中黄酮类化合物抑菌活性的研究报道日益丰富。进入21世纪后，特别是最近几年，对黄酮类化合物抑菌活性的研究更加广泛、深入。有研究表明，某些从植物或蜂胶中获得的黄酮提取物具有很强的抑菌活性，其最低抑菌浓度（MIC）甚至小于1、0 mg・ L-1 [8-10]。黄酮类化合物在抑菌作用方面表现出的良好活性，吸引了越来越多的科研人员开展相关研究。李国章等[5]研究发现超临界CO2萃取的桑椹子总黄酮提取物对细菌和霉菌均具有抑制作用，对细菌的抑制作用更强。陈乃东等[4]还比较了不同提取溶剂对春花胡枝子总黄酮提取率及抑菌活性的影响。柯昌松等[11]采用滤纸片法对从番石榴叶中得到的黄酮类化合物――槲皮素进行了抑菌活性研究，发现槲皮素对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、志贺氏菌及枯草芽孢杆菌均有抑制作用，其中对大肠杆菌和沙门氏菌的抑制作用最强。魏福华等[12]研究发现大豆异黄酮及其水解苷元对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和沙门氏菌均有一定的抑菌活性，且存在浓度依赖效应，大豆异黄酮对革兰阳性菌的抑制效果优于革兰阴性菌。
2、2构效关系研究
总体来说，关于黄酮类化合物抑菌活性构效关系的研究报道相对较少。2005年，Cushnie等[13]对此前黄酮类化合物
图1黄酮类化合物的主要结构
Fig、1Skeleton structures of the main classes of flavonoids
抑菌活性构效关系的研究进行了综述。近年来，对于黄酮化合物抑菌活性的构效关系有了更为深入的研究。从结构特征上可以发现，查耳酮（包括二氢查耳酮）具有其他黄酮类化合物所没有的C3链开环结构。虽然很多研究结果表明，对开环结构的查耳酮具有活性增益效果的结构单元对其他黄酮类化合物同样具有增效作用，但是为了更为清晰地阐明黄酮类化合物抑菌活性的构效关系，本文仍将黄酮类化合物分为查耳酮（包括二氢查耳酮）和其他黄酮类化合物分别进行阐述。
2、2、1查耳酮类对于A环：综观前人研究可以发现，A环的羟基化及亲脂性对查耳酮的抑菌活性很重要。Avila等[14]研究证明，查耳酮A环的2′位的羟基化能增强其抑菌活性，并发现这种增效作用可能是通过促进查耳酮结构稳定性而间接实现的。Liu X L等[15]发现，A环4′位的羟基化也能提高查耳酮的抑菌活性。Alvarez M D等[16]研究表明，A环其他位置的羟基化也能提高查耳酮的抑菌活性。Avila[14]和Batovska等[17]的研究都表明，A环的亲脂性对于查耳酮的抑菌活性很重要。A环上3′位的异戊二烯基取代能显著增强查耳酮的抑菌活性，而A环2′位的乙酰氧基化或甲氧基化以及A环3′和5′位的氟取代都会降低查耳酮的抑菌活性。但奇特的是，Nielsen[18]发现A环4′位的羰基化能提高查耳酮的水溶性近60倍，却对其抑菌活性影响很小。
对于B环：在B环4位上的取代对于查耳酮的抑菌作用十分重要。Nowakowska等[19]研究表明，B环4位上的C6链烷基取代、哌啶基取代或羟基取代能增强查耳酮的抑菌活性。Batovska等[17]研究表明，相对于A环的亲脂性，查耳酮B环上的羟基化对其抑菌活性的增效作用并不明显。B环3位或5位上的三氟甲基或三溴甲基取代也能提高查耳酮的抑菌活性。
2、2、2其他黄酮类化合物对于A环：7位上O-酰基取代[20]或O-烷胺基取代[21]都能提高这类黄酮化合物的抑菌活性。Smejkal等[22]研究表明，A环5位上的羟基化对增强黄酮类化合物的抑菌活性同样重要。Li H Q等[23]发现A环的6位或者8位上的亲脂性取代基团也能增强黄酮类化合物的抑菌活性。
对于B环上取代基的构效关系研究相对较少。Smejkal[22]等的研究表明，B环上的甲氧基取代会削弱黄酮类化合物的抑菌活性。
对于C环，3位上的羟基化能增强黄酮类化合物的抑菌活性。越来越多的研究表明，3位上的O-酰基取代或O-烷基取代能增强黄酮类化合物的抑菌活性[24-25]。Mughal等[26]研究表明，C环4位上的O被S或N取代，能明显增强黄酮类化合物的抑菌活性。
2、3作用机制研究
2005年之前的研究中，大致将黄酮类化合物的直接抑菌作用机制归纳为3种：一是降低膜的流动性或者膜穿孔而导致细菌细胞质膜的损伤[27-28]；二是抑制拓扑异构酶活性进而抑制细菌核酸的合成[29]；三是抑制NADH-细胞色素C还原酶活性而抑制细菌的能量代谢[30]。
近年来，对于黄酮类化合物的直接抑菌作用机制有了更进一步的研究。越来越多的研究再次证明了以上3种作用机制。研究表明，黄酮醇类、黄烷-3-醇类和黄烷酮类能通过过氧化氢途径破坏细胞质膜从而抑制细菌生长[31-33]，黄烷-3-酯与异黄酮类则可通过抑制拓扑异构酶活性[34]或抑制二氢叶酸还原酶活性[35]来抑制细菌核酸的合成。Chinnam N等[36]证实黄烷-3-醇和黄酮类的抑菌机制是通过抑制ATP合成酶活性，进而抑制细菌的能量代谢来产生抑菌活性。另外，近期的研究还提出了2种新的作用机制：一是通过抑制D-丙氨酸-D-丙氨酸连接酶活性[37]而抑制细菌细胞壁的合成；二是通过抑制FabG，FabI，FabZ，Rv0636，KAS III等关键酶的活性[38-41]，而抑制细菌细胞膜的合成。
