密度感应抑制剂和其在口腔微生物领域中探究进展

1、密度感应抑制剂和其在口腔微生物领域中探究进展 摘要密度感应即密度感知或群体感应，是细菌彼此间信号传递的一种机制。诸多的天然植物提取物和化合物皆具有抑制密度感应的作用。本文就革兰阴性菌的密度感应系统中N-酰基高丝氨酸内酯抑制剂和LuxS/AI-2信号系统拮抗剂及其在口腔领域中的应用作一综述。 关键词密度感应；抑制剂；自身诱导分子 中图分类号R 780.2文献标志码Adoi10.3969/j.issn.1673-5749.2012.03.014 Research progress on quorum sensing inhibitors in oral microbiol areaWang Shu

2、ang1, Zhang Liping1, Xu Yi1，2.（1. State Key Laboratory of Oral Diseases, Sichuan University, Chengdu 610041, China; 2. Dept. of Periodontics, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China） AbstractQuorum sensing systems are bacterial cell-to-cell communication systems

3、. Some natural substances and chemical compounds found recently interfere with quorum sensing systems. In this review we highlight inhibitors of acylhomoserine lactone and LuxS/AI-2 mediated quorum sensing in gram-negative bacteria and the corresponding research outcomes in the oral microbiol area.

4、Key wordsquorum sensing；inhibitor；autoinducer 密度感应（quorum sensing，QS）即密度感知或群体感应，是细菌彼此间进行信号传递的一种机制。细菌通过自身诱导分子（autoinducer，AI）来感知并调控自身周围环境中细菌的数量。随着细菌数量的增加，AI的质量分数不断增加，当其达到一定阈值时，可以启动细菌相关基因的表达，调控细菌生物发光、毒力因子和生物膜的形成等行为，以适应环境的变化1-2。干扰细菌的QS通路，可控制细菌的相关生物学行为。对QS抑制剂（quorum sensing inhibitor，QSI）的研究有助于控制细菌的感染。

5、QS信号分子分为菌种内QS信号分子（AI-1）和菌种间QS信号分子（AI-2）。AI-1中包括N-酰基高丝氨酸内酯（acyl-homoserine lactone，AHL或acyl-HSL）及其类似物和自身诱导肽（autoinducing peptide，AIP），分别存在于革兰阴性和阳性细菌之中，感应菌种内的变化。AHL由一个脂肪酸酰基链和内酯化的高丝氨酸组成。AI-2主要指呋喃酰硼酸二酯，同时存在于革兰阴性和阳性细菌之中，感应菌种间的变化。抑制细菌QS现象的途径有：1）利用酶降解信号分子；2）抑制信号分子产生；3）信号分子受体的拮抗作用等。 1AHL抑制剂 1.1降解AHL信号分子 升高温

6、度或将AHL置于碱性环境中，可使该信号分子降解。其机制为引起内酯环自发的断开，从而破坏该信号分子3。此外，真核生物和原核生物分泌AHL的代谢酶，譬如内酯酶、酰基酶、氧化还原酶和脱羧酶可使该信号分子降解4-5。原核生物中，芽孢杆菌属由aiia基因编码的AHL内酯酶，可通过分解AHL有效地控制细菌感染6-7。 1.2抑制AHL信号分子的合成 S-腺苷甲硫氨酸是AHL合成的前体物质，S-腺苷高半胱氨酸和西尼霉素作为S-腺苷甲硫氨酸的类似物可有效地抑制Rh1I催化合成C4-HSL8-9。三氯生作为烯酰-酸性磷酸酶还原酶抑制剂，可以有效地抑制酰基-酸性磷酸酶的合成，从而抑制AI的合成10。 1.3AHL

