银系抗菌剂与有机抗菌剂对大肠杆菌的联合毒性效应

包诗玉, 孙昊宇, 龙茜, 张跃恒, 林志芬, 印春生. 银系抗菌剂与有机抗菌剂对大肠杆菌的联合毒性效应[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 871-882. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020112305
引用本文: 包诗玉, 孙昊宇, 龙茜, 张跃恒, 林志芬, 印春生. 银系抗菌剂与有机抗菌剂对大肠杆菌的联合毒性效应[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 871-882. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020112305
BAO Shiyu, SUN Haoyu, LONG Xi, ZHANG Yueheng, LIN Zhifen, YIN Chunsheng. A study on the combined toxicities of silver antibacterial agents and organic antibacterial agents against Escherichia coli[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 871-882. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020112305
Citation: BAO Shiyu, SUN Haoyu, LONG Xi, ZHANG Yueheng, LIN Zhifen, YIN Chunsheng. A study on the combined toxicities of silver antibacterial agents and organic antibacterial agents against Escherichia coli[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 871-882. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020112305

银系抗菌剂与有机抗菌剂对大肠杆菌的联合毒性效应

    通讯作者: Tel:61900333, E-mail: csyin@shou.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金(22006116, 21777123),同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室自主研究(重点)项目(PCRRK16007),博士后创新人才支持计划(BX20190247),中国博士后科学基金(2019M661624)和上海“超级博士后”激励计划(2019194)资助

A study on the combined toxicities of silver antibacterial agents and organic antibacterial agents against Escherichia coli

    Corresponding author: YIN Chunsheng, csyin@shou.edu.cn
  • Fund Project: The National Natural Science Foundation of China(22006116, 21777123), Independent Research (Key) Project of The State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Recovery of Tongji University (PCRRK16007), Post-Doctoral Innovative Talent Support Program (BX20190247), China Postdoctoral Science Foundation (2019M661624) and Shanghai "Super Postdoctoral" Incentive Program (2019194).
  • 摘要: 抗菌剂的长期滥用导致细菌耐药性问题不断加剧,这对人类的健康生存和长期发展构成巨大威胁。银系抗菌剂作为不易产生耐药性的无机抗菌材料,可以将其与有机抗菌剂联合使用以提高抗菌效果,从而达到减少抗菌剂滥用的目的。但由于有机抗菌剂的结构及单一作用机制不同,使得银系抗菌剂与其联合后会产生不同的抗菌效果,因此有必要研究银系抗菌剂与不同的有机抗菌剂的联合毒性效应。本文以大肠杆菌为模式生物,硝酸银(AgNO3)和纳米银(AgNPs)作为常见的银类抗菌剂,测定了AgNO3、AgNPs与8种有机抗菌剂(多肽类、表面活性剂类、糖肽类、β-内酰胺类、唑啉类、氨基糖苷类、四环素类和大环内酯类)在1∶1、1∶5和5∶1毒性比混合下的联合毒性。结果表明,AgNO3和AgNPs在单一毒性实验和混合毒性中主要通过释放Ag+来发挥其对大肠杆菌的毒性作用。此外,8种有机抗菌剂中仅有氨基糖苷类抗生素与银系抗菌剂在所有毒性比的联合作用下均呈现协同效应。为了进一步验证这一协同作用的普遍性,测定了AgNO3和AgNPs与另外5种氨基糖苷类抗生素在1∶1、1∶5和5∶1毒性比联合的毒性效应。结果显示AgNO3和AgNPs与大部分氨基糖苷类抗生素的联合毒性作用呈现协同效应。基于银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素的毒性作用机理,推测这两者的协同抗菌效应可能是由于银系抗菌剂作用的蛋白酶与氨基糖苷类抗生素作用的核糖体具有通路一致性,它们联合作用协同破坏了蛋白质合成与代谢的整个过程。本研究可以为今后抗菌剂的联合用药和探索更多的抗菌剂联合协同治疗方案提供参考和新思路,并为多种抗菌剂在环境中联合暴露的风险评价提供参考。
  • 邻苯二甲酸酯类化合物(phthalate esters, PAEs)是邻苯二甲酸酐与醇反应生成的化合物,它是提高聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)弹性的重要添加剂,其中邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(Di(2-ethylhexyl)phthalate,DEHP)是目前使用量最大的一种邻苯二甲酸酯,用量高达80%[1]. DEHP广泛应用于儿童玩具、塑料包装、化妆品及各类医疗器械[2-3]. DEHP的广泛使用导致了不可避免的环境释放以及人体摄入. 大量实验指出我国人群DEHP的暴露剂量约为11—116 μg·kg−1·d−1,接近DEHP的每日可耐受摄入量(TDI)(20—140 μg·kg−1·d−1),表明 DEHP对人群的健康构成重大危害[4].

    DEHP具有内分泌干扰效应,可以诱发生殖发育毒性、肝脏毒性、胚胎毒性等多种毒性[5-6]. DEHP通过消化道进入人体后在胃肠道的脂肪酶作用下水解成初级代谢物乙基己醇(2-EH)和邻苯二甲酸单乙基己基酯(mono-ethylhexyl phthalate,MEHP),再通过尿液排出体外[7]. 通过对尿液的单酯类物检测发现,原尿和酶解后的尿液中 MEHP 的检出率最高,平均检出率超过60% [8]. 此外,试验结果表明DEHP的毒性主要来源于其代谢物 MEHP,其毒性作用高达DEHP的10倍[9]. 同时,MEHP的动物实验表明,其主要分布在肾脏、膀胱和肝脏,其中肝脏为MEHP最主要的靶器官[10]. Thomas等的研究中,大鼠口服500 mg·kg−1 DEHP,30 min后,肝脏MEHP水平为12.5 mg·g−1 [11]. MEHP毒性作用主要体现在增加肝脏亲脂活性,导致肝脏中出现脂肪堆积,继而引发肝细胞脂肪变性[12].

    肝脏在体内发挥着外源物质解毒和代谢脂类物质的主要作用. 肝脏内游离脂肪酸增加和甘油三酯沉积是肝脏脂质代谢紊乱的主要表现. 近年来,全球肥胖病与非酒精性脂肪肝患病率快速上升. 体内体外实验提示脂肪代谢紊乱会增加肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝病的患病危险度. 流行病学和毒理学研究报告称,接触DEHP会影响机体脂肪代谢,从而促进肥胖[13]. 体内实验表明大鼠用DEHP处理后,肝脏重量增加,主要机制可能与肝代谢酶改变有关[14]. 有体外实验表明,MEHP处理HepG2细胞后,激活了PPARα使脂肪酸的氧化分解受到抑制[9],导致肝细胞内的脂质堆积并造成肝脏损伤. 在本课题组的前期研究发现,MEHP 处理后的HepG2 细胞的乙酰辅酶 A 羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)的亚型ACC1蛋白表达水平增加,最终使肝脏细胞中脂肪酸合成增加. 这些结果表明,MEHP 可能通过影响脂质合成相关基因或蛋白的表达,从而导致肝细胞脂肪代谢出现紊乱. 为此,本实验以HepG2细胞为实验对象,通过MEHP染毒,观察细胞内脂质代谢情况,并通过基因芯片高通量筛查差异基因,探讨MEHP对体外脂质合成的影响及其可能的作用机制.

