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香青蘭提取物對臨床來源病原菌的抑制活性及生物信息學(xué)研究

2020-04-08 01:21劉云劉敏于慧王占黎
中國藥房 2020年6期
關(guān)鍵詞:生物信息學(xué)分析

劉云 劉敏 于慧 王占黎

摘 要 目的:研究香青蘭不同萃取部位對臨床來源病原菌的體外抑制活性,并挖掘其可能抗菌機(jī)制。方法:香青蘭藥材經(jīng)65%乙醇提取后,依次以石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇萃取,得不同極性萃取部位。以肺炎克雷伯菌、金黃色葡萄球菌等臨床常見多重耐藥病原菌為對象,采用紙片擴(kuò)散法測定不同萃取部位的抑菌圈直徑,篩選抑菌活性部位;采用瓊脂倍比稀釋法檢測抑菌活性部位對上述病原菌的最小抑菌濃度(MIC),并采用比濁法繪制該部位作用下多重耐藥金黃色葡萄球菌的生長曲線;利用PEAKS? Q 8.5軟件篩選抑菌活性部位組與對照組的差異表達(dá)蛋白,借助Blast 2 GO、KOBAS 3.0在線軟件對其進(jìn)行基因本體(GO)分析和KEGG信號通路富集分析。結(jié)果:香青蘭石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇部位對革蘭氏陰性桿菌均無明顯的抑制作用,乙酸乙酯部位對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌等多種革蘭氏陽性球菌均具有不同程度的抑制活性(抑菌圈直徑為10~16 mm),為抑菌活性部位。該部位對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、人葡萄球菌的MIC均為0.781 3 mg/mL,對腐生葡萄球菌的MIC為0.390 7 mg/mL,對溶血葡萄球菌和金黃色葡萄球菌標(biāo)準(zhǔn)菌株的MIC均為1.562 5 mg/mL。1、2倍MIC的乙酸乙酯部位可抑制多重耐藥金黃色葡萄球菌的生長,且抑制活性有隨劑量增加而增強(qiáng)的趨勢。共篩選出差異表達(dá)蛋白300個(P<0.01),其中表達(dá)上調(diào)239個、表達(dá)下調(diào)61個。差異表達(dá)蛋白主要集中于細(xì)胞、細(xì)胞部位等細(xì)胞組成以及代謝過程、細(xì)胞過程和催化活性、蛋白結(jié)合等生物過程和分子功能,且主要富集于不同環(huán)境中的微生物代謝和果糖與甘露糖代謝等兩條信號通路上(P<0.05)。結(jié)論:香青蘭乙酸乙酯部位為抑菌活性部位,其抑菌活性可能與影響微生物代謝和細(xì)菌糖代謝有關(guān)。

關(guān)鍵詞 香青蘭;乙酸乙酯部位;抑菌圈;最小抑菌濃度;差異表達(dá)蛋白;生物信息學(xué)分析

香青蘭(Dracocephalum Moldavica Linn.)為唇形科青蘭屬1年生植物,分布于我國華北、西北和東北等地。作為民族藥,民間常以其干燥地上部位入藥。研究發(fā)現(xiàn),香青蘭富含黃酮類、揮發(fā)油類、糖類、氨基酸類、萜類和微量元素等多種成分,具有改善心肌缺血、降低血液黏度和血小板聚集率、抗脂質(zhì)過氧化損傷等作用,可用于心腦血管疾病等的臨床治療[1-2]。

天然產(chǎn)物由于其來源廣泛、不易耐藥等優(yōu)點成為近年來抗菌藥物研究的熱點之一。既往研究顯示,香青蘭揮發(fā)油具有抗菌、抗流感病毒的作用[3];同時有研究表明,植物中大多數(shù)抑菌活性物質(zhì)均為次生代謝產(chǎn)物,其中黃酮類化合物受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[4-6]。本課題組在前期研究的基礎(chǔ)上,以臨床來源的多重耐藥病原菌為對象,對其乙醇提取物各萃取部位的抗菌活性進(jìn)行篩選,并對差異表達(dá)蛋白進(jìn)行基因本體(GO)功能富集和KEGG信號通路分析,以初步挖掘其潛在抗菌機(jī)制,為香青蘭抑菌活性的研究提供物質(zhì)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料

