抗菌剂及其抗菌机理

第35卷第1期 2004年2月 中南大学学报(自然科学版) J. CENT. SOUTH UNIV. ( NATURAL SCIENCE) Vol. 35 No11 Feb. 2004 抗菌剂及其抗菌机理 夏金兰,王 春,刘新星 (中南大学 资源加工与生物工程学院,湖南长沙,410083) 摘要:抗菌剂包括无机、 有机和天然生物抗菌剂三大类型。无机抗菌剂以新型光催化型和载银的纳米复合型抗菌 材料为主要发展趋势,其中光催化型无机抗菌剂依赖光致激发的强氧化自由基而起杀菌作用;载银等金属离子型 抗菌剂通过与活性基团如巯基键合或置换金属离子辅基等方式使微生物的生命活性物质失活而起抗菌作用。有 机抗菌剂则以开发专效于生物分子(如微生物代谢酶、 膜受体等)的抗菌剂为其拓展方向,其通过作用于细胞壁和 细胞膜系统、 生化反应酶、 遗传物质等达到抗抑或杀菌作用。天然生物抗菌剂可来源于所有生物体,主要包括多 糖、 多肽及糖肽聚合物类物质,是未来抗菌材料的主要发展方向;它们作用于微生物胞外结构层或酶等生物活性物 质,影响微生物的运动、 跨膜物质运输或生化反应等。不同的抗菌剂对同一种病原菌有不同的抗菌作用机理和有 效性,同一种抗菌剂对于不同的病原菌也有不同的抗菌作用机制和抑制范围;得到既长效又广谱、 既高效又安全的 抗菌剂,对其抗菌机理的研究十分重要。 关键词:抗菌剂;杀菌剂;无机抗菌剂;有机抗菌剂;天然生物抗菌剂;抗菌机理 中图分类号:Q939. 9文献标识码:A文章编号:167227207(2004)0120031208 Research on antimicrobial agents and their mechanisms of actions XIA Jin2lan ,WANG Chun , LIU Xin2xing (School of Resource Processing and Bioengineering , Central South University , Changsha 410083 , China) Abstract :Antimicrobial agents may be in form of inorganic , organic or natural biological. The inorgan2 ic ones are stressed on the light2activated catalysis by the active oxidation of some free groups produced on the material surface , and Ag2supported complex nano2materials function as germicides by being bound to some active group. Some organic agents that function on the microbial cell envelope , bio2 chemical reaction chain or even genetic system due to their highly specificity for some biomolecules are to be stressed on , in order to wider the application of the organic antimicrobial agents to fields , such as medical treatment and health care. The natural biological antimicrobial agents could come from any liv2 ing organism. They may include both small and large biomolecules , that function on microbial extra2 cellular layer or some bioactive