吳玉如,梁天雨,梁 超,譚媛元,柳 源,潘星羽,黃小麗,陳德芳,耿 毅,歐陽萍,*
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) a.動(dòng)物醫(yī)學(xué)院;b.動(dòng)物科技學(xué)院,四川 成都 611130)
傳統(tǒng)中草藥具有天然的抗菌活性,并且具有殘留少、毒副作用小、安全性高、不易產(chǎn)生耐藥性等特點(diǎn),近年來逐漸成為替代抗生素的研究熱點(diǎn)。但中草藥的成分相對(duì)復(fù)雜,抑菌機(jī)制也具有多重性。因此,有必要深入研究不同中藥成分的抑菌作用及其作用機(jī)制。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,中草藥活性成分的抑菌機(jī)制主要表現(xiàn)為對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)、遺傳物質(zhì)和呼吸代謝的影響。研究人員可以借助電子顯微鏡觀察中藥及其有效成分對(duì)細(xì)菌超微結(jié)構(gòu)的影響;將堿性磷酸酶用作判定細(xì)菌細(xì)胞壁完整性的指標(biāo);通過細(xì)胞膜流動(dòng)性、通透性、結(jié)構(gòu)的變化和內(nèi)容物外流來檢測細(xì)胞膜的變化。
百里香酚(5-甲基-2-異丙基酚),又名麝香草酚,是芳香植物精油的主要成分,具有廣譜抑菌作用,對(duì)革蘭氏陰性菌(大腸埃希菌、沙門氏菌等)和革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌、肺炎鏈球菌等)都具有良好的抑制作用,可以替代抗生素或與其聯(lián)合使用。作者團(tuán)隊(duì)前期研究證實(shí),百里香酚對(duì)魚源耐藥性維氏氣單胞菌具有較好的抑菌作用,但是其抑菌機(jī)制尚不清楚。本研究擬探析百里香酚對(duì)維氏氣單胞菌的抑菌機(jī)制,以期為相關(guān)研究提供參考。
維氏氣單胞菌SC株分離自瀕死黃顙魚(),由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水生動(dòng)物疾病研究中心鑒定保存。
百里香酚(色譜純,純度>98%,CAS No.89-83-8),購于上海展云化工有限公司,溶于二甲基亞砜(DMSO,美國Sigma-Aldrich),制成質(zhì)量濃度為40.96 mg·mL的原液備用。LB肉湯和LB營養(yǎng)瓊脂購于青島海博生物技術(shù)有限公司;藥敏紙片購于杭州微生物試劑有限公司;乳酸脫氫酶測定試劑盒購于南京建成生物工程研究所有限公司。
采用紙片擴(kuò)散法(K-B法),參照抗微生物藥物敏感性試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)[美國臨床和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(CLSI)制定,2017年版]進(jìn)行試驗(yàn)。用無菌棉簽蘸取對(duì)數(shù)期的維氏氣單胞菌菌液(1×10CFU·mL)均勻涂布于LB營養(yǎng)瓊脂平板,待培養(yǎng)基表面干燥后,在超凈工作臺(tái)用無菌鑷子分別放置直徑6 mm的慶大霉素(gentamicin,GN)、阿奇霉素(azithromycin,AZM)、頭孢克洛(cefaclor,CEC)、頭孢噻肟(cefotaxime,CTX)、恩諾沙星(enrofloxacin,ENR)、環(huán)丙沙星(ciprofloxacin,CIP)、多黏菌素B(polymyxinB,PB)、復(fù)方新諾明(compound sulfamethoxazole,CO SMZ)、磺胺異惡唑(sulfisoxazole,SIZ)、氟苯尼考(florfenicol,F(xiàn)FC)、美羅培南(meropenem,MEM)、四環(huán)素(tetracycline,TE)藥敏紙片,保持紙片間距離相等并做好標(biāo)記。將平板放置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,測定并記錄抑菌圈大小,根據(jù)CLSI 2017的標(biāo)準(zhǔn)判斷維氏氣單胞菌的藥物敏感性。