    从中国科学院上海生命研究院细胞资源中心购买HepG2细胞. 细胞培养基含 10%胎牛血清、1%青霉素庆大霉素双抗. 细胞培养条件为37 ℃、5% CO2. 取指数生长期的细胞进行染毒,参考相关文献[9]及我国人群接触水平设置染毒浓度. 共设置5个染毒浓度 :阴性对照(完全培养基)、阳性对照(1 mmol·L−1油酸)、0.01 、1 、10 μmol·L−1MEHP. 染毒48 h后进行相关实验.

    为了研究细胞中脂滴的蓄积,用油红O法对HepG2细胞进行染色. 5个实验组的细胞染毒48 h后进行染色. 主要步骤为:弃去孔中废弃培养基,用 PBS 漂洗细胞,4%(质量分数)多聚甲醛固定细胞,油红O染色30 min,60%(体积分数)异丙醇洗去多余染料,苏木精复染细胞核10 s. 用显微镜获取图像并观察细胞内脂滴情况.

    用1 μmol·L−1 MEHP处理的细胞进行芯片分析,Agilent (人)表达谱芯片由博奥晶典公司完成. 步骤如下:以待检测样品的 total RNA 为起始,进行体外扩增和荧光标记,然后用Oligo(dT)Primer 引物合成cRNA并进行纯化和反转录得到cDNA. 最后用 Klenow Fragment 酶合成带有荧光基团的DNA 进行芯片杂交. 用 Feature Extraction 提数软件对芯片杂交扫描后的图片数据进行处理分析.

    通过Rstudio limma包将芯片基因的数据进行处理,以表格格式导出并进一步筛选差异表达基因. 差异表达基因(DEG)定义为差异倍数 FC大于 1.5或小于0.67且 P值小于 0.05的基因.

    将上述分析得出的DEG导入 DAVID在线数据库(https://david.ncifcrf.gov/tools.jsp),进行GO分析. 通过对显著表达的基因进行功能注释分析,包括生物学过程(BP)、细胞组成(CC)和分子功能(MF),进而了解差异表达基因的生物学意义. 以 P<0.05认为具有显著性.

    按照1.1节对处于指数生长期的细胞进行染毒,每个实验组设置6个平行对照,染毒48 h后提取RNA. 细胞样品用Trizol试剂裂解,提取总RNA. 用超微量分光光度计测定RNA的含量和纯度. 将符合条件的RNA (A260/A230>2.0,和A260/A280=1.8—2.0)样本用反转录试剂盒将RNA反转录为cDNA备用.

    从具有显著性且参与脂质代谢过程的差异基因中选取丙酮酸脱氢酶磷酸酶催化亚基2(PDP2)、磷脂酶A2组 IVE(PLA2G4E)、脂肪酸去饱和酶 6(FADS6)、Q型蛋白酪氨酸磷酸酶受体(PTPRQ)、CD28、甾醇-C5-去饱和酶(SC5D)、甲羟戊酸二磷酸脱羧酶(MVD)作为目的基因,检测mRNA表达水平(荧光定量PCR仪为Line Gene 9600). 引物信息如表1所示. 以GAPDH为内参,数据分析时取Ct值的平均值,用相对定量法2−△△ct法计算目的基因表达的变化情况. 采用 SPSS 26.0 软件对数据进行统计学分析,多组间比较使用单因素方差分析,事后比较用LSD 检验进行,P<0.05认为具有统计学意义.

    表 1  实时定量PCR引物序列
    Table 1.  Primer sequences for real-time quantitative PCR
    基因Gene引物Primer
    PDP2S——GAAGATGAGGTGACAAGGAA
    F——GCCAGCACAAG MVD GAACTTA
    PLA2G4ES——TTCTGTCCTATGGCTCCTT
    F——GTTCTTCACTCGGCTCTG
    FADS6S——CCTCAACCGCTATGTCTAC
    F——CGATGTGCTGGAAGATGT
    PTPRQS——ATGTCTATATTGCGGCTGAA
    F——TTCTTACTTGCGTGGATTCT
    CD28S——GCTCTTGGCTCTCAACTTA
    F——CCTGCTCCTCTTACTCCT
    SC5DS——CTTGCTGGAGATAAGAGGTT
    F——TATGGTGGTCTGTATGATGAG
    MVDS——CAAGGACTTCACCGAGGA
    F——GTAGGCTAGGCAGGCATA
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    将细胞脂质代谢通路的基因输入 GEPIA 在线分析网站(http://gepia.cancer-pku.cn/),分析其在肝癌组织中的表达. P<0.05认为具有统计学意义.

    图1所示,阴性对照组细胞有明显的边界,细胞内没有脂滴存在. 油酸染毒的细胞可见大量明显着色的脂滴,主要分布在细胞膜内侧区域,大小不等. 与阴性对照组相比,0.01 μmol·L−1 MEHP剂量组未见明显改变;1、10 μmol·L−1 MEHP剂量组可观察到少量红色脂滴,且随着染毒浓度的增大,脂滴的数量也逐渐增加,暂时未见对细胞边界的影响. 在前期实验中本课题组对MEHP染毒的HepG2细胞中的甘油三酯(TG)含量进行了定量检测, TG含量结果与油红O染色结果相一致,提示较高剂量 MEHP 暴露可提高细胞中的脂质水平[8]. 这一结果表明, MEHP暴露后,导致HepG2细胞中的甘油三酯蓄积,从而引起肝细胞中的脂质沉积.

    图 1  不同浓度MEHP染毒对HepG2细胞内脂肪积累的影响(×400)
    Figure 1.  Effects of different concentrations of MEHP on lipid accumulation in HepG2 cells(×400)
    A:光镜下未染色HepG2细胞;B:阳性对照组;C:阴性对照组;D、E、F:0.01、1、10 μmol·L−1 MEHP组. →为 HepG2 细胞内红色脂滴.
    A: HepG2 cells were not stained under light microscope; B: Positive control group; C:Negative control group; D、E and F: 0.01、1 and 10 μmol·L−1 MEHP groups; →represents red lipid droplets.

    图2所示,根据P<0.05,FC>1.5或<0.67的筛选标准,共筛选出93个差异表达基因(表2),其中上调的基因57个,下调的基因36个.