materials , e.g. , enzymes , and affect microbial movement , mass trans2 fer through membrane or some biochemical reaction. With the requirements for environmental protec2 tion and rapid development of biotechnology , development and application of the natural biological an2 timicrobial agents that has been stayed on empirical level will become the most important targets for both fundamental and applied researches pertinent to medical treatment , health care , food protection and biomedical production , indicating a huge application potential of this kind of agents. While differ2 ent antimicrobial agents may have different antimicrobial mechanisms and antibacterial spectrum on the same pathogen , and so does one antimicrobial agent to different pathogens. Key words :antimicrobial agents; germicides; inorganic antimicrobial agents; organic antimicrobial a2 gents; natural bio2antimicrobial agents; antimicrobial mechanisms 收稿日期:2003 - 07 - 14 基金项目:国家教育部优秀青年教师资助计划项目(200121932) 作者简介:夏金兰(1964 - ) ,男,湖南攸县人,中南大学教授,博士,从事生物功能材料与药物的研究 论文联系人:夏金兰,男,教授,博士;电话:073128830546(O) ; E2mail : jlxia 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 自然界的有害细菌、 真菌和病毒等微生物是使 人类遭受传染、 诱发疾病的主要原因。在公元14世 纪中期引起欧洲三分之一人口死亡的黑死病和20 世纪初致使全世界2000多万人死亡的流感;在日本 全国范围内的病原性大肠杆菌 “O2157” 、 英国的 “疯 牛病”,“口蹄疫” 、 美国的 “炭疽病” 和2003年春夏出 现的严重急性呼吸道感染综合症(SARS) ,这些传染 病都与病原微生物有直接的关系。 随着生活水平的提高,人们对生存环境的要求 也越来越高。由此,抗菌材料的生产已成为一个新 兴的产业,世界各国对抗菌剂的研究更加重视。 抗菌材料是具有杀菌、 抑菌性能的新型功能材 料。它是通过加入的抗菌剂而起作用的。抗菌剂可 分无机、 有机和天然生物抗菌剂3种类型。由于不 同的抗菌剂对同种病原菌的抗菌作用机理和有效性 的不同,以及同种抗菌剂对于不同的病原菌的抗菌 作用机制和抑制范围也不同,因此,要研究出既长效 又广谱、 既高效又安全的抗菌剂,对抗菌机理的研究 十分重要。 1 无机抗菌剂及其抗菌机理 无机抗菌材料是20世纪80年代中期发展起来 的一类抗菌材料,具有耐热性、 持久性、 连续性和安 全性等优点,但存在一些缺点,如银系抗菌剂,防霉 作用较弱、 添加量较大、 成本较高、 易变色等缺点。 目前对无机抗菌材料的应用研究主要涉及金属元素 抗菌剂、 光催化材料抗菌剂和纳米材料抗菌剂,主要 应用于纺织、 塑料、 涂料及陶瓷等方面。 