1.1 儀器

MCO-18AC型CO2培養(yǎng)箱(日本Panasonic公司);PhoenixTM 100型全自動微生物鑒定及藥敏系統(tǒng)(美國BD公司);iMarK型酶標(biāo)儀(美國Bio-Rad公司);Easy-nLC 1000型納升級高效液相色譜(HPLC)系統(tǒng)、Q-Exactive型質(zhì)譜儀(美國Thermo Fisher Scientific公司);750型超聲儀(美國Sonics公司);RE-2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠);SHZ-Ⅲ型循環(huán)式真空水泵(上海知信實驗儀器技術(shù)有限公司);DZKW-S-8型電熱恒溫水浴鍋(上??坪銓崢I(yè)發(fā)展有限公司);BSC-1500ⅡB2-X型生物安全柜(濟(jì)南鑫貝西生物技術(shù)有限公司);TG16-WS型臺式高速離心機(jī)(湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司);HZ系列恒溫振蕩器(江蘇省太倉市實驗設(shè)備廠);MLS-3780型高壓滅菌鍋(日本Sanyo公司)。

1.2 藥材與試劑

供試藥材由內(nèi)蒙古通遼市扎魯特旗產(chǎn)野生香青蘭種子經(jīng)人工培育所得,并經(jīng)包頭醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院靳敏副教授鑒定為唇形科植物香青蘭(D. Moldavica Linn.)的地上部位。藥材經(jīng)粉碎后,取適量樣品粉末保存于包頭醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院。

哥倫比亞血瓊脂培養(yǎng)基(濟(jì)南百博生物技術(shù)股份有限公司);MH瓊脂培養(yǎng)基(溫州市康泰生物科技有限公司);LB培養(yǎng)基(本實驗室自制);藥敏紙片(英國Oxoid公司);Protease inhibitor cocktail蛋白酶抑制劑(美國APExBIO Technology公司);pH 7.4的磷酸鹽緩沖液(PBS,北京博邁德基因技術(shù)有限公司);0.9%氯化鈉注射液(貴州科倫藥業(yè)有限公司,作生理鹽水用);十二烷基磺酸鈉(SDS)、尿素、二甲基亞砜(DMSO)、無水乙醇、石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇等試劑均為分析純,水為蒸餾水。

1.3 菌株

供試病原菌肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumonia)、大腸埃希菌(Escherichia coli)、鮑曼不動桿菌(Acinetobacter baumannii)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、表皮葡萄球菌(S. epidermidis)、腐生葡萄球菌(S. saparophytics)、人葡萄球菌(S. hominis)、溶血葡萄球菌(S. haemolyticus)均為臨床檢出多重耐藥菌,由包頭醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院檢驗科提供;金黃色葡萄球菌標(biāo)準(zhǔn)菌株(ATCC 25923)由國家衛(wèi)生健康委員會臨床檢驗中心提供。

2 方法

2.1 不同溶劑萃取物供試溶液的制備

取香青蘭藥材,粉碎,稱取粉末100 g,加入65%乙醇1 000 mL,于60 ℃水浴中加熱提取2 h,濾過,殘渣按上述方法再提取1次;合并濾液,減壓濃縮至無醇味,得乙醇提取物。取上述提取物依次使用同體積石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇萃取2次,合并相同萃取部位,減壓濃縮干燥,得石油醚部位0.766 1 g、二氯甲烷部位1.402 8 g、乙酸乙酯部位0.916 g、正丁醇部位0.913 5 g。取各部位樣品適量,用DMSO稀釋,制成質(zhì)量濃度均為250 mg/mL(以提取部位質(zhì)量計,下同)的溶液,即得不同溶劑萃取物供試溶液。

2.2 藥敏試驗

供試菌株經(jīng)革蘭氏染色初步分類后,采用全自動微生物鑒定及藥敏系統(tǒng)鑒定菌種,以紙片擴(kuò)散法、瓊脂倍比稀釋法等進(jìn)行藥敏試驗,嚴(yán)格按照美國臨床和實驗室標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CLSI)2017年標(biāo)準(zhǔn)[7]操作并判定結(jié)果。

2.2.1 抑菌圈測定 采用紙片擴(kuò)散法[7]。將含有不同溶劑萃取物供試溶液(250 mg/mL,劑量參考本課題組前期預(yù)試驗結(jié)果設(shè)定)20 μL的無菌藥敏紙片置于含標(biāo)準(zhǔn)量病原菌接種物(1.5×108 CFU/mL)的MH瓊脂培養(yǎng)基中,并以DMSO為陰性對照,于37 ℃、5%CO2條件下培養(yǎng)18 h,使用游標(biāo)卡尺測量藥敏紙片周圍的抑菌圈直徑,以篩選具有抗菌活性的萃取部位。判定標(biāo)準(zhǔn)——抑菌圈直徑<10 mm,無抑菌作用;10 mm,輕度敏感;11~15 mm,中度敏感;≥16 mm,高度敏感[7]。