    图 2  差异基因火山图
    Figure 2.  Volcano plot of differentially expressed genes
    表 2  差异基因的表达情况
    Table 2.  The expression of differentially expressed genes
    UpDown
    symbollgFCP.ValuesymbollgFCP.Value
    DPPA30.7438710.000032637TTTY14−0.753450.000683968
    MYLIP0.6855960.000320629XLOC_008352−0.6910.001413602
    XLOC_0008880.6645590.000498704LOC100129112−0.836390.001799658
    LOC1001279940.6093640.00056601SC5D−0.920970.002090916
    SYT170.6508560.000986627XLOC_004178−0.726570.002192512
    XLOC_0080030.7275950.00115933C14orf119−0.789470.003595082
    LOC1005064870.5898010.001543009XLOC_l2_012082−0.613380.004605101
    FADS60.7840360.002373877XLOC_012908−0.928760.006283058
    AQP100.6036870.00355145GABRG1−1.019450.007994
    XLOC_0013870.6758390.003916862NUMB−0.579390.008775398
    KCNE40.8319730.003949384FLJ21408−0.619050.009899712
    XLOC_0052150.656710.004608305LOC100505657−0.896160.010826125
    OR5L10.9226390.004609802ZNF554−0.609130.011699612
    C14orf1800.6495610.005207664XLOC_012871−0.785530.01385829
    RHOXF10.6226360.007822227XLOC_007131−0.72730.014006601
    PTPRQ0.7393320.008548009XLOC_l2_014785−0.661690.01855114
    LOC2863820.5868150.008726912PRO0611−0.789960.018748849
    ACOD10.613050.008957375CREG2−0.707490.018758137
    LOC1001307440.858440.009748146XLOC_l2_004857−0.662250.023632428
    ZAP700.6250180.010183849PDP2−0.809760.023933353
    PLA2G4E1.4277620.011394311XLOC_l2_011207−0.579230.026335268
    LOC6525860.6141230.011818286XLOC_007761−0.583840.027416794
    XLOC_0060190.6661990.012002598GNL3LP1−0.62860.027632132
    SLAMF70.8965940.013447959XLOC_l2_013646−0.893140.028992205
    XLOC_0054330.5885290.014072632MVD−0.637120.031037423
    KRTAP13-20.6810230.014111061LOC728065−0.580890.031598939
    XLOC_0082370.8040980.01445258XLOC_l2_011011−0.601470.033573436
    XLOC_0082440.6771540.01652238XLOC_001687−1.036970.037696163
    LOC1005059660.8363260.01818776XLOC_004804−0.685710.039579631
    XLOC_0014222.4542910.018227482LOC100507110−0.601070.041523521
    CSN21.02310.020348553CACNG8−0.613140.041704333
    XLOC_0037820.6392710.021116476SNORD70−0.928940.044259091
    XLOC_0055720.5853820.02204518LOC100128126−1.054390.044856832
    XLOC_0033491.2339790.022738339NPPA-AS1−0.595230.048087643
    XLOC_l2_007700.6105470.023106187XLOC_001550−0.647520.04894801
    SNORD115-480.7191190.024508996INE1−1.0170.0496582
    SNORD115-40.6883090.026211298
    XLOC_0017550.6055160.028061446
    ANK20.9064010.029169596
    CD280.5898590.029610282
    LOC1005065631.0198340.029837404
    ANXA100.6269390.030222491
    CYBB1.1519160.03336549
    XLOC_0120641.0198340.0345969
    XLOC_0136490.6245610.035226312
    XLOC_0101831.3802680.035959747
    XLOC_0069830.8621510.040708371
    XLOC_0042740.7205960.040795527
    XLOC_0086900.6864220.041491936
    XLOC_0078880.8521480.04152697
    XLOC_l2_0111450.7048190.042378972
    SLC24A40.7575310.043335006
    XLOC_0134580.717340.043999913
    TREML10.8001350.047577606
    TRIM490.7963120.048328175
    ANKDD1B0.6837380.049447534
    DUSP210.6049010.049510457
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    通过对差异基因进行GO分析探讨差异基因所涉及的生物学过程,包括基因的3个部分:分子功能(MF)、细胞组分(CC)、生物过程(BP). 结果显示,可以识别的基因一共有48个,显著富集的GO条目一共有13条(P<0.05),其中生物过程7条(图3). 前5条通路及具体信息见表3,主要包括细胞脂质代谢过程(cellular lipid metabolic process)、T细胞阴性选择(negative T cell selection)、跨膜运输(transmembrane transport)、跨膜转运的调控(regulation of transmembrane transport)、先天免疫反应(innate immune response);分子功能2条,包括被动跨膜转运活性(passive transmembrane transporter activity)、基质特异性跨膜转运蛋白活性(substrate-specific transmembrane transporter activity);细胞组分4条,包括膜的外部成分(extrinsic component of membrane)、等离子体膜(plasma membrane)、质膜部分(plasma membrane part).GO 分析表明, 最显著激活的通路是细胞脂质代谢通路,他由上调基因 FADS6、PTPRQ、CD28、 PLA2G4E 和下调基因 SC5D、PDP2、MVD 组成.

    图 3  DAVID分析中生物过程通路的GO条目与基因
    Figure 3.  Chord plot depicting the relationship between genes and GO terms of biological process
    表 3  DAVID分析中前5个通路(BP)与基因
    Table 3.  Top 5 GO terms (BP) of the genes with the DAVID analysis
    GO TermGO 条目Count数量Genes基因Fold Enrichment富集倍数P Value P
    GO:0044255cellular lipid metabolic process7PDP2, PLA2G4E, FADS6, PTPRQ, CD28, SC5D, MVD3.856283267762090.0068
    GO:0045087innate immune response5TREML1, ZAP70, CYBB, ACOD1, SLAMF73.0424383120.0494
    GO:0055085transmembrane transport7SLC24A4, CACNG8, KCNE4, AQP10, CYBB, ANK2, GABRG13.0241379310.0204
    GO:0006629lipid metabolic process7PDP2, PLA2G4E, FADS6, PTPRQ, CD28, SC5D, MVD5.6609478510.0210
    GO:0034762regulation of transmembrane transport4CACNG8, KCNE4, CYBB, ANK23.436520376175540.0300
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    MEHP染毒后相关基因mRNA表达水平的变化如图4所示. 与阴性对照组相比,基因FADS6 在1 μmol·L−1 MEHP染毒样品内基因表达水平明显增加(P<0.05);基因SC5D、PDP2在1 μmol·L−1 MEHP剂量组基因表达水平明显降低(P<0.05),MVD在10 μmol·L−1 MEHP剂量组基因表达水平明显降低(P<0.05). 其中,基因SC5DPDP2MVDFADS6的mRNA表达水平与芯片结果表达一致,基因PTPRQCD28PLA2G4E结果不一致.