1. 1 金属元素抗菌材料及其抗菌机理 1. 1. 1 金属元素抗菌剂 此类抗菌剂为金属及其化合物,主要是Ag ,Cu , Zn等元素,它们的抗菌性能(针对广谱抗菌性)依次 减弱,其中Ag的抗菌性约为Zn的抗菌性的1000 倍。 将这些金属或其化合物与沸石、 玻璃、 磷灰石、 磷酸钙、 磷酸锆等无机多孔性载体矿物通过离子交 换或吸附作用共同合成抗菌材料,其中银系抗菌剂 已得到广泛应用。在实际应用中,无机抗菌材料采 用多种无机金属复合剂。有专利报道了AB2O4形式 的复合抗菌剂1,其中A是二价金属Mg , Zn , Mn , Ni , Co或Fe离子,B是三价金属Al , Cr , Mn或Fe 离子,O是氧元素,这些抗菌剂涂布于多孔蜂窝形的 制品(由粘土、 氧化硅等混合物组成 ) , 使其具有良好 的抗菌性能。关于聚亚胺酯膜的抗菌性能2,添加 的抗菌剂是含Ag + 的交换树脂,应用结果表明其具 有很强的抗菌作用。 银系抗菌剂使用安全。含银系抗菌剂15 %的尼 龙612 ,可制成抗菌性较强的尼龙牙刷丝3。AIM 公司研制的商品名为Real Earth的含银鳌合物的胶 体抗菌剂,在医学上能安全地作为消炎药而无副作 用。又如氨基酸银,以蛋白质的组成物质氨基酸作 为载体,具有与有机高分子聚合物质相溶性好、 疏水 性好的优点,对人体安全,对环境友好。 1. 1. 2 金属元素抗菌机理 金属元素以其离子形式起抗菌作用。在金属离 子浓度相对过高的环境中,微生物生存受到的影响 是多方面的。 首先,微生物膜外存在高浓度的金属阳离子,改 变了正常的生物膜内外的极化状态,并引起新的离 子浓差,从而阻碍或破坏细胞维持生理所需的小分 子和大分子物质的运输,如在Na +/ K+2泵的驱动作 用下糖和氨基酸的运送,一些金属离子也可以进入 微生物胞内。实验结果证明,重金属能使大多数酶 失活,但其失活机理还不清楚。有人认为是正价的 重金属离子与蛋白质的N和O元素络合后,破坏酶 蛋白分子的空间构象;也可能是重金属离子与 SH 基反应,替换出质子,甚至破坏或置换维持酶活力所 必需的金属离子,如Mg2 +,Fe3 +和Ca2 +等。酶是一 切生物的催化剂,控制着微生物生化反应,酶一旦失 活,引起催化效率降低或性能丧失,从而使其所催化 的生化反应无法正常进行,并影响相关的生化反应, 导致微生物的能量代谢和物质代谢受阻,从而达到 抗菌的目的。此外,进入细胞内的金属离子也可以 与核酸结合,破坏细胞的分裂繁殖能力。 对于Ag +的抗菌机理 ,目前主要有2种观点,一 种是认为Ag + 直接与细菌接触,抑制和杀灭细菌。 有报道认为4 ,5Ag + 的杀菌作用直接与Ag + 从其配 体中溶出有关。张文征等认为Ag +可强烈地结合酶 蛋白的巯基而使酶失活是抗菌的主要原因6。肃耀 南等提到金属离子从配位体中缓慢释放出来杀菌效 果7,可是缺乏释放动力学实验数据。作者认为,在 这种情况下,不能排除其表面络合状金属离子(未离 开基质)仍有抗菌活性。由于Ag + 未饱和的配位能 力与菌体表面的N或O作用,破坏菌体表面活性结 构,导致菌体因生理变化或活动受阻而死亡。Y. Onodera等认为在水铝石载体中不溶态银发挥了优 于沸石银的抗菌效果8。另有研究者认为,Ag + 的 抗菌活性是间接地通过在其周围产生活性氧而发挥 23中南大学学报(自然科学版) 第35卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的。Y. Inoue等认为9,短时间接触时,银沸石的抗 菌活性只能在有溶解氧情况下才能发挥,Ag + 可使 氧活化为过氧离子、 过氧化氢和氢氧自由基而起到 杀菌作用。作者认为上述关于Ag + 的抗菌机理的2 种观点都有道理。 1. 2 光催化抗菌材料及其抗菌机理 1. 2. 1 氧化钛抗菌剂 目前,光催化抗菌剂主要有TiO2, ZnO , CdS , WO3,SnO2和Fe2O3等N型半导体金属氧化物,其 中TiO2的氧化活性较高,稳定性也较强,对人体无 毒。 