·综述·
壳聚糖临床抗菌作用的研究进展
朱旭明 郑铁生
【摘要】 壳聚糖对革兰阴性菌、革兰阳性菌和真菌具有广泛抗菌作用,拥有良好的临床应用前景。本文综述了壳聚糖对常见细菌和真菌的抗菌活性、壳聚糖抗菌活性的影响因素、抗菌机理和临床应用前景。
【关键词】 壳聚糖;抗菌作用;抗菌机理;临床应用 壳聚糖(c h i t o s a n )是甲壳素(c h i t i n )的脱乙酰产物,广泛存在于自然界,是自然界存在的唯一的碱性氨基多糖,多糖之间靠1,4-糖苷键连接,p K a 为6.3。壳聚糖无毒无害[1],具有抗菌[2]、抑制肿瘤[3]、免疫调节[4]等作用,已引起了国内外相关学者的广泛重视。其中,壳聚糖的抗菌作用已成为当前研究的热点,本文就壳聚糖的抗菌活性、影响因素、抗菌机制及其在临床中的应用前景作一综述。1 壳聚糖的抗菌活性
1.1 壳聚糖对细菌的抗菌作用 自从A l l a n (1979年)首次发现壳聚糖具有广谱抗菌性以来,学术界对壳聚糖的抗菌作用进行了广泛的研究。Z h e n g L Y 等[2]发现在p H 5.5条件下,脱乙酰度为88.7%、浓度为1.0%的壳聚糖,对金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌的抑制率几乎都为100%。邓婧等[5]发现用黏度比为5的不同浓度(2%、1.5%、1.0%、0.5%)壳聚糖对幽门螺杆菌、牙龈卟啉单胞菌、变形链球菌等菌做抗菌试验时,
2.0%浓度壳聚糖抗菌环直径最大,且该浓度壳聚糖对变形链球菌的效果较优。宋献周等[6]发现在p H 6.0条件下,枯草杆菌、产气夹膜杆菌等菌在不同分子量的α-壳聚糖(脱乙酰度80.7%)样品组中最快要48～72h 间才能到达生长顶点(枯草杆菌在96h 后到达生长顶点),而在不含α-壳聚糖的对照组中24～48h 便可到达生长顶点。由此可见,壳聚糖的抗菌作用具有广谱性,且随浓度的提高作用增强。
1.2 壳聚糖对真菌的抑制作用 丁恒生等[7]发现脱乙酰度为95%的龙虾壳聚糖对红色毛癣菌、断发毛癣菌、须发毛癣菌、石膏样小孢子菌和白色念珠菌等皮肤浅表真菌均具有抗菌作用,其最低抑菌浓度为2500～5000m g /L 。J .R h o a d e s 等[8]发现浓度为1g /L 、脱乙酰度为89%的天然壳聚糖能抑制2l o g C F U /m l 念珠菌,但对白色隐球菌无抑制作用。M u h a n -n a dJ 等[9]发现在p H 5.0下,含0.5%浓度壳聚糖(脱乙酰度92%、黏度14s 、分子量8.7×104)的乳剂在24h 后能使白色念珠菌数量减少达99%、黑曲霉菌减少达90%。可见壳聚糖对真菌也有很广泛的抗菌作用,且作用效果与抗细菌的作用十分类似。
2 影响壳聚糖抗菌活性的因素
2.1 分子量和脱乙酰对壳聚糖抗菌性的影响 壳聚糖分子量对其抗菌活性的影响较复杂,不同的学者得出的结论各不相同。Z h e n g L Y 等[2]发现壳聚糖分子量在5～305k D 范围
作者单位:212013江苏省镇江大学医学技术学院
内,对大肠埃希菌的抗菌活性随分子量的下降而上升;而对金黄色葡萄球菌,分子量上升抗菌性也上升;但是吴刚等[10]却发现壳聚糖分子量在4～40万范围内时,其对大肠杆菌的抗菌活性随着分子量的降低则先增大后降低,对金黄色葡萄球菌的抗菌效率随分子量的减小而增大。J e o nY J 等[11]还发现3种壳聚糖(分子量分别是10、5、1K a )抑菌性比分子量68.5K a 的壳聚糖要低。产生上述不同结果的原因,目前还不清楚,需做进一步研究。