7、信号分子的受体拮抗剂 1.3.1AHL类似物单独改变酰基侧链和内酯环的结构或同时改变两者的结构，可获得大量的具有拮抗作用的AHL类似物。改变酰基侧链可得到一系列的AI-1抑制剂11-16。用磺胺、尿素和磺脲替换AHL中的酰基键，用环戊烷和芳基等替换酰基侧链中的第4位碳原子，所得类似物可抑制费氏弧菌信号分子3-oxo-C6-HSL诱导的含感应质粒pSB401重组大肠埃希菌NM522发光。这些化合物具有防止有活性的LuxR二聚体形成，起到拮抗剂作用。合成的N-苯丙酮高丝氨酸内酯类化 合物C12H12NO3I、C13H12NO3F3，可以抑制大肠埃希菌JM109（pSB401）发光15，C11H10

8、N2O6、C13H12NO3F3可以抑制根癌土壤杆菌WCF47（pCF372）的活性16，C12H12NO3I为费氏弧菌的QSI。 通过改变内酯环结构可得到AI-1抑制剂。Smith等17合成的铜绿假单胞菌自身诱导分子PAI1类似物C17H31NO3、C17H29NO3，可以减少敲除AI合成基因las的铜绿假单胞菌PAO-JP2菌株绿色荧光蛋白的产生。Morohoshi等18合成的N-壬酰基-环戊酰胺（C9-CPA、C14H27NO），可以有效地抑制由粘质沙雷菌AS-1调控的灵菌红素的产生。Ishida等19合成的抑制剂N-癸酰基-环戊酰胺（C10-CPA、C15H29NO），可以抑制铜绿假单

9、胞菌PAO1 lasB-lacZ基因和rh1A-rh1Z基因的表达，在不影响铜绿假单胞菌PAO1生长的情况下可以有效地抑制毒力因子，例如弹性蛋白、绿脓菌素和鼠李糖脂的产生，抑制生物膜的形成。 同时改变酰基侧链和内酯环的结构，亦可以得到AI-1抑制剂。Bassler等20合成的C14H16ClNO3S、C14H16O3NSCl可抑制紫色色杆菌产生紫色杆菌素，可以控制模式生物线虫和小鼠感染紫色色杆菌。Mh等21合成的两种LasR受体拮抗剂C17H25O2N、C15H28O2N4，可以抑制含有质粒pUM15的las和rh1I基因缺失的铜绿假单胞菌PAO-MW1绿脓菌素的产生，可以有效地抑制依赖于QS

10、调控的毒力因子的表达，例如胰蛋白酶E和绿脓菌素。 1.3.2卤化呋喃酮类化合物早在1993年，De Nys等22便从澳大利亚海岸的红藻中提取了呋喃酮类化合物，这些化合物均为QSI。Manefield等23证实，呋喃酮及其类似物是通过结合或阻断AHL受体来抑制AHL调控基因表达的。研究23-24显示：C5H2O2Br2、C5H3O2Br为QSI，可通过干扰AHL信号分子来抑制铜绿假单胞菌的QS和清除肺部铜绿假单胞菌的感染；合成的呋喃酮，并非通过杀死细菌来干扰QS；合成的呋喃酮可以通过血液运输到肺部组织，抑制AHL依赖的基因表达。Kim等25在研究中用重组大肠埃希菌报告菌株检测所合成的C7H8O4

11、、C8H10O4对3-oxo-C12-HSL的抑制作用，结果二者可以有效地抑制LasR的活性，但不影响大肠埃希菌和铜绿假单胞菌的生长；在荧光电镜下，C7H8O4对铜绿假单胞菌生物膜形成有明显的抑制作用。 1.3.3其他有拮抗活性的化合物Choo等26通过纸片扩散法证实，香子兰提取物不影响紫色色杆菌CV026的生长，但却能减少该菌紫菌素的产生，有抑制细菌QS的作用。Szab等27证实，玫瑰、天竺葵、薰衣草和迷迭香油可有效地抑制细菌的生长，而且可干扰QS的调控过程。口服大蒜提取物的小鼠可明显减少肾脏内细菌的数量，并保护肾脏组织免受损坏28。将新鲜大蒜提取物作用于铜绿假单胞菌，其毒力因子减弱，QS信