2.2.2 最小抑菌濃度(MIC)測定 采用瓊脂倍比稀釋法[7]。精密稱取“2.2.1”項下具有抗菌活性的萃取部位適量,用MH瓊脂培養(yǎng)基稀釋,制成質(zhì)量濃度分別為12.5、6.25、3.125、1.562 5、0.781 3、0.39、0.195、0.097 6 mg/mL的含藥平皿。同時,以無菌生理鹽水配制0.5麥?zhǔn)蠞岫葐挝坏牟≡鷳乙?,再用無菌生理鹽水稀釋至含菌量1×106 CFU/mL,取上述菌懸液5 μL,于10 min內(nèi)接種于MH瓊脂培養(yǎng)基中,于37 ℃、5%CO2條件下培養(yǎng)18 h后觀察結(jié)果,以平皿表面光滑且未見菌落生長時對應(yīng)的質(zhì)量濃度作為該萃取部位的MIC。

2.2.3 細(xì)菌生長曲線繪制 采用比濁法[8]。取對數(shù)生長期多重耐藥金黃色葡萄球菌適量,用LB培養(yǎng)基稀釋至1×106 CFU/mL,加入“2.2.1”項下具有抗菌活性的萃取部位適量,使其最終質(zhì)量濃度分別為MIC的0.5、1、2倍,并設(shè)置未經(jīng)萃取部位處理的菌懸液作為空白對照,于37 ℃恒溫振蕩器上以180 r/min培養(yǎng),每2 h取樣200 μL,用酶標(biāo)儀于630 nm波長處檢測光密度(OD)值,以培養(yǎng)時間為橫坐標(biāo)、OD630 nm值為縱坐標(biāo),采用Excel 2016繪制多重耐藥金黃色葡萄球菌的生長曲線。

2.3 生物信息學(xué)分析

2.3.1 蛋白提取 以LB培養(yǎng)基配制0.6麥?zhǔn)蠞岫葐挝坏亩嘀啬退幗瘘S色葡萄球菌菌懸液,再用LB培養(yǎng)基稀釋10倍,將菌懸液隨機(jī)分為藥物組和對照組。其中,藥物組加入“2.2.1”項下具有抗菌活性的萃取部位供試溶液(250 mg/mL)適量,使其最終質(zhì)量濃度為MIC的2倍;對照組加入等體積DMSO,充分混勻,于37 ℃恒溫振蕩器上以151 r/min培養(yǎng)24 h后,以3 000 r/min離心10 min,棄去上清液,沉淀用PBS清洗2 mL×2次后,于? -80 ℃保存并送至上海易算生物科技有限公司檢測。

2.3.2 蛋白酶解 取各組蛋白樣品,加入裂解液(含2%SDS、7 mmol/L尿素、1× Protease inhibitor cocktail,以水為溶劑)適量,超聲(功率:200 W,頻率:53 kHz)處理5 min,冰上裂解30 min,于4 ℃下以15 000 r/min離心15 min,收集上清液。

2.3.3 蛋白分析 取“2.3.2”項下上清液適量,采用納升級HPLC系統(tǒng)進(jìn)行分離,并采用質(zhì)譜儀進(jìn)行質(zhì)譜分析。色譜條件:色譜柱為Acclaim PepMap C18(150 mm×7.5 mm,3 μm);流動相為水(A)-乙腈(含0.1%甲酸,B),梯度洗脫(0~120 min,3%B→32%B);初始平衡時間為10 min;流速為300 nL/min;柱溫為60 ℃;進(jìn)樣量為10 μL。質(zhì)譜條件:離子源為電噴霧離子源;離子源電壓為2 kV;毛細(xì)管溫度為320 ℃;掃描模式為數(shù)據(jù)依賴模式(DDA);掃描范圍為m/z 350~1 550。

2.3.4 生物學(xué)功能分析 使用PEAKS? Q 8.5軟件(加拿大BSI公司)對蛋白及肽段進(jìn)行定量并對定量值作歸一化處理,取中位數(shù)作為平均數(shù)。篩選藥物組和對照組蛋白表達(dá)量(即對應(yīng)肽段的信號強(qiáng)度)差異倍數(shù)>2.0且P<0.01的蛋白作為差異表達(dá)蛋白。采用Blast 2 GO在線軟件(https://www.blast2go.com/)對差異表達(dá)蛋白進(jìn)行GO蛋白質(zhì)功能注釋,并選取蛋白表達(dá)量高且P<0.05的前10位生物信息繪制Bar圖;使用KOBAS 3.0在線工具(http://kobas.cbi.pku.edu.cn/)對差異表達(dá)蛋白進(jìn)行KEGG信號通路富集分析,以P<0.05為顯著富集,并對富集通路進(jìn)行注釋和分析。