    图 4  不同浓度MEHP染毒对 HepG2 细胞相关基因mRNA表达水平影响
    Figure 4.  Effects of different concentrations of MEHP on mRNA expressions of relative genes in HepG2 cells

    本研究通过转录组数据分析探讨MEHP在HepG2细胞脂质代谢过程中发挥作用的基因,发现细胞脂质代谢通路上的基因FADS6、MVD、SC5D、PLA2G4E在代谢过程中起重要作用. 脂肪酸去饱和酶(FADS6)在多不饱和脂肪酸(PUFA)的合成途径中起关键作用,参与了PUFA合成过程中的限速步骤,并调节PUFA的代谢通量[15]. 据报道,FADS6的活性是调节生物体中多不饱和脂肪酸比例的主要因素,其活性改变会影响一些疾病,如炎症和肿瘤发生,2型糖尿病,心血管疾病,代谢紊乱和神经精神疾病[16]. Montell的研究发现,含不饱和脂肪酸的二脂酰甘油(DAG)比饱和脂肪酸的DAG对二酰基甘油酰基转移酶(DGAT)有更强的亲和力,即肝脏合成 TG 首先利用不饱和脂肪酸, 更容易导致甘油三酯积累,而饱和脂肪酸多以 DAG 的形式蓄积[17].

    本实验富集分析与PCR的结果显示,FADS6的mRNA表达水平升高,促进了HepG2细胞中多不饱和脂肪酸合成,这可能是HepG2细胞中甘油三酯合成增多进而出现脂肪堆积的原因. 甲羟戊酸二磷酸脱羧酶(MVD)参与胆固醇生物合成过程中的早期步骤. 通过Jump实验中转录组数据的KEGG分析显示,MVD参与SREBP激活基因表达、SREBP调节胆固醇生物合成、脂类和脂蛋白代谢等胆固醇代谢相关的通路,MVD的变化可调控乙酰乙酰-辅酶A的变化,进而改变)胆固醇调节元件结合蛋白(SREBP)的表达水平[18],已有研究证明SREBP的上调导致肝细胞内胆固醇合成增加 [19] . 甾醇-C5-去饱和酶(SC5D)是一种胆固醇生物合成酶,它催化乳甾醇(lathosterol)转化为7-脱氢胆固醇(7-dehydrocholesterol),参与胆固醇合成中的酶促反应通路[20]. 有文献报道SC5D基因缺陷会引起乳甾醇症(Lathosterolosis),一种罕见的常染色体隐性胆固醇生物合成障碍疾病[21]. SC5D基因在HepG2细胞中表达水平的改变导致细胞内胆固醇合成发生紊乱. 磷脂酶A2(PLA2)是一种参与脂蛋白代谢和炎症途径的酶,所产生的脂质介质对细胞代谢起重要调控作用. 有文献报道NAFLD病人血浆中PLA2水平和肝脏的脂肪变性程度呈显著正相关,这说明PLA2可能参与肝细胞代谢过程中[22]. 有研究证实PLA2过表达的肝脏甘油三酯(TG)含量显著增加,同时增加趋势与PLA2的表达趋势相一致[23]. PLA2G4E作为PLA2的一种,对肝脏细胞的代谢也有调控作用. 本研究中发现,芯片结果中PLA2G4E表达水平升高,提示PLA2G4E是MEHP诱导甘油三脂含量增加,扰乱肝细胞脂质代谢的原因之一.

    利用在线分析工具GEPIA分析以上基因在肝细胞癌组织的表达水平,如图5所示. 这7个基因在肝细胞癌组织中的表达变化对比正常组织没有显著性. 但是以上基因在HepG2肝癌细胞脂质代谢过程中的表达水平均具有明显改变,导致肝癌细胞脂质代谢紊乱、脂肪堆积.

    图 5  关键基因在肝癌中的表达水平
    Figure 5.  Relative expression comparison of key genes in liver cancer samples in GEPIA database

    非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)是一种可逆性的疾病,但随着研究的不断深入, NAFLD的发病范围由单纯脂肪肝、脂肪肝、肝硬化发展到原发性肝细胞癌[24]. 多项研究证明NAFLD可逐渐发展为非酒精性脂肪性肝炎(Nonalcoholic steatohepatitis,NASH),从而导致肝硬化[25],而肝硬化是除HBV、HCV引起原发性肝癌的另一主要原因. 因此假如高龄、胰岛素抵抗、肥胖等危险因素持续存在,NAFLD最终可引起肝癌. 同时Iris [26]的动物实验和Ertle[27] 的研究证实,NAFLD可不经肝硬化阶段发展为原发性肝癌. 由此可知,虽然以上基因在肝癌组织中的表达没有明显变化,但是对肝癌的前身——NAFLD发生发展具有重要作用.

    本研究以HepG2细胞为研究对象,结合油红O染色以及基因芯片等技术,发现MEHP暴露影响了细胞脂质代谢等信号通路,改变了关键因子FADS6MVDSC5DPLA2G4E的表达水平,导致肝脏细胞中甘油三酯与胆固醇的合成增加,肝脏细胞出现脂肪蓄积. 综上所述,MEHP暴露可以通过改变细胞代谢相关基因引起肝脏细胞内脂质代谢紊乱.

  • 图 1  硝酸银与纳米银的毒性机制

    Figure 1.  Toxic action of silver nitrate and nano silver

    图 2  (a)多肽类抗生素PMX和表面活性剂DTAB的毒性机制,(b)β-内酰胺类抗生素PVP和糖肽类抗生素VA的毒性机制,(c)唑啉类杀菌剂MIT的毒性机制,(d)氨基糖苷类抗生素GEN、四环素类抗生素TC和大环内酯类抗生素ERY的毒性机制

    Figure 2.  (a) Toxic action of PMX and DTAB, (b) Toxic action of PVP and VA, (c) Toxic action of MIT, (d) Toxic action of GEN, TC and ERY

    图 3  银系抗菌剂和8种有机抗菌剂二元混合物的TU值

    Figure 3.  The TU values of binary mixtures of sliver antimicrobials and eight organic antimicrobials

    图 4  银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素二元混合物的TU值

    Figure 4.  The TU values of binary mixtures of silver antimicrobials and aminoglycosides

    图 5  银系抗菌剂和氨基糖苷类抗生素协同机制图

    Figure 5.  The mechanism of silver antibacterial agents and aminoglycoside antibiotics

    表 1  试剂的理化参数和单一毒性数据

    Table 1.  The physicochemical parameters and the single toxicity data of the reagents