相比之下,壳聚糖脱乙酰度对其抗菌活性的影响就要简单的多。由于壳聚糖发挥抗菌作用的主要基团是氨基,脱乙酰度程度越高,其所含的氨基也越多,抗菌活性也越强,这已被实验所证明[9]。
2.2 环境介质对壳聚糖抗菌性的影响
2.2.1 p H 对壳聚糖抗菌性的影响 壳聚糖的p K a 为6.3,p H 越低,所带氨基正电荷越多,抗菌活性也越强。N o a H K
[12]
等发现壳聚糖在p H 4.5条件下,抗菌液中大肠埃希菌只有
4.48～
5.67个数量级,而在p H 5.9条件下,却有
6.40～6.69个数量级,也就是说壳聚糖在低p H 条件下抗菌活性强。郑铁生等[13]还发现壳聚糖在p H 4.5～5.5条件下能完全抑制金葡菌等菌,而在p H 8.5条件下却无抑菌活性。
2.2.2 金属离子对壳聚糖抗菌性的影响 金属离子对壳聚糖抗菌活性的影响是,其浓度越高,壳聚糖抗菌活性越低,这可能与金属离子能和壳聚糖形成鳌合物有关,比如郑铁生等[13]发现,随着钠、镁离子浓度的增大,壳聚糖对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性有下降的趋势,与吴刚等人[10]的结论一致。
2.2.3 阴离子表面活性剂对壳聚糖抗菌性的影响 阴离子表面活性剂的加入也能使壳聚糖抗菌活性下降,这可能是壳聚糖分子中的阳离子(氨基)与表面活性剂中的阴离子结合,降低了抗菌基团的数量,有研究[13]证明了这一观点。3 抗菌机制
3.1 细胞膜作用靶位的抗菌机制 壳聚糖能攻击细胞膜,主要是因为细胞膜是带负电荷的而壳聚糖带高密度正电荷,静电作用会使它们相互作用。壳聚糖与膜上的磷脂膜结合能导致膜蛋白变性,接着膜通透性发生变化,膜结构也会被破坏,胞质成分就流出来,从而发挥了抗菌作用。这一论述己通过相关实验得到证实。J eJ Y 等[14]用壳聚糖的衍生物对大肠埃希杆菌等菌进行抗菌实验,发现抗菌液260n m 处的吸光度随时间上升,说明细菌内核酸物质漏了出来;他们还通过细胞内
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80·中国实用医药2007年7月第2卷第19期 C h i n aP r a c M e d ,J u l 2007,V o l .2,N o .19
外膜透视实验,发现溶液中细胞质半乳糖苷酶活性及1-氮-苯基萘氨(N P N)荧光强度均上升。这些结果都说明细胞膜的完整性受到了影响,通透性增加了。H e l a n d e r I.M.等[15]发现壳聚糖能增加大肠杆菌等对S D S、染料和胆酸的易感性,说明壳聚糖能使细菌胞膜的防御功能消失。还有人直接通过观察细菌的形态来验证以上的结论。C h o i等人于电镜下发现,用壳聚糖作用后的伴放线放线杆菌从球形变为不规则形,细菌内膜从外膜分离,于是他们推断壳聚糖的目标可能是细菌胞膜,而膜的破坏导致生物体死亡。