12、号分子减少。 2LuxS和AI-2信号系统拮抗剂 2.1抑制AI-2信号分子的合成 AI-2抑制剂的主要作用靶点为AI-2合成、摄取过程中的酶，但AI-2摄取过程中的酶种类繁多，结构不明，其研究主要针对其合成途径中的酶。S-腺苷高半胱氨酸/甲硫腺苷核苷酶抑制剂（Pfs抑制剂）和S-核糖基高半胱氨酸酶（LuxS）是AI-2合成过程中的重要酶。Pfs主要由嘌呤区域、核糖区域和硫烷基结合区域构成。合成以上类似物，可得到一系列的Pfs抑制剂。一些合成氟化甲基硫腺苷类似物的研究29证实，该类化合物均有效地抑制Pfs，且可作为Pfs的底物裂解成为相应的氟化甲硫核糖类似物。其中，C11H13F2N5O3S的

13、抑制活性最佳（抑制常数Ki=2.1molL1）。Singh等30设计的C13H19N5O（Ki=47 fmolL1）为大肠埃希菌较好的Pfs抑制剂。Kamath等31合成了Pfs抑制剂C15H22N6O4S（Ki=1.7 nmolL1）。Li等32以5-氨基咪唑为Pfs抑制剂核心结构合成的吲哚衍生物类C23H21Cl3N4O2S（Ki=0.001 6molL1），为纳摩尔级低相对分子质量的酶抑制剂，在抗脑膜炎奈瑟菌的微生物试验中其最低抑菌浓度低于10molL1。以6位取代嘌呤或去氮嘌呤作为核心结构合成的嘌呤苄胺类衍生物C24H26N6（Ki=0.002 8molL1） 和C21H25N5O2（

14、Ki=0.043molL1），在酶抑制剂试验中为纳摩尔级相对分子质量的抑制剂33。 抑制LuxS，不影响细菌的增长但却减少AI-2介导的QS。Alfaro等34合成的S-核糖基高半胱氨酸底物C9H17NO5S、C9H17NO6S为AI-2抑制剂。Shen等35合成的S-核糖基高半胱氨酸底物类似物，有竞争性抑制剂作用。 2.2AI-2信号分子拮抗剂 AI-2拮抗剂主要为呋喃酮类化合物。其中，C5H2O2Br2、C9H10Br2O2具有干扰AI-2介导的QS现象，可保护无菌丰年虾免受致病菌的作用36。20gL1的C9H10O2Br2可抑制大肠埃希菌的群集运动；60gL1的C9H10O2Br2可抑制

15、大肠埃希菌生物膜的形成，降低生物膜的厚度，减少生物膜水通道37-38。C9H10O2Br2在抑制AI-2信号分子的 同时影响诸多基因的表达，而这些基因的主要功能是化学趋向性、运动性和鞭毛合成。C9H10O2Br2抑制炭疽芽胞杆菌的生长及其毒力因子pagA、lef和cya的表达39。Ren等40证实，C9H10O2Br2抑制枯草芽胞杆菌群集运动，40gL1的C9H10O2Br2可降低该菌生物膜的厚度。 3QSI在口腔领域的应用 目前，QSI在口腔领域中的应用甚少。Asahi等41利用胺和醇来替换AHL，合成的化合物分别为C4-HSL、C6-HSL和C12-HSL类似物。这三种复合物在牙龈卟啉单胞

16、菌生物膜中起抑制剂作用，试验组较对照组的光密度值减少的差异有统计学意义。在这三种类似物存在的聚乙烯板上，牙龈卟啉单胞菌所形成的生物膜较对照组明显减少，其三维结构形成不良，但是细胞早期的附着没有质和量的差异。L觟nn-Stensrud等42在研究中证实，将C5H3BrO2包被玻片表面或直接加入培养基中，均可有效地抑制咽峡炎链球菌、中间链球菌和变异链球菌野生型生物膜的形成。张利平等43证实，C5H2O2Br2可抑制牙龈卟啉单胞菌生物膜的形成。 4参考文献 1Fuqua WC, Winans SC, Greenberg EP. Quorum sensing in bacteria：The LuxR-

17、LuxI family of cell density-responsive transcriptional regulatorsJ. J Bacteriol, 1994, 176（2）：269-275. 2Waters CM, Bassler BL. Quorum sensing：Cell-to-cell communication in bacteriaJ. Annu Rev Cell Dev Biol, 2005, 21：319-346. 3Voelkert E, Grant DR. Determination of homoserine as the lactoneJ. Anal Bi