    类别Class序号No.名称及简称Name and abbreviationCAS结构式Structural formula相对分子质量/ (g·mol−1)Relative molecular mass−lgEC50/(mol·L−1)
    银系抗菌剂Silver antibacterial agents1硝酸银AgNO37761-88-8169.874.51
    2纳米银AgNPs(5 nm)7440-22-4107.874.78
    多肽类抗生素Polypeptide antibiotic3硫酸多粘菌素B Polymyxin B sulfate PMX1405-20-51301.566.59
    表面活性剂Surfactant4十二烷基三甲溴化铵Dodecyl trimethyl ammonium bromide DTAB1119-94-4308.343.88
    β-内酰胺类抗生素β-lactam antibiotic5青霉素V钾Phenoxymethylpenicillin potassium PVP132-98-9388.483.74
    糖肽类抗生素Glycopeptide antibiotic6盐酸万古霉素Vancomycin hydrochloride VA1404-93-91485.713.95
    唑啉类杀菌剂Azoline fungicide7甲基异噻唑啉酮Methylisothiazolinone MIT2682-20-4115.154.60
    四环素类抗生素Tetracycline antibiotic8盐酸四环素Tetracycline hydrochloride TC64-75-5480.906.25
    大环内酯类抗生素Macrolide antibiotic9红霉素Erythromycin ERY114-07-8733.934.86
    氨基糖苷类抗生素Aminoglycoside antibiotics10硫酸庆大霉素Gentamycin sulfate GEN1405-41-01506.806.26
    11硫酸链霉素Streptomycin sulfate STR3810-74-01457.385.94
    12硫酸新霉素Neomycin sulfate NEO1405-10-3712.726.25
    13妥布霉素Tobramycin TM32986-56-4467.516.36
    氨基糖苷类抗生素Aminoglycoside antibiotics14硫酸卡那霉素Kanamycin sulfate KAN70560-51-9582.585.71
    15异帕米星Isepamicin ISE58152-03-7569.605.93
    类别Class序号No.名称及简称Name and abbreviationCAS结构式Structural formula相对分子质量/ (g·mol−1)Relative molecular mass−lgEC50/(mol·L−1)
    银系抗菌剂Silver antibacterial agents1硝酸银AgNO37761-88-8169.874.51
    2纳米银AgNPs(5 nm)7440-22-4107.874.78
    多肽类抗生素Polypeptide antibiotic3硫酸多粘菌素B Polymyxin B sulfate PMX1405-20-51301.566.59
    表面活性剂Surfactant4十二烷基三甲溴化铵Dodecyl trimethyl ammonium bromide DTAB1119-94-4308.343.88
    β-内酰胺类抗生素β-lactam antibiotic5青霉素V钾Phenoxymethylpenicillin potassium PVP132-98-9388.483.74
    糖肽类抗生素Glycopeptide antibiotic6盐酸万古霉素Vancomycin hydrochloride VA1404-93-91485.713.95
    唑啉类杀菌剂Azoline fungicide7甲基异噻唑啉酮Methylisothiazolinone MIT2682-20-4115.154.60
    四环素类抗生素Tetracycline antibiotic8盐酸四环素Tetracycline hydrochloride TC64-75-5480.906.25
    大环内酯类抗生素Macrolide antibiotic9红霉素Erythromycin ERY114-07-8733.934.86
    氨基糖苷类抗生素Aminoglycoside antibiotics10硫酸庆大霉素Gentamycin sulfate GEN1405-41-01506.806.26
    11硫酸链霉素Streptomycin sulfate STR3810-74-01457.385.94
    12硫酸新霉素Neomycin sulfate NEO1405-10-3712.726.25
    13妥布霉素Tobramycin TM32986-56-4467.516.36
    氨基糖苷类抗生素Aminoglycoside antibiotics14硫酸卡那霉素Kanamycin sulfate KAN70560-51-9582.585.71
    15异帕米星Isepamicin ISE58152-03-7569.605.93
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    表 2  硝酸银、纳米银分别和抗菌剂的二元联合毒性数据

    Table 2.  Data on the combined toxicity of AgNO3, AgNPs with antibacterial agents respectively

    分类BA∶BA∶AgNO3A∶AgNPs(5 nm)
    −lgEC50mixTU联合效应−lgEC50mixTU联合效应
    多肽类抗生素 PMX 1∶1 4.81 0.99 相加 4.99 1.21 拮抗
    1∶5 5.30 0.93 相加 5.47 1.13 相加
    多肽类抗生素 PMX 5∶1 4.56 1.06 相加 4.80 1.13 相加
    表面活性剂 DTAB 1∶1 4.19 0.80 相加 4.25 0.76 协同
    1∶5 3.99 0.90 相加 3.99 0.91 相加
    5∶1 4.40 0.83 相加 4.52 0.85 相加
    β-内酰胺类抗生素 PVP 1∶1 3.90 1.17 相加 3.93 1.17 相加
    1∶5 3.80 1.02 相加 3.84 0.94 相加
    5∶1 4.27 0.96 相加 4.38 0.94 相加
    糖肽类抗生素 VA 1∶1 4.26 0.76 协同 4.35 0.69 协同
    1∶5 4.17 0.68 协同 4.18 0.68 协同
    5∶1 4.44 0.82 相加 4.62 0.74 协同
    唑啉类杀菌剂 MIT 1∶1 4.61 0.88 相加 4.68 1.01 相加
    1∶5 4.56 1.05 相加 4.60 1.07 相加
    5∶1 4.53 0.99 相加 4.78 0.93 相加
    氨基糖苷类抗生素 GEN 1∶1 5.24 0.37 协同 5.44 0.42 协同
    1∶5 5.49 0.58 协同 5.68 0.65 协同
    5∶1 5.03 0.36 协同 5.14 0.52 协同
    四环素类抗生素 TC 1∶1 4.86 0.88 相加 5.27 0.62 协同
    1∶5 5.49 0.58 协同 5.82 0.47 协同
    5∶1 4.61 0.94 相加 4.95 0.81 相加
    大环内酯类抗生素 ERY 1∶1 4.77 0.76 协同 4.95 0.74 协同
    1∶5 4.86 0.82 相加 5.15 0.50 协同
    5∶1 4.54 1.02 相加 4.81 0.95 相加
    分类BA∶BA∶AgNO3A∶AgNPs(5 nm)
    −lgEC50mixTU联合效应−lgEC50mixTU联合效应
    多肽类抗生素 PMX 1∶1 4.81 0.99 相加 4.99 1.21 拮抗
    1∶5 5.30 0.93 相加 5.47 1.13 相加
    多肽类抗生素 PMX 5∶1 4.56 1.06 相加 4.80 1.13 相加
    表面活性剂 DTAB 1∶1 4.19 0.80 相加 4.25 0.76 协同
    1∶5 3.99 0.90 相加 3.99 0.91 相加
    5∶1 4.40 0.83 相加 4.52 0.85 相加
    β-内酰胺类抗生素 PVP 1∶1 3.90 1.17 相加 3.93 1.17 相加
    1∶5 3.80 1.02 相加 3.84 0.94 相加
    5∶1 4.27 0.96 相加 4.38 0.94 相加
    糖肽类抗生素 VA 1∶1 4.26 0.76 协同 4.35 0.69 协同
    1∶5 4.17 0.68 协同 4.18 0.68 协同
    5∶1 4.44 0.82 相加 4.62 0.74 协同
    唑啉类杀菌剂 MIT 1∶1 4.61 0.88 相加 4.68 1.01 相加
    1∶5 4.56 1.05 相加 4.60 1.07 相加
    5∶1 4.53 0.99 相加 4.78 0.93 相加
    氨基糖苷类抗生素 GEN 1∶1 5.24 0.37 协同 5.44 0.42 协同
    1∶5 5.49 0.58 协同 5.68 0.65 协同
    5∶1 5.03 0.36 协同 5.14 0.52 协同
    四环素类抗生素 TC 1∶1 4.86 0.88 相加 5.27 0.62 协同
    1∶5 5.49 0.58 协同 5.82 0.47 协同
    5∶1 4.61 0.94 相加 4.95 0.81 相加
    大环内酯类抗生素 ERY 1∶1 4.77 0.76 协同 4.95 0.74 协同
    1∶5 4.86 0.82 相加 5.15 0.50 协同
    5∶1 4.54 1.02 相加 4.81 0.95 相加
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    表 3  硝酸银、纳米银分别和氨基糖苷类抗生素的联合毒性数据