3 結(jié)果

3.1 香青蘭提取物抑菌活性部位篩選結(jié)果

抑菌圈檢測結(jié)果顯示,香青蘭石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇等4個提取部位對肺炎克雷伯菌、大腸埃希菌、鮑曼不動桿菌、銅綠假單胞菌等4種革蘭氏陰性桿菌均無明顯的抑制作用;二氯甲烷部位對金黃色葡萄球菌輕度敏感,乙酸乙酯部位對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、腐生葡萄球菌等革蘭氏陽性球菌均具有不同程度的抑制作用(抑菌圈直徑為10~16 mm),為抑菌活性部位,故以乙酸乙酯部位作為后續(xù)試驗的干預(yù)物。香青蘭提取物各萃取部位的抑菌圈直徑見表1。

3.2 香青蘭提取物乙酸乙酯部位的MIC

乙酸乙酯部位對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、人葡萄球菌的MIC均為0.781 3 mg/mL,對腐生葡萄球菌的MIC為0.390 7 mg/mL,對溶血葡萄球菌和金黃色葡萄球菌標(biāo)準(zhǔn)菌株的MIC均為1.562 5 mg/mL。

3.3 細(xì)菌生長曲線

多重耐藥金黃色葡萄球菌的生長曲線見圖1。在0~4 h內(nèi),該菌生長處于遲緩期;培養(yǎng)4 h后,空白對照組和0.5倍MIC組菌株進(jìn)入對數(shù)生長期,并于10 h后進(jìn)入穩(wěn)定期;而1倍MIC組和2倍MIC組菌株增長緩慢,未見明顯的對數(shù)生長期。

3.4 差異表達(dá)蛋白分析

共篩選出300個差異表達(dá)蛋白(P<0.01),其中239個表達(dá)上調(diào)、61個表達(dá)下調(diào)。

3.5 差異表達(dá)蛋白GO分析

GO分析提供了生物過程、細(xì)胞組成和分子功能等3層結(jié)構(gòu)的生物學(xué)信息,分析結(jié)果見圖2。在生物過程中,共富集到309條結(jié)果(P<0.05),以代謝過程、細(xì)胞過程為主(見圖2A;圖中,“蛋白質(zhì)占比”指某生物功能富集的差異表達(dá)蛋白占差異表達(dá)蛋白總數(shù)的比例,下同);在細(xì)胞組成中,共富集到31條結(jié)果(P<0.05),以細(xì)胞、細(xì)胞部分為主(見圖2B);在分子功能中,共富集到116條結(jié)果(P<0.05),以催化活性、蛋白結(jié)合等為主(見圖2C)。

3.6 差異表達(dá)蛋白KEGG信號通路分析

差異表達(dá)蛋白共富集到39條信號通路上,其中顯著富集的有2條(P<0.05),分別為不同環(huán)境中的微生物代謝和果糖與甘露糖代謝等兩條信號通路,分別富集差異表達(dá)蛋白33、7個,詳見圖3(圖中,*表示P<0.05)。

4 討論

由于抗菌藥物應(yīng)用的不合理,使得病原菌耐藥已成為嚴(yán)重的全球衛(wèi)生問題之一,且多重耐藥菌檢出率的升高給醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)[9]。研究顯示,天然抗菌產(chǎn)物具有廣闊的發(fā)展前景[10-11]。為此,本研究以臨床來源的多重耐藥菌為對象,對內(nèi)蒙古地區(qū)藥用植物香青蘭的抑菌活性進(jìn)行了初步探討。