18、ochem, 1970, 34：131-137. 4Kim MH, Choi WC, Kang HO, et al. The molecular structure and catalytic mechanism of a quorum-quenching N -acyl -L -homoserine lactone hydrolase J. Proc Natl Acad Sci U S A, 2005, 102（49）：17606-17611. 5Xu F, Byun T, Deussen HJ, et al. Degradation of N-acylhomoserine lactones

19、, the bacterial quorum-sensing molecules, by acylaseJ. J Biotechnol, 2003, 101（1）：89-96. 6Dong YH, Xu JL, Li XZ, et al. AiiA, an enzyme that inactivates the acylhomoserine lactone quorum -sensing signal and attenuates the virulence of Erwinia carotovoraJ. Proc Natl Acad Sci U S A, 2000, 97（7）：3526-3

20、531. 7Dong YH, Zhang XF, Xu JL, et al. Insecticidal Bacillus thuringiensis silences Erwinia carotovora virulence by a new form of microbial antagonism, signal interferenceJ. Appl Environ Microbiol, 2004, 70（2）：954-960. 8Rasmussen TB, Manefield M, Andersen JB, et al. How Delisea pulchra furanones aff

21、ect quorum sensing and swarming motility in Serratia liquefaciens MG1J. Microbiology, 2000, 146（Pt 12）：3237-3244. 9Ang S, Horng YT, Shu JC, et al. The role of RsmA in the regulation of swarming motility in Serratia marcescensJ. J Biomed Sci, 2001, 8（2）：160-169. 10黄远帅,尹一兵.细菌的密度感应系统的信号干扰及其应用J.生命的化学, 2

22、005, 25（2）：86-88. 11Castang S, Chantegrel B, Deshayes C, et al. N-Sulfonyl homoserine lactones as antagonists of bacterial quorum sensingJ. Bioorg Med Chem Lett, 2004, 14（20）：5145-5149. 12Reverchon S, Chantegrel B, Deshayes C, et al. New synthetic analogues of N-acyl homoserine lactones as agonists

23、or antagonists of transcriptional regulators involved in bacterial quorum sensingJ. Bioorg Med Chem Lett, 2002, 12（8）：1153-1157. 13Frezza M, Castang S, Estephane J, et al. Synthesis and biological evaluation of homoserine lactone derived ureas as antagonists of bacterial quorum sensingJ. Bioorg Med

24、Chem, 2006, 14（14）：4781-4791. 14 Frezza M, Soulre L, Reverchon S, et al. Synthetic homoserine lactone -derived sulfonylureas as inhibitors of Vibrio fischeri quorum sensing regulatorJ. Bioorg Med Chem, 2008, 16（7）：3550-3556. 15Geske GD, ONeill JC, Blackwell HE. N-phenylacetanoyl-L-homoserine lactone

25、s can strongly antagonize or superagonize quorum sensing in Vibrio fischeriJ. ACS Chem Biol, 2007, 2（5）：315-319. 16Geske GD, Mattmann ME, Blackwell HE. Evaluation of a focused library of N-aryl L-homoserine lactones reveals a new set of potent quorum sensing modulatorsJ. Bioorg Med Chem Lett, 2008,

26、18（22）：5978-5981. 17Smith KM, Bu Y, Suga H. Induction and inhibition of Pseudomonas aeruginosa quorum sensing by synthetic autoinducer analogsJ. Chem Biol, 2003, 10（1）：81-89. 18Morohoshi T, Shiono T, Takidouchi K, et al. Inhibition of quorum sensing in Serratia marcescens AS-1 by synthetic analogs o

27、f N-acylhomoserine lactoneJ. Appl Environ Microbiol, 2007, 73（20）：6339-6344. 19Ishida T, Ikeda T, Takiguchi N, et al. Inhibition of quorum sensing in Pseudomonas aeruginosa by N-acyl cyclopentylamidesJ. Appl Environ Microbiol, 2007, 73（10）：3183-3188. 20Bassler BL, Swem LR, Ulrich SM, et al. Small mo