3.2 细胞内作用靶位的抗菌机制 菌体内的细胞质和核酸等物质都带有负电荷,可以和带正电荷的壳聚糖发生静电作用结合。壳聚糖进入细胞膜后,既可以和细胞质及细胞器结合,扰乱微生物的正常代谢;也可以和D N A和R N A等核内物质结合,影响遗传信息的复制和表达。壳聚糖与胞内物质结合,已从形态学角度得到了验证。周南进等用壳聚糖对幽门螺杆菌进行抗菌试验后,于电镜下看到细菌内部结构消失或分布异常,胞质不均匀或密度下降,并出现高电子密度颗粒,说明壳聚糖进入了细菌内并与胞质作用。如今壳聚糖已被成功的作为基因载体在基因工程中发挥作用,说明壳聚糖能通过结合细菌内部的遗传物质,发挥抗菌作用。
壳聚糖抗菌的机制,还有人认为可以通过三种方式抗菌,一是作为络合剂能选择性地结合金属离子,抑制毒素产生和细菌生长;二是可激活宿主组织的几种防卫机制,结合水分子,抑制各种酶的活性;三是能进入微生物核内结合D N A,抑制m R N A转录,干扰蛋白合成。尚需进一步研究。
4 壳聚糖在临床抗菌方面的应用前景
4.1 在消化性溃疡方面的应用 幽门螺杆菌(H p)是引起消化性溃疡的非常重要的致病菌,K a u s e r F等发现其编码基因C a g致病岛(C a g-P A I)的多态性与消化性溃疡发生密切相关。用联合抗生素根除H p是目前治疗消化性溃疡的重要方法,但抗生素会对人体产生不良反应。壳聚糖作为一种天然多糖,对人体无毒性。国内有人给小鼠口服壳聚糖,发现单用壳聚糖对小鼠胃黏膜H p感染的根除率达58.3%,而壳聚糖+质子泵抑制剂+羟氨苄青霉素组H p的根除率高达91.7%,国外有人发现给小鼠口服壳聚糖不仅能有效预防乙醇诱导性胃溃疡,还能加速其愈合。相信这些都会使壳聚糖成为研制治疗消化性溃疡药物的亮点。
4.2 在皮肤浅表真菌感染方面的应用 一些皮肤浅表真菌可以引起浅表性皮肤病,包括股癣、足癣、花斑癣等。刘向农等对海军官兵在海训中所得的浅表性皮炎经过深入调查,总结了相应真菌种类及所占百分比,其中絮状表皮癣菌占31.3%,红色毛癣菌占28.9%,须癣毛癣菌占1
5.6%,糠批马拉色菌占12.5%,念珠菌9.4%,石膏样小孢子菌占2.3%,现已有体外试验证明壳聚糖对其中多种真菌有效[7],P e hK等还证实壳聚糖乳酸薄膜对新西兰兔皮肤不致敏,这些都使壳聚糖十分适合于浅表性皮炎的治疗。
4.3 在口腔感染方面的应用 慢性牙周炎的发病与伴放线放线杆菌白细胞毒素(l k t A)基因密切相关,不过C h o i等人已发现壳聚糖对伴放线放线杆菌有有较强的抑制作用。邓婧等[5]还发现壳聚糖对几种常见口腔致病菌不仅有抑制作用,而且经高温处理后其作用也很稳定,所以在治疗口腔感染方面,壳聚糖必将是有效药物。
4.4 在伤口感染方面的应用 M a s a n o r i F等用含光致光联壳聚糖凝胶的移植物封堵家兔动脉伤口后,加入一定量大肠埃希菌,发现凝胶移植物和动脉中大肠埃希菌培养均阴性,这显示壳聚糖凝胶在血管整形手术中具有的应用潜能。M a r i n a B等人用含l u x 操纵子的各种感染菌(能化学发光)感染B a l b/c系小鼠伤口后贴上H e m C o n s绷带(含壳聚糖醋酸盐),发现小鼠伤口细菌的不仅发光程度低,小鼠死亡率也比其他组低得多,说明H e m C o n s绷带抗菌能力强,在伤口感染方面具有应用价值。
综上所述,壳聚糖的抗菌谱广,抗菌作用强,并具有广泛的临床应用前景。但要使其有效地应用于临床,还需做更深入研究。相信通过人们的研究,壳聚糖必将成为临床抗菌治疗的天然有效药物,服务于全人类。
参 考 文 献
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