采用微量倍比稀釋法測定百里香酚對(duì)維氏氣單胞菌的最低抑菌濃度(MIC)。在96孔板中,對(duì)百里香酚進(jìn)行連續(xù)2倍稀釋,使其終濃度分別為1 024、512、256、128、64、32、16 μg·mL,另向每個(gè)孔加入1×10CFU·mL的菌液5 μL,以只加入菌液的孔作為陽性對(duì)照組,以加入DMSO的為陰性對(duì)照組,以加入LB液體培養(yǎng)基的為空白對(duì)照組。在28 ℃、150 r·min條件下于氣浴恒溫振蕩器中培養(yǎng)24 h,觀察每個(gè)孔的澄清度,以肉眼觀察的無菌生長孔的百里香酚最低濃度為MIC值。
采用平板計(jì)數(shù)法測定百里香酚對(duì)維氏氣單胞菌的最低殺菌濃度(MBC)。取肉眼觀察的各澄清孔中溶液各30 μL,分別加入LB平板,均勻涂布,在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,觀察菌落數(shù),以生長菌落數(shù)不大于5的對(duì)應(yīng)孔中的百里香酚濃度為MBC。
將維氏氣單胞菌接種于LB液體培養(yǎng)基中,在28 ℃、150 r·min條件下于氣浴恒溫振蕩器中培養(yǎng)24 h。用新鮮LB培養(yǎng)液稀釋菌液至=0.3,分裝于200 mL錐形瓶中,加入百里香酚,使培養(yǎng)基中百里香酚的質(zhì)量濃度分別為0、32、64、128、256、512 μg·mL。將其置于氣浴恒溫振蕩器中,在28 ℃、150 r·min條件下培養(yǎng),分別于培養(yǎng)0、1、2、4、6、8、12、20、24 h時(shí),取100 μL菌液加入96孔板,在Varioskan Flash全波長多功能酶標(biāo)儀(美國Thermo Scientific)下測定其值,繪制維氏氣單胞菌的生長曲線。
取培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期(=1.0)的維氏氣單胞菌懸液,加入質(zhì)量濃度為512 μg·mL的百里香酚,置于氣浴恒溫振蕩器中,在28 ℃、150 r·min條件下培養(yǎng),分別于0、1、2、4、6、8 h取菌液1 mL,4 500 r·min離心10 min后,用無菌磷酸緩沖鹽溶液(PBS,pH=7.4)重復(fù)洗滌3次,收集下層沉淀,重懸于1 mL的無菌PBS中,再加入40 mL 5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))無菌葡萄糖溶液,測定其電導(dǎo)率。對(duì)照組加入等體積的DMSO。
取培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期(=1.0)的維氏氣單胞菌懸液,加入質(zhì)量濃度為512 μg·mL的百里香酚,置于氣浴恒溫振蕩器中,在28 ℃、150 r·min條件下培養(yǎng),分別于4、8、16、24 h取菌液1 mL,于4 500 r·min離心10 min,用無菌PBS洗滌3次并重懸,用超聲破碎儀裂解菌體,4 500 r·min離心10 min后,收集上清液。取40 μL上清液與10 μL的5×蛋白上樣緩沖液混勻,煮沸10 min。取混合上清液進(jìn)行聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE),電泳完畢后,使用考馬斯亮藍(lán)R250對(duì)膠染色過夜,煮沸洗脫染色劑,在Universal Hood Ⅱ全功能凝膠成像系統(tǒng)(美國BIO-RAD)中成像。對(duì)照組加入等體積的DMSO。