TiO2晶体在光线照射下,短时间内就能完全杀 死与其接触的微生物,具有与金属离子相似的优点, 见效快,耐久,无二次污染。将具有灭菌作用的银、 铜、 锌等离子,以及其无机盐形式和TiO2一起加入 到陶瓷的釉料中制得的陶瓷,是家庭、 宾馆、 医院等 所用卫生设施的理想陶瓷。在建筑物的屋顶和外墙 上,医院手术台和墙壁上常附着细菌,如果涂刷光催 化TiO2涂层或墙砖,在阳光或室内弱光照射下,细 菌能很快被消灭。 1. 2. 2 氧化钛抗菌机理 TiO2的禁带宽为3. 2 eV ,它吸收了波长小于 387. 5 nm的近紫外光波后,价带中的电子就会被激 发到导带,形成带负电荷的高活性电子,同时在价带 上也产生带有正电荷的空穴。在电场作用下,电子2 空穴对发生分离而迁移到TiO2表面上的不同位置。 分布在TiO2表面的空穴与吸附在表面的OH - 和 H2O氧化成OH自由基。而高活性电子则具有较 强的还原能力,可将TiO2表面的氧还原成O - 2,也可 将水中的金属离子还原。OH自由基的氧化能力最 强可不加选择地使有机物全部氧化降解,包括穿透 细胞膜,破坏膜结构使细菌、 病毒和癌症细胞分解, 又能降解细胞产生的毒素(这是一般抗菌剂不能比 拟的) 10。 由于TiO2可以作用于一切有机物质,因此,它 的抗菌谱比金属离子的抗菌谱更广。 1. 3 纳米抗菌剂及其抗菌机理 1. 3. 1 纳米抗菌剂 纳米粒子是一种介于固体与液体间的亚稳定中 间态物质。纳米材料具有表面效应、 体积效应、 量子 尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点,呈现出奇特 的物理和化学特性,具有许多新的功能和广泛的应 用前景。 具有抗菌功能的纳米材料,根据杀菌机理的不 同,可分为2类:一类为载有Ag + 的纳米材料;另一 类为载有TiO2等材质的纳米材料。 载银纳米抗菌材料包括载银硅酸盐和载银磷酸 盐等。其中载银硅酸盐系抗菌剂主要用于低温加工 的纤维、 塑料等产品;载银酸磷盐系抗菌剂主要用于 高温加工的陶瓷产品,其制备原理是:利用纳米载体 材料的多微孔结构,采用特定的阳离子交换法将 Ag +交换进纳米载体的微孔中 ,然后采用使Ag + 在 微孔中低温脱水和高温稳定等工艺技术,使其成为 纳米载银抗菌材料11。 纳米TiO2无毒,无味,无刺激,热稳定性与耐热 性强,不燃烧,自身为白色。纳米TiO2还有以下优 点12:一是即效性好,如银系抗菌剂的效果约需24 h 发生,而TiO2的抗菌效果仅需1 h ;二是TiO2是半 永久维持抗菌效果的抗菌剂,不像其他抗菌剂会随 着溶出而效果逐渐下降;三是安全性高,TiO2可用于 食品添加剂中,TiO2与皮肤接触对皮肤无不良影响。 因此,近年来超微细TiO2广泛用作各行业的抗菌 剂。 1. 3. 2 纳米抗菌材料抗菌机理 纳米载银抗菌材料(包括载银硅酸盐和载银磷 酸盐等)的抗菌机理与无机银系的抗菌抗菌机理类 似,主要依赖于银元素的强抗菌活性。关于纳米级 的载银抗菌剂具有的特别抗菌机理的研究,目前未 见报道,但纳米级载银材料确实具有更好的抗菌效 果。刘维良报道11,把含微米磷酸三钙载银抗菌剂 (平均粒径为1. 3 m) 的釉料与含纳米磷酸锆载银 抗菌剂(平均粒径为97. 8 nm)的釉料(其中抗菌剂 的质量分数都为 2 %) 进行了抗菌效果比较实验,结 果表明:纳米级抗菌剂的最小抑菌浓度只有微米级 的最小抑菌浓度 1/ 4 ( 实验菌种选取的是大肠杆菌、 葡萄球菌、 白色念珠菌)。由于载体纳米化,抗菌材 料具有更大表面积,对微生物有更强的吸附作用, 从而可以有更好的抗菌效果。 同载银抗菌剂类似,TiO2纳米化后也表现出更 高的抑菌活性。汪大林发现超细TiO2能杀灭 S. mulans株AHT(血清型 ) , 同时还能杀灭仓鼠属链 球菌SH26、 鼠属链菌FA21和粘性放线菌ATCC2 1924613。此外,TiO2粒度越细、 分散性越好、 比表面 积越大,则杀菌效果越好。但是,由于有的细胞壁对 光催化反应敏感,有些细菌则对这种反应具有防护作 用,超细TiO2对不同的细菌有不同的杀菌作用。 2 有机抗菌材料及其抗菌机理 2. 