    Table 3.  Data on the combined toxicity of AgNO3、AgNPs with aminoglycoside antibiotics respectively

    B∶氨基糖苷类抗生素A∶B毒性比A∶AgNO3A∶AgNPs(5 nm)
    −lgEC50mixTU联合效应−lgEC50mixTU联合效应
    STR 1∶1 5.36 0.27 协同 5.44 0.41 协同
    1∶5 5.34 0.75 协同 5.55 0.75 协同
    5∶1 5.14 0.28 协同 5.19 0.46 协同
    NEO 1∶1 5.45 0.23 协同 5.55 0.33 协同
    1∶5 5.48 0.60 协同 5.60 0.77 协同
    5∶1 5.18 0.25 协同 5.42 0.27 协同
    TM 1∶1 5.36 0.28 协同 5.67 0.25 协同
    1∶5 5.54 0.52 协同 5.72 0.61 协同
    5∶1 5.13 0.29 协同 5.67 0.16 协同
    KAN 1∶1 5.35 0.28 协同 5.72 0.20 协同
    1∶5 5.40 0.59 协同 5.55 0.64 协同
    5∶1 5.18 0.25 协同 5.47 0.24 协同
    ISE 1∶1 4.81 0.97 相加 5.16 0.78 协同
    1∶5 5.08 1.37 拮抗 5.43 0.99 相加
    5∶1 4.61 0.94 相加 4.88 0.93 相加
    B∶氨基糖苷类抗生素A∶B毒性比A∶AgNO3A∶AgNPs(5 nm)
    −lgEC50mixTU联合效应−lgEC50mixTU联合效应
    STR 1∶1 5.36 0.27 协同 5.44 0.41 协同
    1∶5 5.34 0.75 协同 5.55 0.75 协同
    5∶1 5.14 0.28 协同 5.19 0.46 协同
    NEO 1∶1 5.45 0.23 协同 5.55 0.33 协同
    1∶5 5.48 0.60 协同 5.60 0.77 协同
    5∶1 5.18 0.25 协同 5.42 0.27 协同
    TM 1∶1 5.36 0.28 协同 5.67 0.25 协同
    1∶5 5.54 0.52 协同 5.72 0.61 协同
    5∶1 5.13 0.29 协同 5.67 0.16 协同
    KAN 1∶1 5.35 0.28 协同 5.72 0.20 协同
    1∶5 5.40 0.59 协同 5.55 0.64 协同
    5∶1 5.18 0.25 协同 5.47 0.24 协同
    ISE 1∶1 4.81 0.97 相加 5.16 0.78 协同
    1∶5 5.08 1.37 拮抗 5.43 0.99 相加
    5∶1 4.61 0.94 相加 4.88 0.93 相加
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-23
  • 录用日期:  2022-02-14
  • 刊出日期:  2022-03-27
包诗玉, 孙昊宇, 龙茜, 张跃恒, 林志芬, 印春生. 银系抗菌剂与有机抗菌剂对大肠杆菌的联合毒性效应[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 871-882. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020112305
引用本文: 包诗玉, 孙昊宇, 龙茜, 张跃恒, 林志芬, 印春生. 银系抗菌剂与有机抗菌剂对大肠杆菌的联合毒性效应[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 871-882. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020112305
BAO Shiyu, SUN Haoyu, LONG Xi, ZHANG Yueheng, LIN Zhifen, YIN Chunsheng. A study on the combined toxicities of silver antibacterial agents and organic antibacterial agents against Escherichia coli[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 871-882. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020112305
Citation: BAO Shiyu, SUN Haoyu, LONG Xi, ZHANG Yueheng, LIN Zhifen, YIN Chunsheng. A study on the combined toxicities of silver antibacterial agents and organic antibacterial agents against Escherichia coli[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 871-882. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020112305

银系抗菌剂与有机抗菌剂对大肠杆菌的联合毒性效应

    通讯作者: Tel:61900333, E-mail: csyin@shou.edu.cn
  • 1. 上海海洋大学海洋生态与环境学院,上海,201306
  • 2. 污染控制与资源化研究国家重点实验室,同济大学环境科学与工程学院,上海,200092
基金项目:
国家自然科学基金(22006116, 21777123),同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室自主研究(重点)项目(PCRRK16007),博士后创新人才支持计划(BX20190247),中国博士后科学基金(2019M661624)和上海“超级博士后”激励计划(2019194)资助

摘要: 抗菌剂的长期滥用导致细菌耐药性问题不断加剧,这对人类的健康生存和长期发展构成巨大威胁。银系抗菌剂作为不易产生耐药性的无机抗菌材料,可以将其与有机抗菌剂联合使用以提高抗菌效果,从而达到减少抗菌剂滥用的目的。但由于有机抗菌剂的结构及单一作用机制不同,使得银系抗菌剂与其联合后会产生不同的抗菌效果,因此有必要研究银系抗菌剂与不同的有机抗菌剂的联合毒性效应。本文以大肠杆菌为模式生物,硝酸银(AgNO3)和纳米银(AgNPs)作为常见的银类抗菌剂,测定了AgNO3、AgNPs与8种有机抗菌剂(多肽类、表面活性剂类、糖肽类、β-内酰胺类、唑啉类、氨基糖苷类、四环素类和大环内酯类)在1∶1、1∶5和5∶1毒性比混合下的联合毒性。结果表明,AgNO3和AgNPs在单一毒性实验和混合毒性中主要通过释放Ag+来发挥其对大肠杆菌的毒性作用。此外,8种有机抗菌剂中仅有氨基糖苷类抗生素与银系抗菌剂在所有毒性比的联合作用下均呈现协同效应。为了进一步验证这一协同作用的普遍性,测定了AgNO3和AgNPs与另外5种氨基糖苷类抗生素在1∶1、1∶5和5∶1毒性比联合的毒性效应。结果显示AgNO3和AgNPs与大部分氨基糖苷类抗生素的联合毒性作用呈现协同效应。基于银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素的毒性作用机理,推测这两者的协同抗菌效应可能是由于银系抗菌剂作用的蛋白酶与氨基糖苷类抗生素作用的核糖体具有通路一致性,它们联合作用协同破坏了蛋白质合成与代谢的整个过程。本研究可以为今后抗菌剂的联合用药和探索更多的抗菌剂联合协同治疗方案提供参考和新思路,并为多种抗菌剂在环境中联合暴露的风险评价提供参考。