向培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期(=1.0)的菌液中加入質(zhì)量濃度為512 μg·mL的百里香酚,分別于0、2、4、6、8 h取菌液1 mL,4 500 r·min離心10 min后倒去上清液,收集下層沉淀,用無菌PBS洗滌3次,重懸后用超聲破碎儀對(duì)菌體進(jìn)行破碎,按照乳酸脫氫酶(LDH)試劑盒(南京建成生物工程研究所)的要求操作。對(duì)照組加入等體積的DMSO。
向培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期(=1.0)的維氏氣單胞菌懸液中加入質(zhì)量濃度為512 μg·mL的百里香酚,置于氣浴恒溫振蕩器中,在28 ℃、150 r·min條件下培養(yǎng),分別于0、1、2、4、6、8 h取菌液1 mL,于4 500 r·min離心10 min收集沉淀,用無菌PBS洗滌3次并重懸,取2 μL菌液用NanoDrop OneC超微量紫外分光光度計(jì)(美國Thermo Scientific)測定菌液中的DNA含量。對(duì)照組加入等體積的DMSO。
向培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期(=1.0)的維氏氣單胞菌懸液加入512 μg·mL的百里香酚,置于氣浴恒溫振蕩器中,在28 ℃、150 r·min條件下培養(yǎng),分別于0、2、4、8 h取菌液1 mL,用無菌PBS洗滌3次,于4 500 r·min離心10 min收集沉淀,加入2.5%(體積分?jǐn)?shù))的戊二醛1 mL重懸,靜置10 min后于4 500 r·min離心10 min,收集菌體,再用1 mL無菌PBS重懸。取100 μL菌液加入等量的4′,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI,10 μg·mL)染料,避光靜置反應(yīng)10 min,4 500 r·min離心10 min,收集下層沉淀,并用200 μL無菌PBS洗滌3次,去除殘余的DAPI染料,取5 μL重懸后的菌液加在無菌載玻片上,在BX53熒光顯微鏡(日本Olympus)下觀察菌體。
將維氏氣單胞菌在LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期(=1.0),加入512 μg·mL的百里香酚,培養(yǎng)4 h后,取菌液1 mL,于4 500 r·min離心10 min,收集下層沉淀,用PBS洗滌菌體3次,然后在4 ℃條件下重懸于2.5%(體積分?jǐn)?shù))的戊二醛,在Inspect掃描電子顯微鏡(SEM)(美國Thermo Scientific)下進(jìn)行觀察分析。將維氏氣單胞菌與百里香酚共培養(yǎng)8、16 h后在透射電子顯微鏡(TEM)下進(jìn)行觀察分析,樣品制備參照文獻(xiàn)[20]的方法進(jìn)行。對(duì)照組加入等體積的DMSO。
各指標(biāo)在測定時(shí),均設(shè)置3個(gè)重復(fù),取平均值。使用Prism 8.0軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和檢驗(yàn),以<0.05表示差異顯著,<0.01表示差異極顯著。