1 有机抗菌剂 33第1期 夏金兰,等:抗菌剂及其抗菌机理 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 目前有机抗菌剂仍在抗菌系列产品中占主导地 位,广泛应用于塑料、 涂料、 纤维、 纸张、 橡胶、 树脂、 木材、 建材、 医疗以及水处理等等。其优点是杀菌力 强,即效好,种类多,缺点是毒性大,耐热性较差,易 迁移、 可能产生微生物耐药性等。近年来无机抗菌 剂和天然抗菌剂受到重视,并有大量产品进入市场, 而有机抗菌剂的研究开发差不多处于停顿状态,市 场需求下降。 有机抗菌剂种类多达500多种,但常用的只有 几十种。有机抗菌剂主要有14:有机金属类,如五 氯酚锌;有机卤代物,如五氯酚钠;醇、 酚、 醚类,如乙 醇、 对硝基苯酚、 乙二醇2甲基醚等;醛、 酮、 醌类,如 戊二醛、 邻羟基环戊烯二酮、 四氯对醌;酸及盐类,如 山梨酸;酯类,如富马酸二甲酯;腈类,如百菌清;胍 类,如氯已啶;有机硝基化合物类,如呋喃西林;有机 磷及有机砷类,如月桂胂。此外,还有呋喃类、 吡咯 类、 咪唑类、 噻唑啉类、 苯并呋喃类、 苯并噻唑类等杂 环类抗菌剂。这些抗菌剂根据其用途,又可分为杀 菌剂、 防腐剂和防霉防藻剂。杀菌剂是指可效地杀 死微生物的抗菌剂,主要有季铵盐、 乙醇、 双胍类化 合物等,常用于机器表面和皮肤除菌、 食品加工厂和 餐馆杀菌,水处理等;防腐剂是指可防止、 减缓有机 质的腐败变质的抗菌剂,常见有甲醛、 有机卤素化合 物及有机金属等,常用于家庭用品、 水处理及船泊 等;防霉防藻剂是指防止材料、 物体长霉生藻变质的 抗菌剂,主要有吡啶、 咪唑、 卤代烷及碘化物等,常用 于涂料、 壁纸、 塑料、 薄膜及皮革等。 2. 2 有机抗菌剂的抗菌机理 一般认为有机抗菌剂的作用机理可归纳以下3 个方面:一是作用于细胞壁和细胞膜系统;二是作用 于生化反应酶或其他活性物质;三是作用于遗传物 质或遗传微粒结构。 季铵盐类可吸附带负电荷的细菌,引起胞壁结 构损害,使内容物漏出。醇类杀菌机制是去除细菌 胞膜中的脂类,并使菌体蛋白质变性,其中乙醇最常 用,其浓度为70 %75 %时杀菌力最强,浓度过高时 能使菌体表面蛋白质迅速凝固,杀菌效力反而下降。 双胍类杀菌剂常用的有氯已啶,其浓度低时破坏菌 细胞膜,使胞质内容物漏出;浓度高时使菌体蛋白质 凝固。此外,季铵盐也具有抑制细菌脱氢酶、 氧化酶 等作用。 防腐剂主要通过抑制微生物的能量代谢而起作 用。在下述几种情况时防腐剂能具有较强的抗菌防 腐活性:一是抗菌剂分子中具有一定空间自由度的 , 2不饱和羰基结构;二是抗菌活性中心与微生物生 命分子功能域能发生直接碰撞接触;三是抗菌剂具 有合适的亲疏水性,以作用于细菌表面或渗入细胞 内特异组织;四是抗菌剂不易被酶促降解,同时对生 化过程中酶的抑制谱较宽15。防霉、 防藻剂的作用 机理可归纳为使2SH酸化破坏,代谢受阻,DNA合成 受阻16。 双乙酸钠是一种高效、 广谱抗菌防霉剂,尤其对 黄曲霉素具有较强的抑制作用,它通过渗透微生物 细胞壁,干扰细胞内各种酶体系的生成,可以高效抑 制十多种霉菌素和多种细菌的滋生和蔓延。吡啶盐 具有利用其吡啶盐功能基团与细菌之间的静电相互 作用(即生态捕捉作用)的功能16。苯并咪唑类干 扰病原菌的有丝分裂中纺缍体的形成,从而影响病 原菌的细胞分裂过程。喹诺酮渗进细菌细胞内抑制 DNA旋转酶,这种酶能保持DNA的超螺旋结 构17。 C. Miskolci等研究了异苯嗪的抗菌机理18,表 明异苯嗪和其他的吩噻嗪优先结合到黄嘌呤类型分 子上,在黄嘌呤中,与GMP结合比与AMP结合更 容易。因此,在质粒DNA上富含G2C的区域比富含 A2T的区域与吩噻嗪类有更大的结合力。在抗菌方 面,这种药物在这些区域起着极其重要的作用。 吡咯类抗菌剂来源于天然产物硝吡咯菌素,是 非内吸性的广谱抗菌剂。其作用机理是通过抑制葡 萄糖磷酰化有关的转移酶,并抑制真菌菌丝体的生 长,最终导致病菌死亡。因其作用机理独特,故与现 有抗菌剂无交互抗菌性。 嘧啶胺类具有独特的作用机理,即抑制病原菌 蛋白质分泌,包括降低分解酶水平。