English Abstract

  • 抗菌剂的长期滥用导致了细菌耐药性问题不断加剧,致使抗菌剂的抗菌效果降低,对人类的健康生存和长期发展造成潜在的威胁。如何缓解细菌耐药性成为了大多数研究者在治疗细菌感染和治理环境污染过程中的主要问题[1]。抗菌剂的联合治疗不仅可以增加抗菌剂的治疗效果,还可以防止和减少细菌耐药性[2]。因此,探索抗菌剂之间的联合作用效应,对提高抗菌剂的抗菌疗效并减少细菌耐药性问题具有重要意义。

    常用的抗菌剂可分为无机抗菌剂和有机抗菌剂[3]。银系抗菌剂为不易产生耐药性的无机抗菌材料,具有抗菌广谱性、持久性、热稳定性好和安全性高等优势。硝酸银(AgNO3)和纳米银(AgNPs)作为两种常见的银系抗菌剂,被广泛应用于抗感染的伤口敷料、牙齿治疗、泌尿系统感染和慢性溃疡等临床治疗的多个方面[4]。如丁刚等[5]总结了硝酸银涂布治疗真菌性角膜炎的诊治经验,发现硝酸银涂布对于病变位于浅中基质层的真菌性角膜炎具有良好疗效,可缩短溃疡愈合时间,减少抗真菌药物的应用等。冯瑶等[6]研究纳米银在牙科根管应用中,发现纳米银与氢氧化钙联合作用于饥饿期的粪肠球菌生物膜呈现显著的抑菌效果。由此看出AgNO3和AgNPs在抗菌治疗中具有广泛的应用前景,可以表现出良好的抗菌效果。

    有机抗菌剂通常是指以有机物为抗菌物质的抗菌剂。由于具有抗菌效果好、抗菌作用迅速等优点,有机抗菌剂被广泛应用于制造业、医疗以及水处理等多个行业[7]。抗生素是一种常见的有机抗菌剂,其主要包括β-内酰胺类、四环素类、氨基糖苷类、大环内酯类以及多肽类抗生素等,被广泛应用于农业、畜牧业和医疗卫生等多个领域,对防治感染性疾病起到重要的作用。表面活性剂是一类具有两亲性质的有机抗菌剂,通过与细菌生物膜蛋白质的强烈相互作用使细菌变性或失去功能,在医药、洗涤、农药等方面有着广泛的应用[8];唑啉类有机抗菌剂因其具有抗菌能力强、药效持久、对环境安全以及抗菌谱宽广等优良性能,在工业、农业、医药等行业中广泛使用[9]。基于有机抗菌剂广泛的应用前景,AgNO3和AgNPs和不同的有机抗菌剂联合会产生什么样的抗菌效果呢?是否可以从这些不同的有机抗菌剂中筛选出与AgNO3和AgNPs联合产生协同效应的抗菌剂,从而提高抗菌剂的联合抗菌效果呢?

    近几年,对于银系抗菌剂与有机抗菌剂的联合研究报道逐渐增多。如Xu等[10]对AgNO3与抗生素万古霉素、利福平、庆大霉素和左氧氟沙星分别进行抗菌性能测试,发现其联合治疗的抗菌活性均得到了提高。Deng等[11]探讨了AgNPs分别与氨苄青霉素、青霉素、依诺沙星、卡那霉素、新霉素和四环素对耐多药菌伤寒沙门氏菌的联合抗菌作用,依诺沙星、卡那霉素、新霉素和四环素在与AgNPs联合时对沙门氏菌表现出协同作用,而氨苄西林和青霉素则没有。由此可以看出,银系抗菌剂和有机抗菌剂的联合抗菌治疗效果会由于有机抗菌剂的结构及单一作用机制的不同而不同。此外,当化合物之间以不同比例混合时会呈现不同的联合作用方式。如仇爱锋等[12]在研究克百威、镉和铜对费氏弧菌的联合毒性效应中,发现克百威和镉的二元混合体系在以毒性单位为1∶1和1∶2的混合下联合毒性作用部分呈现相加效应,而在2∶1混合时产生协同效应。因此,有必要开展银系抗菌剂与不同有机抗菌剂在不同毒性比混合下的联合效应研究,以进一步提高抗菌剂在细菌感染治疗中的抗菌效果,并为评估它们在进入环境后可能产生的联合暴露风险给予参考依据。

    大肠杆菌是生物体内最常见的细菌之一,由于它具有分裂增殖能力强、发育周期短以及结构简单等特点,已作为一种重要的模式生物在现代生命科学研究领域起着重要的作用。因此,本文以大肠杆菌(Escherichia coli)为模式生物,通过联合毒性实验,测定AgNO3和AgNPs分别与抗生素、表面活性剂和唑啉类杀菌剂等有机抗菌剂的联合毒性效应,并对它们的联合毒性作用机制进行了初步的讨论,以期在未来为银系抗菌剂与有机抗菌剂联合用药以及环境联合暴露风险评价提供参考。

    • 测试化合物中,四环素类抗生素购自Sigma-Aldrich化学制品有限公司,硝酸银、β-内酰胺类、氨基糖苷类、多肽类、大环内酯类抗生素以及唑啉类杀菌剂、表面活性剂均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司,纳米银溶液购自宇瑞(上海)化学有限公司,纯度均为分析纯以上,化合物的基本信息如表1

      本实验中使用的模式生物E.coliEscherichia coli K-12 MG1655),菌种冻干粉购自Biovector生物科技有限公司(北京)。

    • 受试化合物在毒性试验中采用不超过总体积0.1%的二甲基亚砜(DMSO)助溶后,用1 %NaCl溶液配制成待测化合物母液。实验时再用1%NaCl溶液将待测化合物母液稀释成等对数梯度系列,将化合物溶液加入96孔酶标板中,每孔包含80 μL的待测化合物溶液(作为实验组)或1 %的NaCl溶液(作为对照组),80 μL的2.5倍LB培养基和40 μL工作菌液。最后将96孔酶标板放置在37ºC下,转速为165 r·min−1的培养箱中培养24 h至E.coli到平台期后,用酶标仪测定波长600 nm处,96孔板每孔的光密度(optical density,OD600)。通过剂量-效应曲线得到抑制率达到50 %时对应的化合物浓度即为EC50,根据单一化合物的EC50,配制化合物A与化合物B在1∶1、1∶5和5∶1毒性比的混合溶液,然后按照单一毒性测定方法测定系列混合溶液的联合毒性。

    • 单一毒性结果采用抑制率Inhibition(%)来表征,联合毒性作用采用毒性单位(Toxicity Unit TU)值来表述,抑制率及TU值的计算如下式:

      式(1)中,OD600,0E.coli在无染毒作用下的对照组OD平均值,OD600,i为测试化合物作用下实验组的OD平均值。式(2)中,CACB是混合体系产生50 %抑制效应时化合物A、B各自的摩尔浓度(mol·L−1),EC50A和EC50B是单一化合物A、B分别作用产生50%抑制效应时的浓度。根据采用Broderius的联合毒性作用判别标准[13],当 TU<0.8认为两组分间为协同效应;0.8≤TU≤1.2认为两组分间为相加效应;TU>1.2认为两组分间为拮抗效应。