根據(jù)CLSI 2017的藥敏試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn),維氏氣單胞菌SC株對(duì)氯霉素類的氟苯尼考和喹諾酮類的環(huán)丙沙星和恩諾沙星耐藥,對(duì)-內(nèi)酰胺類的頭孢克洛、頭孢噻肟和多黏菌素類的多黏菌素B敏感,對(duì)慶大霉素、美羅培南、四環(huán)素、阿奇霉素和復(fù)方新諾明中介(表1)。
表1 維氏氣單胞菌SC株的耐藥性
經(jīng)測定,百里香酚對(duì)維氏氣單胞菌SC株的MIC為256 μg·mL,MBC為512 μg·mL(圖1)。當(dāng)百里香酚的質(zhì)量濃度達(dá)到或超過256 μg·mL時(shí),菌液的值在24 h內(nèi)趨近于0,表明此時(shí)百里香酚完全抑制維氏氣單胞菌SC株的生長;當(dāng)百里香酚的質(zhì)量濃度低于MIC時(shí),雖然對(duì)細(xì)菌的生長有一定的影響,但菌液的值與對(duì)照組相差不大。
圖1 不同質(zhì)量濃度的百里香酚對(duì)維氏氣單胞菌SC株生長的影響
將維氏氣單胞菌SC株與百里香酚共培養(yǎng),通過測量菌懸液電導(dǎo)率的變化推斷膜通透性的改變。添加512 μg·mL的百里香酚后,菌液電導(dǎo)率迅速增加,在6 h時(shí)達(dá)到最大值,并在8 h內(nèi)一直保持較高的電導(dǎo)率,且始終與對(duì)照組差異極顯著(<0.01)(圖2)。上述結(jié)果表明,百里香酚能增大維氏氣單胞菌SC株細(xì)胞膜的通透性。
“**”表示差異極顯著(P<0.01)。下同。
用SDS-PAGE測定百里香酚對(duì)維氏氣單胞菌可溶性蛋白的影響(圖3):對(duì)照組中,菌體蛋白泳道(泳道1、3、5、7)隨著時(shí)間延長,條帶逐漸增多并變深;試驗(yàn)組(添加512 μg·mL的百里香酚)菌體蛋白泳道(泳道2、4、6、8)隨著時(shí)間延長,蛋白條帶數(shù)量減少,顏色變淺,與對(duì)照組相比,某些蛋白條帶(15~20 ku)甚至消失。
M代表Marker(蛋白質(zhì)量標(biāo)記),泳道1、3、5、7分別對(duì)應(yīng)于對(duì)照組4、8、16、24 h的菌體蛋白,泳道2、4、6、8分別對(duì)應(yīng)于添加百里香酚(512 μg·mL-1)處理組4、8、16、24 h的菌體蛋白。
添加512 μg·mL的百里香酚后,菌液的乳酸脫氫酶活性與對(duì)照組相比極顯著(<0.01)降低(圖4),并表現(xiàn)出時(shí)間依賴性,在2、4、6、8 h分別降低了(32.8±0.7)%、(46.2%±0.3)%、(46.1±1.6)%、(60.0±1.0)%,而對(duì)照組的乳酸脫氫酶活性始終維持在較高水平。
圖4 百里香酚(512 μg·mL-1)對(duì)維氏氣單胞菌SC株乳酸脫氫酶(LDH)活性的影響
DNA本身為大分子物質(zhì),正常情況下不會(huì)穿透完整的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁。對(duì)照組菌液的DNA含量在0~8 h維持不變(圖5)。加入512 μg·mL的百里香酚1 h后,菌液DNA含量迅速上升到(115.6±0.5)mg·L,并在8 h內(nèi)穩(wěn)定在110~120 mg·L,且始終與對(duì)照組差異極顯著(<0.01)。這說明,百里香酚可以破壞維氏氣單胞菌SC株細(xì)胞膜的完整性,導(dǎo)致DNA等大分子外滲。
圖5 百里香酚(512 μg·mL-1)對(duì)維氏氣單胞菌SC株DNA外滲量的影響