分析认为这些 酶与病原菌进入寄主植物并引起寄主组织的坏死有 关,无交互抗性。 对于醛类,有人认为其杀菌活性可以用烷基化 反应解释,有人认为2个醛基的存在是必要的19, 二醛的杀菌能力与链长有关,链长增加,杀菌活性降 低,但戊二醛的杀菌机理例外20,被认为是蛋白质 的交联作用。这种交联主要是醛基与氨基反应,其 他活性基如巯基、 亚胺基也可参与交联。戊二醛首 先作用于外层胞膜,改变细胞的渗透性,破坏酶系 统,抑制DNA ,RNA和蛋白质的合成。 嘌呤类,如抗艾滋病药Abacavir ,商品名为Zia2 gen ,化学名为IS2顺2 (2 2氨基26 2(环丙胺)29H2嘌 呤29 2基)222环戊烯212甲醇,由英国Glaxo2wellcome 有限公司生产,于1999年5月在美国上市。该药是 核苷类逆转录酶抑制剂,通过抑制HIV逆转录酶, 引起DNA链断裂,从而阻止病毒复制。 43中南大学学报(自然科学版) 第35卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 含卤素的抗菌剂按其卤原子的性质和作用可分 为活性氧化型和共价稳定型2大类。前者在使用时 会分解出活性原子,主要以氧化作用杀菌;后者则属 于卤代化合物,其卤原子只是起改性作用。 由于大多数有机抗菌剂能够干扰细胞的基因表 达及相关酶系统,因此在抑制有害微生物的同时,对 其他生物体细胞也具有毒性。这是阻碍有机抗菌剂 材料发展的主要原因。提高有机菌材料及其废弃物 (即成为环境友好生态材料)的安全性比较困难。就 当前研究与应用,人们在寻求低毒的有机抗菌剂的 同时,应致力于高效低毒的无机抗菌剂以及可降解 的环境友好性的天然生物抗菌剂的研究。其次,综 合各类抗菌剂的优点,研制复合抗菌材料已成为研 究的热点。 3 天然生物抗菌剂及其抗菌机理 天然生物抗菌剂来源于自然界,人们通过提取、 纯化获得,资源极其丰富。天然生物抗菌剂是最早 为人们所利用的抗菌剂,古埃及时期人们就能够用 蜂蜡作抗菌剂来保存木乃伊。但是,对天然抗菌剂 的开发一直停留在传统经验水平上。近年来,随着 环保意识的加强及生物技术研究水平的迅速提高, 天然抗菌剂越来越受到重视。根据天然生物抗菌剂 来源的不同,可将其分为植物源、 动物源和微生物 源21。 3. 1 植物源天然抗菌剂及其抗菌机理 目前,植物源抗菌剂是研究最多的一类天然抗 菌剂。我国传统的中草药有着悠久的历史,这一类 抗菌剂资源开发潜力巨大,如穿心莲、 大蒜、 金荞麦、 苦木、 黄连及黄连素、 鱼腥草及鱼腥草素等,都是常 用的抗菌药物。国外对植物抗菌剂的相关研究报道 很多(见表 1) 。目前对植物天然抗菌剂的开发还刚 刚起步,对其抗菌机理的研究有待深入。 3. 2 微生物源天然抗菌剂及其抗菌机理 微生物自身也可用作抗菌剂。其抑菌机制有如 下几种: 一是分泌抗菌素。Y. Ouhdouch等39报道了从 在摩洛哥分离出的几种放线菌的菌株中提取的非聚 烯抗生素,对酵母、 霉菌和细菌有很强的抑制作用。 G. M. Thorne等通过研究发现链霉菌roseosporus的 发酵产物daptomycin为脂肽类抗生素,几乎能够抑 制所有的革兰阳性病原菌,不会产生交叉抗药 性40;M. Morita等淀粉芽孢杆菌胞内溶素的抗革兰 氏阴性菌活性与结构关系41,实验证实这种内溶素 分子链的C2端和N2端都与抗菌活性有关。H. Tsubery等研究了多菌粘素B (PMB)的脱酰氨基衍 生物(PMBN)的抗菌性42,虽然PMBN的抗菌性比 PMB的抗菌性弱,但它可以渗透过革兰氏阴性菌的 外膜而中和脂多糖(LPS)毒性。 二是参与营养和生存空间的竞争。