28、lecule antagonists of bacterial quorum-sensing receptorsP. USA Patent, 2010160423.2010-06. 21Mh U, Schuster M, Heim R, et al. Novel Pseudomonas aeruginosa quorum -sensing inhibitors identified in an ultra-high-throughput screenJ. Antimicrob Agents Chemother, 2006, 50（11）：3674-3679. 22De Nys R, Wrigh

29、t AD, Konig GM, et al. New halogenated furanones from the marine alga delisea pulchra（cf fimbriata）J. Tetrahedron, 1993, 49（48）：11213-11220. 23Manefield M, Rasmussen TB, Henzter M, et al. Halogenated furanones inhibit quorum sensing through accelerated LuxR turnoverJ. Microbiology, 2002, 148（Pt 4）：1

30、119-1127. 24Wu H, Song Z, Hentzer M, et al. Synthetic furanones inhibit quorum-sensing and enhance bacterial clearance in Pseudomonas aeruginosa lung infection in miceJ. J Antimicrob Chemother, 2004, 53（6）：1054-1061. 25Kim C, Kim J, Park HY, et al. Furanone derivatives as quorum-sensing antagonists

31、of Pseudomonas aeruginosaJ. Appl Microbiol Biotechnol, 2008, 80（1）：37-47. 26Choo JH, Rukayadi Y, Hwang JK. Inhibition of bacterial quorum sensing by vanilla extractJ. Lett Appl Microbiol, 2006, 42（6）：637-641. 27SzabMA, Varga GZ, Hohmann J, et al. Inhibition of quorum-sensing signals by essential oil

32、sJ. Phytother Res, 2010, 24（5）：782-786. 28Harjai K, Kumar R, Singh S. Garlic blocks quorum sensing and attenuates the virulence of Pseudomonas aeruginosaJ. FEMS Immunol Med Microbiol, 2010, 58（2）：161-168. 29Gatel M, Muzard M, Guillerm D, et al. Kinetic properties of fluorinated substrate analogues o

33、n 5-methylthioadenosine nucleosidase from Escherichia coliJ. Eur J Med Chem, 1996, 31（1）：37-41. 30Singh V, Evans GB, Lenz DH, et al. Femtomolar transition state analogue inhibitors of 5-methylthio adenosine/ S-adenosylhomocysteine nucleosidase from EscherichiacoliJ. J Biol Chem, 2005, 280（18）：18265-

34、18273. 31Kamath VP, Zhang J, Morris PE Jr, et al. Synthesis of a potent5-methylthioadenosine/S -adenosylhomocysteine（MTAN）inhibitorJ. Bioorg Med Chem Lett, 2006, 16（10）：2662-2665. 32Li X, Chu S, Feher VA, et al. Structure-based design, synthesis, and antimicrobial activity of indazole-derived SAH/MT

35、A nucleosidase inhibitorsJ. J Med Chem, 2003, 46（26）：5663-5673. 33Tedder ME, Nie Z, Margosiak S, et al. Structure-based design, synthesis, and antimicrobial activity of purine derived SAH/MTA nucleosidase inhibitorsJ. Bioorg Med Chem Lett, 2004, 14（12）：3165-3168. 34Alfaro JF, Zhang T, Wynn DP, et al

36、. Synthesis of LuxS inhibitors targeting bacterial cell-cell communicationJ. Org Lett, 2004, 6（18）：3043-3046. 35Shen G, Rajan R, Zhu J, et al. Design and synthesis of substrate and intermediate analogue inhibitors of S-ribosylhomocysteinaseJ. J Med Chem, 2006, 49（10）：3003-3011. 36 Defoirdt T, Crab R, Wood TK, et al. Quorum sensingdisrupting brominated furanones protect the gnotobiotic brine shrimp Artemia franciscana from pathogenic Vibrio harveyi, Vibrio campbellii, and Vibrio parahaemolyticus isolatesJ. Appl Environ Microbiol, 2006, 72（9）：6419-6423. 37Ren D, Sims JJ, Wo