DAPI可以透過完整的細(xì)菌細(xì)胞膜與DNA結(jié)合,并在特定的熒光條件下顯現(xiàn)出熒光,且熒光強(qiáng)度與DNA含量成正比。對(duì)試驗(yàn)組(添加512 μg·mL的百里香酚)和對(duì)照組2、4、8 h的菌液進(jìn)行DAPI染色觀察,結(jié)果顯示,試驗(yàn)組的熒光強(qiáng)度和密度明顯低于對(duì)照組,且熒光強(qiáng)度隨著處理時(shí)間的延長而降低(圖6)。
A,對(duì)照組(0 h);B~D,分別對(duì)應(yīng)于百里香酚(512 μg·mL-1)處理2、4、8 h。
用SEM觀察維氏氣單胞菌SC株的超微結(jié)構(gòu):對(duì)照組的細(xì)胞完整清晰(圖7);百里香酚(512 μg·mL)處理4 h后,菌體表面明顯出現(xiàn)塌陷、溶解和壞死。
A~B,掃描電鏡(SEM)觀察結(jié)果;C~F,透射電鏡(TEM)觀察結(jié)果。A,對(duì)照組,4 h;B,百里香酚(512 μg·mL-1)處理4 h,箭頭指示菌體表面溶解塌陷;C,對(duì)照組,8 h;D,百里香酚(512 μg·mL-1)處理8 h,箭頭指示細(xì)胞染色不均,并開始出現(xiàn)空泡化;E,對(duì)照組,16 h;F,百里香酚(512 μg·mL-1)處理16 h,箭頭指示細(xì)胞膜與細(xì)胞壁分離,細(xì)胞皺縮壞死。
TEM觀察可見:對(duì)照組細(xì)菌結(jié)構(gòu)完整,生長、分裂正常;經(jīng)百里香酚(512 μg·mL)處理后,細(xì)菌皺縮變形,細(xì)胞膜和細(xì)胞壁分離,由于細(xì)胞膜破損引起內(nèi)容物流出,菌體內(nèi)染色不均,甚至出現(xiàn)空泡化,且隨著藥物作用時(shí)間延長,呈現(xiàn)空泡化的細(xì)胞數(shù)量增多。
本研究對(duì)臨床分離到的魚源維氏氣單胞菌進(jìn)行藥敏試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖常用抗生素中的氟苯尼考和恩諾沙星耐藥,對(duì)慶大霉素中介。呂觀等的研究結(jié)果顯示,32株維氏氣單胞菌對(duì)恩諾沙星的耐藥率達(dá)到100%;林煜等發(fā)現(xiàn),大刺鰍源維氏氣單胞菌對(duì)氟苯尼考和恩諾沙星等12種抗生素表現(xiàn)出耐藥性。雖然來源于不同地區(qū)和宿主的維氏氣單胞菌的耐藥性存在一定差異,但對(duì)氟苯尼考和恩諾沙星都表現(xiàn)出較高的耐受性。本試驗(yàn)證實(shí)了百里香酚對(duì)耐藥性維氏氣單胞菌的體外抑菌活性,初步明確了其作用機(jī)制,可以為基于百里香酚的新型抗菌藥物的研發(fā)提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。
百里香酚能抑制耐藥性維氏氣單胞菌SC株的生長,其MIC和MBC分別為256 μg·mL和512 μg·mL。生長曲線測定結(jié)果表明:當(dāng)藥物濃度達(dá)到MIC時(shí),就可以完全抑制維氏氣單胞菌的生長;但在亞抑菌濃度下百里香酚對(duì)維氏氣單胞菌的生長無明顯抑制作用。因此,在生產(chǎn)中可以考慮采用與抗生素聯(lián)合使用的方法提高百里香酚的抑菌效果,并降低其使用量。此外,據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,百里香酚作為飼料添加劑喂養(yǎng)動(dòng)物和魚,還可以提高宿主的免疫力,增強(qiáng)其對(duì)病原菌的抵抗能力。