通过占有生 表1 植物源天然生物抗菌剂举例 Table 1 Examples of natural bio2antimicrobial agents originated from some plants 植物名称提取部位主要的提取剂试验微生物抗菌效果或MIC值 Bergenia ciliata22, Psychotria microlabastra23 根、 茎皮和叶甲醇多种广谱活性 Cassia alata24根、 茎、 叶和花甲醇多种广谱活性 Horsfieldia helwigi ,Melia25, Michelia champaca26 根、 茎、 叶、 花和种子甲醇多种广谱活性 Symplocos cochinensis27根、 叶和茎皮甲醇多种广谱活性 Vernonia cinerea28苯多种广谱活性 Salvia tomentosa (鼠尾草) 29 monomeric procyanidin30 Alangium salviifolium 31 Hypericum hookerianum32 气生部分 种子 花 根和叶 水 丙酮 甲醇 多种显著的抑制作用 Acanthospermum hispidum33叶和花乙醇多种广谱活性 Azadiracnta indica , Cinnamomum cassia , Rumex nervosus , Ruta graveolens , Thymus serpyllum , Zingiber officinale34 树皮和叶甲醇和丙酮蜡状芽孢杆菌165660 mg/ L Marula35叶丙酮多种1503 000 mg/ L Dodonaea viscosa , Rumex nervosus , Rumex abyssinicus36 种子和根甲醇多种微生物与柯萨奇病毒存在活性 Terminalia macroptera37叶二乙醚淋病奈瑟氏球菌2550 mg/ L 银杏38种子甲醇葡萄球菌、 假单孢菌及大肠杆菌存在活性 53第1期 夏金兰,等:抗菌剂及其抗菌机理 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 存空间、 消耗氧气等削弱以至消除同一生存环境中 的某些病原物。 三是诱导寄主产生抗病性。微生物可以诱导寄 主产生防御反应或对病原菌直接寄生而抑制病原菌。 四是对病原菌直接作用。L. L. Wilson等发现 木霉和酵母能寄生在病原菌上,并分泌一种能破坏 真菌细胞壁的酶43。 因此,对微生物抗菌作用的研 究为开发新的天然高分子抗菌剂提供了重要的理论 基础和实践指导。 3. 3 动物源天然抗菌剂及其抗菌机理 动物源抗菌剂有氨基酸类、 天然肽类、 高分子糖 类等,资源十分丰富。 陈月开等研究了氨基酸的抗菌活性,发现半胱 氨酸对金黄色葡萄球菌具有较强的抑制作用44。 半胱氨酸有极强的抗氧化作用,因而推断其抑菌作 用与抗氧化性有关。 天然肽类抗菌剂,目前已成为抗菌剂的研究热 点。很早以前人们就知道人奶和牛奶中含有抗菌性 的物质,如溶菌酶、 乳过氧化物酶等。溶菌酶对人体 安全无副作用,其作用机制是破坏细菌细胞壁肽聚 糖中的 21 ,4糖苷键。K. H. Yu等认为来自3种鳞 翅目昆虫( Galleria mellonella , Bombyx mori , Agrius convolvidi)幼虫血淋巴的溶菌酶对革兰氏阳性菌具 有很强的抗性,对革兰氏阴性菌也有抑制活性45。 此外,还有酰胺酶能切断细菌细胞壁肽聚糖中NAM 与肽 “尾” 之间的N2乙酰胞壁酶2L2丙氨酸键;内肽酶 能使肽尾及肽 “桥” 内的肽键断裂;葡聚糖和甘露聚 糖酶可分解酵母细胞的细胞壁;壳多糖酶可分解霉 菌细胞壁。N. E. Allen等报道了oritavancin及相关 的糖肽抗生素的抗菌机理46,认为是通过阻碍肽聚 糖合成过程中的转糖基步骤,及与肽聚糖的二糖残 基反应的结果,并且oritavancin能够通过牢固的二 聚化 “锚定” 到细胞膜上。以上多肽主要对细菌的细 胞壁起作用,故其对革兰氏阳性菌起较强的抑制作 用。又如昆虫抗菌肽,抗菌肽由37个氨基酸残基组 成,在第512位和第2537位构成了2个螺旋区 域,在1个长的疏水片段后面连有1个强碱性、 亲水 性的N2端区域。其抗菌机理是在微生物细胞膜上 形成通道,引起细胞质溢流。 壳聚糖的抗菌性能已成为研究的热点。壳聚糖 是甲壳质的脱乙酰产物,可以溶解在许多稀酸中。 壳聚糖相对分子质量越小、 脱乙酰度越大,溶解度越 大。