至此，作者认为黄酮类化合物抑菌作用机制可以扩展为5种：一是损伤细菌细胞质膜；二是抑制细菌核酸的合成；三是抑制细菌的能量代谢；四是抑制细菌细胞壁的合成；五是抑制细菌细胞膜的合成。
但是，上述大多数研究只是针对一、两个化合物进行的。因此，在很长一段时间里，对于黄酮类化合物是否： ①每种不同结构的黄酮类化合物具有其独立抑菌作用机制；②所有的黄酮类化合物都有多途径的抑菌作用机制；③所有的黄酮类化合物都具有同样的单一途径抑菌作用机制，仍然还有争论。
由于大多数黄酮类化合物在结构上存在很大的相似性，研究者们普遍认为关于每种不同结构的黄酮类化合物具有其独立抑菌作用机制的假说成立的可能性最小。此外，近年来对于黄酮类化合物的抑菌活性研究进展较快，越来越多的活性黄酮如槲皮素被多次研究，并且得出了多种作用机制。这就使得另外2种假说，所有的黄酮类化合物都具有多途径的抑菌作用机制或者具有同样的单一作用机制，更能为人们所接受。
尽管许多研究都认为黄酮类化合物应该具有多途径的抑菌作用机制[42]，但是最近的研究进展表明多途径作用机制假说并不一定可靠。例如，Li B H等[43]研究发现表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）对从大肠杆菌中分离提取的FabG酶有聚集作用，但是目前尚不清楚EGCG是否对其他的酶也有聚集效果或其他的黄酮类化合物对类似酶也有同样的聚集作用。更重要的是，这一研究结果，更加使人们对通过体外纯化的酶抑制试验来探讨黄酮类化合物的抑菌作用机制的结果产生怀疑：黄酮类化合物抑菌作用可能源于引起相关酶的聚集，而非对酶的特异性抑制。
此外，在一些关于抑菌作用机制的研究中，可能存在着“因果关系”的混淆。例如，如果一个抑菌药物破坏了细菌的细胞质膜，那么必将引起质子动力势的混乱，继而影响ATP的生成和胞内外物质的运输。又例如，如果细菌细胞能量代谢或营养代谢的能力降低，那么其合成DNA及肽聚糖的能力也将减弱。在这种情况下，人们很容易将一个单一途径的抑菌作用机制误认为多途径的抑菌作用机制。同样地，如果一个抑菌药物抑制了细菌DNA回旋酶的活性，那么可能引发细菌细胞的程序性死亡与自溶。在这种情况下，抑制细菌核酸合成途径的抑菌作用机制很有可能被误认为是破坏细菌细胞质膜途径的作用机制。
3黄酮类化合物的协同抑菌作用
3、1黄酮类化合物的协同抑菌活性研究
近年来，有很多关于黄酮类化合物增强抗生素抑菌活性的研究报道。尽管研究所采用的方法不尽相同，但是都通过部分抑菌浓度指数（FICI）分析表明，黄酮类化合物对抗生素抑菌活性的增效作用是真正的协同作用而非简单的加和作用[44-46]。在所有黄酮类化合物中，黄烷-3-醇类化合物的抑菌协同作用最受关注，也研究的最为深入。Stapleton等[47]研究发现没食子酰基黄烷-3-醇类，如（-）-表儿茶素没食子酸酯能够增强β-内酰胺类抗生素对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抑菌活性约512倍。农朝赞等[48]研究证实黄酮类化合物与大环内酯类抗生素具有协同抗菌作用，其作用机制可能是两者化学结构上具有互补性，有望成为药物工业生产抗菌新药的根据。
3、2构效关系研究
相对于直接抑菌作用，黄酮类化合物协同抑菌作用的构效关系研究还较少。然而，关于黄烷-3-醇的研究结果明确证实，没食子酰基或没食子酸酯基团对于黄烷-3-醇增强β-内酰胺酶对MRSA的抑制活性至关重要[47]。另外，有研究表明，在A环5位、7位以及B环上的羟基化对于黄酮类、黄酮醇类、黄烷酮或黄烷-3-醇类化合物增强异烟肼对结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）的抑菌活性具有重要作用[44]。
3、3作用机制研究
研究表明，没食子酰黄烷-3-醇可能通过减弱细菌细胞壁磷壁酸的D-丙氨酰化作用，或致使青霉素结合蛋白2a （PBP2a）失活及离位，从而实现对β-内酰胺抑菌活性的调节[49-50]。其作用机制可能是抑制了PBP2a的表达或促进了黄烷-3-醇与肽聚糖的结合[51]。对于其他黄酮类化合物，如黄酮、异黄酮、黄酮醇、黄烷酮等，有研究表明，这些化合物可能通过导致细菌细胞外排泵失活，或干扰细胞质膜稳定性，或阻断PBP2a的合成，或抑制拓扑异构酶活性等途径来增强β-内酰胺类抗生素的抑菌活性[52-53]。
4黄酮类化合物对细菌致病性的影响
4、1抑制分选酶的活性