細(xì)菌菌體細(xì)胞膜具有選擇通過性,可以穩(wěn)定細(xì)菌的內(nèi)部環(huán)境,屏蔽外界環(huán)境對(duì)細(xì)菌的影響。當(dāng)細(xì)胞的細(xì)胞膜通透性受到破壞時(shí),細(xì)胞膜的選擇性下降,細(xì)胞內(nèi)容物流出,導(dǎo)致菌液的電導(dǎo)率增加。經(jīng)百里香酚處理后,維氏氣單胞菌菌液的電導(dǎo)率明顯升高,表明百里香酚可以增加細(xì)菌細(xì)胞膜通透性,導(dǎo)致細(xì)菌內(nèi)電解質(zhì)的外流。孫茂關(guān)于百里香酚抗小鼠金黃色葡萄球菌肺炎的藥效學(xué)評(píng)價(jià)也表明,百里香酚可以改變細(xì)菌細(xì)胞膜通透性,導(dǎo)致內(nèi)容物流出,從而抑制細(xì)菌生長。
蛋白質(zhì)是機(jī)體生命活動(dòng)的基礎(chǔ)物質(zhì),機(jī)體內(nèi)參與各種生命活動(dòng)調(diào)節(jié)的酶大多數(shù)都是蛋白質(zhì)。SDS-PAGE結(jié)果顯示,百里香酚對(duì)維氏氣單胞菌菌體的可溶性蛋白有抑制作用,并且這種抑制作用具有時(shí)間依賴性。維氏氣單胞菌可溶性蛋白含量的降低可能與其細(xì)胞膜通透性的改變相關(guān),也可能是因?yàn)榘倮锵惴右种屏讼嚓P(guān)蛋白的生物合成,干擾了細(xì)菌的正常代謝,這與李振翼等和張猛等的研究結(jié)果相似。
乳酸脫氫酶可催化丙酮酸和乳酸的相互轉(zhuǎn)化,是細(xì)菌代謝過程中具有重要作用的蛋白酶。百里香酚明顯降低了維氏氣單胞菌的乳酸脫氫酶活性,指示細(xì)胞膜和細(xì)胞壁受到損傷。該結(jié)果與SDS-PAGE結(jié)果一致,表明百里香酚可通過抑制菌體可溶性蛋白的合成,從而影響細(xì)菌代謝和生長。
DNA是攜帶生物體遺傳信息的大分子,在存在完整細(xì)胞膜的情況下,不會(huì)通過生物膜;因此,菌液中的DNA含量亦可以反映細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性。DNA外滲量增加表明百里香酚破壞了維氏氣單胞菌細(xì)胞膜的完整性。有研究發(fā)現(xiàn),百里香酚可以與金黃色葡萄球菌的DNA結(jié)合,改變其結(jié)構(gòu),從而發(fā)揮抗菌作用。
DAPI是一種能與DNA強(qiáng)力結(jié)合的熒光染料,能在不破壞細(xì)胞膜完整性的情況下進(jìn)入細(xì)胞,并與DNA特異性結(jié)合,在熒光顯微鏡下顯現(xiàn)熒光,且熒光強(qiáng)度與DNA含量呈正比。百里香酚處理的熒光強(qiáng)度低于對(duì)照組,推測百里香酚破壞了細(xì)胞膜的完整性,造成DNA外流,導(dǎo)致熒光強(qiáng)度大大降低,這與DNA外滲量的測定結(jié)果一致。蔣加鵬等推測,百里香酚可能通過影響相關(guān)基因的表達(dá)來抑制細(xì)菌的正常生長,但是百里香酚干擾核酸合成的具體機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。
電鏡結(jié)果顯示,經(jīng)百里香酚處理后,維氏氣單胞菌菌體出現(xiàn)表面溶解塌陷、皺縮變形,細(xì)胞壁和細(xì)胞膜分離,細(xì)胞質(zhì)丟失,內(nèi)部空化等現(xiàn)象,表明百里香酚會(huì)改變維氏氣單胞菌的結(jié)構(gòu)形態(tài),破壞其細(xì)胞膜的完整性,與前述研究結(jié)論一致。
綜上,百里香酚通過破壞耐藥性維氏氣單胞菌菌體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致細(xì)胞壁和細(xì)胞膜分離,增加細(xì)胞膜通透性,從而抑制細(xì)菌生長繁殖。由此判斷,百里香酚可以作為抑制耐藥性維氏氣單胞菌的潛在藥物進(jìn)行研發(fā),但今后還需要進(jìn)一步開展動(dòng)物試驗(yàn),對(duì)其安全性和有效性進(jìn)行深入研究。
浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2022年7期