香青蘭經(jīng)乙醇提取、溶劑萃取后,共獲得石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇等4個萃取部位;以臨床常見革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌為對象,采用紙片擴(kuò)散法對上述萃取部位的抗菌活性進(jìn)行了比較和篩選。結(jié)果發(fā)現(xiàn),香青蘭乙酸乙酯部位對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、腐生葡萄球菌等多種革蘭氏陽性球菌均具有不同程度的抑制活性,抑菌圈直徑為10~16 mm;但該部位對肺炎克雷伯菌等4種革蘭氏陰性桿菌均未見明顯的抑制作用,可能與不同病原菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)差異有關(guān)[12-13]。此外,乙酸乙酯屬于中等極性萃取溶劑,其萃取物中可能含有萜類、有機(jī)酸類、黃酮類、游離生物堿類等成分,其中萜類、黃酮類成分具有一定的殺菌、消炎等生物活性[14],故筆者推測香青蘭乙酸乙酯部位的抑菌活性可能與其含有上述化合物有關(guān),但尚有待相關(guān)研究予以證實。本研究進(jìn)一步分析了香青蘭乙酸乙酯部位對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌等6種革蘭氏陽性球菌的抑制作用。結(jié)果顯示,該部位對上述6種病原菌的MIC為0.390 7~1.562 5 mg/mL,與諸多天然植物(如野菊花、蒼術(shù)、紫珠草等,MIC分別為12.5、3.12、0.78 mg/mL[10])相比,具有更強(qiáng)的抑菌活性(即MIC更低)。

為進(jìn)一步探討香青蘭乙酸乙酯部位對細(xì)菌生長規(guī)律的影響,本研究以臨床來源的多重耐藥病原菌金黃色葡萄球菌為對象,對其生長曲線進(jìn)行了分析。細(xì)菌生長曲線是基于菌懸液OD值來繪制的。有研究指出,菌懸液密度在一定范圍內(nèi)與其OD值存在線性關(guān)系[15]。本研究所繪生長曲線顯示,在0~4 h內(nèi),多重耐藥金黃色葡萄球菌的生長處于遲緩期;培養(yǎng)4 h后,空白對照組和0.5倍MIC組菌株均進(jìn)入對數(shù)生長期,10 h后進(jìn)入穩(wěn)定期;而1倍MIC組和2倍MIC組菌株則增長緩慢,且未見明顯的對數(shù)生長期。這提示香青蘭乙酸乙酯部位具有抑菌活性,且活性有隨劑量增加而增強(qiáng)的趨勢,這與部分天然植物(如薄荷、黃連[16]等)對細(xì)菌生長規(guī)律的影響基本一致。

本研究比較了藥物(乙酸乙酯部位)組與對照組的蛋白表達(dá)情況,并對差異表達(dá)蛋白進(jìn)行了相關(guān)生物信息學(xué)分析。結(jié)果,共發(fā)現(xiàn)300個差異表達(dá)蛋白(P<0.01)。GO分析結(jié)果顯示,差異表達(dá)蛋白主要集中于細(xì)胞、細(xì)胞部位等,主要通過代謝過程、細(xì)胞過程以及催化活性、蛋白結(jié)合等生物過程和分子功能來發(fā)揮抑菌作用。KEGG信號通路富集結(jié)果顯示,差異表達(dá)蛋白主要富集于不同環(huán)境中的微生物代謝和果糖與甘露糖代謝等兩條通路(P<0.05)。其中,不同環(huán)境中的微生物代謝共富集到33個差異表達(dá)蛋白,包括無氧代謝途徑的關(guān)鍵酶(如丙酮酸甲酸裂解酶激活酶、丙酮酸甲酸裂解酶)以及有氧代謝途徑的關(guān)鍵酶(如檸檬酸合成酶、琥珀酸脫氫酶);果糖與甘露糖代謝途徑共富集到7個差異表達(dá)蛋白,且均與糖代謝密切相關(guān)。菌株會通過改變糖代謝相關(guān)蛋白表達(dá)等途徑來調(diào)控自身代謝過程,從而抵御外界環(huán)境變化,一旦糖代謝受到抑制,就會阻礙微生物的生長繁殖,甚至導(dǎo)致其死亡[17]。由此可見,香青蘭乙酸乙酯部位的抑菌活性可能與其干擾細(xì)菌糖代謝有關(guān),但具體機(jī)制尚有待基礎(chǔ)研究予以證實。

綜上所述,香青蘭乙酸乙酯部位具有一定的抑菌活性,對多種葡萄球菌均具有一定的抑制作用。該部位對耐藥金黃色葡萄球菌的抑制作用可能與影響微生物代謝和細(xì)菌糖代謝有關(guān)。本課題組后續(xù)將對乙酸乙酯部分具體活性成分進(jìn)行分析,并深入探討其具體抗菌機(jī)制,為香青蘭的科學(xué)、合理使用提供依據(jù)。

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(收稿日期:2019-06-26 修回日期:2019-12-09)

(編輯:張元媛)

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