许多革兰阳性菌的表面蛋白都是经过分选酶的催化作用而组装、锚定到细胞壁上， 由于表面蛋白在病原菌的致病性方面起关键作用， 所以分选酶有可能成为降低革兰阳性菌致病性的重要药物靶标[54]。Kang等[55]在细胞水平上研究了桑色素对金黄色葡萄球菌分选酶A和分选酶B的活性，结果表明，经桑色素处理后，金黄色葡萄球菌与纤维蛋白原的结合能力明显下降，进而导致其致病性明显减弱。同时还表明，桑色素对细菌分选酶的抑制作用是特异性的。这也证明，对分选酶的抑制作用可能是黄酮类化合物（如黄烷3-醇，黄烷酮）抑制革兰阳性菌感染的重要途径。
4、2中和细菌毒素
细菌毒素在细菌致病性方面发挥着重要作用，甚至在细菌本身死亡后细菌毒素仍能发挥作用。最新研究表明，黄酮类化合物能够中和细菌毒素从而抑制细菌致病性。Choi等[56]通过体内、体外试验证实，儿茶素多聚体能够中和金黄色葡萄球菌毒素。Oh等[57]研究表明，异黄酮也能中和细菌毒素，如经过金雀异黄素（genistein）处理过的HeLa细胞能够防御创伤弧菌（Vibrio vulnificus）毒素RtxA1的损伤。动物试验也证实，金雀异黄素对创伤弧菌在CD-1小鼠体内感染也有一定的保护作用。此外，Delehanty等[58]研究表明，儿茶素和表儿茶素的聚合物能够中和内毒素即脂多糖（LPS）。并且在脓毒性休克的发展早期，类黄酮化合物能阻断LPS和其受体TLR4/MD2，CD14之间的相互作用。
4、3抑制致病因子的分泌
金黄色葡萄球菌致病性与其分泌相关的酶和毒素密切相关。最近研究表明，黄酮类化合物能够抑制这些致病因子的分泌。Shah等[59]通过检测处理过的金黄色葡萄球菌上清液对血浆的凝固能力及对红细胞的溶解能力，发现表儿茶素没食子酸酯能够抑制细菌凝固酶和毒素的分泌。Qiu等[60-61]研究表明，甘草查尔酮A也能抑制金黄色葡萄球菌α-毒素的分泌，并能减少肠毒素的分泌。通过实时PCR检测发现，在抑制细菌毒素分泌的同时伴随着agrA基因转录水平的下降。这说明甘草查尔酮A抑制金黄色葡萄球菌α-毒素的分泌至少部分是通过抑制agrA双组分系统来实现的。
5结论
自2005年以来，黄酮类化合物抗菌活性的研究取得了很大进展，使得有必要对前人的研究成果及时地进行梳理和总结，以便更好地指导今后的研究工作。本文简单介绍了黄酮类化合物的直接抑菌活性、协同抑菌活性及其对细菌毒性的影响。在今后的黄酮类化合物研究中，在测定黄酮类化合物抑菌活性基础上，确定其活性是否具有选择性，探明其构效关系，分析其可能的作用机制是值得努力的方向。随着细菌耐药性的日益严重，研究新抗菌药的任务也越来越迫切，黄酮类化合物抑菌活性的研究将对今后抑菌新药物的研制提供了一个重要方向。
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Advance in studies on antibacterial effect of flavonoids
YOU Ting-huo1， 2， LIU Fan22*， WEN Lu1， ZOU Yu-xiao 2， LIAO Sen-tai2*， XIAO Geng-sheng2，
（1、Guangdong Pharmaceutical University， Guangzhou 510006， China；
2、 Key Laboratory of Agro-Food Processing of Guangdong Province， Sericulture and Agro-Food Research Institute of
Guangdong Academy of Agricultural Sciences， Guangzhou 510610， China）
[Abstract]As antibiotic drug resistance has become one of the most serious threats to global public health， there is a pressing need to look for new effective therapeutic drugs、 Flavonoids are a large class of chemicals widely exist in plants， and have such effects as direct antibiotics， synergistic antibiotics and inhibition of bacterial activity、 In this article， we made a summary for the advance in studies on the antibacterial effects of flavonoids and their mechanism、
[Key words]flavonoids； antibacterial activity； synergism； structure-activity relationship； mechanism of action
doi：10.4268/cjcmm20132109