壳聚糖具有较强的抗菌活性,其对大肠杆菌、 枯 草杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC值达到 (250 500) 10 - 6。此外 ,壳聚糖对植物病原菌也有抑制 作用,如1 %壳聚糖对尖镰菌(F. Solani)和腐皮镰菌 (F.oxysporum cepae)有完全抑制的作用。壳聚糖的 抗菌作用,认为有以下2种机理:一种是壳聚糖分子 中的- NH3 +带正电性,吸附在细胞表面,一方面可 能形成一层高分子膜,阻止营养物质向细胞内运输, 另一方面使细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均, 破坏细胞壁的合成与溶解平衡,溶解细胞壁,从而起 到抑菌杀菌作用;另一种是通过渗透进入细胞内,吸 附细胞体内带有阴离子的物质,扰乱细胞正常的生 理活动,从而杀灭细菌。对于细胞壁结构不同的革 兰氏阳性与革兰氏阴性细菌,壳聚糖的作用机理不 同。革兰氏阳性细菌,有较厚的细胞壁结构,壳聚糖 主要作用于其细胞表面,因此前一种机理是杀灭此 类细菌的主导作用;革兰氏阴性细菌,细胞壁较薄, 小分子的壳聚糖可以进入其细胞内作用,因此后一 种机理起主导作用。研究结果表明,随着脱乙酰度 和浓度的提高,壳聚糖的抗菌活性增强。而对于相 对分子质量的影响,目前还未有一致的结论,其原因 一方面是对壳聚糖相对分子质量在生产过程中不能 很好控制,另一方面是因为不同相对分子质量的壳聚 糖对于不同的菌种有不同的作用效果。一般认为,随 着壳聚糖相对分子质量的降低,对大肠杆菌抑制性增 强,而对金黄色葡萄球菌的抑制性减弱。 此外,一些生物碱也可用作抗菌剂,如Y. R. Torres等发现从一种海绵无脊椎动物提取的生物碱 对革兰氏阴性和革兰氏阳性菌都有很强的抗菌效 果47。 4 结 语 作为一种理想的抗菌剂,应该具有即效、 广谱、 长 效、 稳定及安全的抗菌效果。然而,现有的抗菌剂,无论 是无机的、 有机的,还是天然生物的,都没有达到理想的 要求。现有的各类抗菌剂,都具有特有的抗菌机理,只 有在抗菌机理上作出全面、 深层次的研究,综合各类抗 菌剂的特点,才能进一步改善抗菌剂的有效性。 目前,抗菌材料研究在我国正面临着重大的机 遇和挑战。1996年日本病原性大肠杆菌感染事件, 引起日本全国范围内对抗菌材料研制开发的极大重 63中南大学学报(自然科学版) 第35卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 视,也是目前日本在这一领域处于领先地位的重要 原因。2003年,我国遭受到了严重的SARS病毒感 染,面对这样的灾害,抗菌材料的研究工作者,从保 障人们群众的健康利益出发,如何进一步开发出有 效的抗菌剂,如何在更广阔的领域中使抗菌剂得到 应用,这必将是我国今后在抗菌材料领域中面临的2 个最主要的课题。 参考文献: 1 Shiau Y K, Wu C H. Antimicrobial composition supported on a honeycomb shaped substrate P. USA:20010043938 ,200111 22. 2 Petrea R D , Schuette R L , Whiteside S A.Antimicrobial polyurethane films P. USA: 20020187175 ,20021212. 3 田树霖,蔡惠萍.具有长效抗菌尼龙牙刷的生产方法 P.中 国:1145209A ,19970319. TIAN Shu2ling , CAI Hui2ping. Method for production of nylon toothbrushwithefficientantibacterialactivity P.China: 1145209A , 19970319. 4 Slawson R M , Lee H , TrevorsJ T. 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