    • 银系抗菌剂与8种有机抗菌剂对大肠杆菌的单一毒性数据如表1所示。其中,毒性最大的为多肽类抗生素PMX,其−lgEC50为6.59 mol·L−1。所有抗菌剂中的毒性大小排序为:多肽类抗生素PMX>氨基糖苷类抗生素GEN>四环素类抗生素TC>大环内酯类抗生素ERY>AgNPs>唑啉类杀菌剂MIT>AgNO3>糖肽类抗生素VA>表面活性剂DTAB>β-内酰胺类抗生素PVP。

      基于前人对于银系抗菌剂的研究,纳米银和硝酸银的作用机制如图1所示,AgNO3通过释放Ag+来发挥其抗菌性,Ag+能吸附在带负电的细菌细胞壁上,并能够穿透细胞膜进入细胞内部,与细菌中蛋白酶上的巯基(—SH)迅速结合,使蛋白酶丧失活性,同时,也可以通过浓缩DNA使其失去复制能力而引起DNA的降解来抑制细菌的生长繁殖[14-15]。AgNPs抗菌机理主要由于其自身的尺寸很小而具有较高比表面积,从而呈现较高的反应活性,释放出Ag+发挥其抗菌作用;同时,AgNPs还可以通过扩散或内吞作用进入细胞,引起线粒体功能障碍,造成线粒体呼吸链的破坏,增加活性氧(ROS)的产生并抑制了三磷酸腺苷ATP的合成,从而导致DNA损伤、细胞内的蛋白质受损,当生成的ROS超过细胞抗氧化防御系统的能力时,发生氧化损伤,最终抑制细菌的增殖[16]。本研究中,AgNO3和AgNPs的-logEC50分别为4.51 mol·L−1和4.78 mol·L−1,说明AgNO3与AgNPs的抗菌活性相差不大。因此,推测实验中AgNO3与AgNPs的可能都是主要Ag+来发挥毒性作用。该推测与已有研究[17-18]中表明AgNO3和AgNPs主要是通过释放Ag+来发挥其抗菌性的结论一致。

      基于前人对于有机抗菌剂的作用机理的研究,将本文研究的有机抗菌的作用机理归纳为以下两个方面:一是与细胞壁和细胞膜系统相互作用;二是与细菌核糖体相互作用。

      多肽类抗生素PMX和表面活性剂DTAB主要通过作用于细菌的细胞膜上来表达毒性(图2(a))。多肽类抗生素PMX的靶标是在膜的脂多糖(LPS)组件上,通过与LPS的脂质A成分直接相互作用来透化细菌外膜OM,随后插入并破坏内膜磷脂双分子层的物理完整性,使细胞内成分外漏而造成细菌死亡[19-20]。表面活性剂DTAB由于其分子中疏水的碳氢长链容易插入到细胞膜磷脂双层,从而引起细胞膜损伤,最终导致细菌死亡[21]。β-内酰胺类抗生素PVP和糖肽类抗生素VA主要通过作用于细菌的细胞壁上来发挥其抗菌性(图2(b))。β-内酰胺类抗生素PVP主要靶位为青霉素结合蛋白(PBPs),由于其结构可充当粘肽D-丙氨酰-D-丙氨酸(D-Ala-D-Ala)的末端的-CO-N-,从而竞争性地与PBPs结合,阻碍了细菌细胞壁肽聚糖生物合成,使细胞的外形难以维持,引起溶菌,最终导致细菌死亡[22-23]。糖肽类抗生素VA通过与D-Ala-D-Ala末端的肽聚糖前体小肽特异性结合,抑制细菌细胞壁肽聚糖的延伸与交联,从而使细菌细胞发生溶解死亡[24]。唑啉类杀菌剂MIT的抗菌机理(图2(c))区别于其他抗菌剂的作用机理,其主要通过断开微生物细胞中的蛋白质键,并迅速与之发生作用,从而抑制细胞呼吸和ATP的合成,最终导致细菌死亡[25]

      氨基糖苷类抗生素GEN、四环素类抗生素TC和大环内酯类抗生素ERY主要通过作用于核糖体来发挥其毒性(图2(d))。氨基糖苷类抗生素GEN穿过细胞后,与核糖体30s亚基的氨基酰-tRNA位点(A位点)的密码子-反密码子识别区附近的保守序列结合,从而导致翻译的准确性下降,最终抑制细菌蛋白质的合成,导致细菌死亡[26]。四环素TC进入细菌胞后作用于核糖体中提供遗传密码翻译场所的30S亚基上,通过阻止氨基酰–tRNA与A位点结合,从而抑制蛋白质合成[27-28]。大环内酯类抗生素ERY可以与50S亚单位结合从而抑制50S核糖体大亚基的形成,进而阻碍50S大亚基内的催化肽酰转移反应,最终导致蛋白合成能力降低,抑制细菌生长[29-30]

    • AgNO3和AgNPs与8种有机抗菌剂的二元联合(1∶1、1∶5和5∶1毒性比)毒性实验结果如表2所示,结合实验结果绘制抗菌剂联合作用的TU分布图(图3),可以看出,AgNO3和AgNPs与多肽类抗生素PMX、表面活性剂DTAB、β-内酰胺类抗生素PVP和唑啉类杀菌剂MIT对E.coli在所有毒性比的联合作用下呈现相加效应,而与糖肽类抗生素VA混合作用会产生较弱的协同效应(TU值越大协同效应越弱)。同时,AgNO3和AgNPs与氨基糖苷类抗生素GEN在所有毒性比(1∶1、1∶5和5∶1)混合作用下均产生了明显的协同效应,与四环素类抗生素TC和大环内酯类抗生素ERY在1∶1和1∶5毒性比的作用下呈现协同效应。

      为了探究联合毒性实验中银系抗菌剂中的主要抗菌因子,对这8种有机抗菌剂分别与AgNO 3和AgNPs在1∶1、1∶5和5∶1毒性比联合作用的TUAgNO3TUAgNPs进行了回归分析:

      通过线性回归分析发现,TUAgNO3TUAgNPs之间有较好的相关性(R2=0.703,P>0.01)。因此,推测在本研究的联合毒性实验中AgNO3和AgNPs在混合体系中的抗菌性可能也主要Ag+来发挥其毒性作用。

      基于AgNO3和AgNPs与8种有机抗菌剂的二元联合毒性实验结果,可以看出氨基糖苷类抗生素GEN与银系抗菌剂的联合在所有毒性比混合下均呈现协同效应。那么银系抗菌剂与其他的氨基糖苷类抗生素联合可以产生协同效应吗?它们的联合协同机制又是怎样的呢?这些问题还有待进一步的讨论。因此,需进一步开展银系抗菌剂与多种氨基糖苷类抗生素的联合毒性效应研究。

    • 为了探索银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素联合协同作用是否具有普遍性,选择5种氨基糖苷类抗生素(STR、NEO、TM、KAN和ISE)与AgNO3和AgNPs在1∶1、1∶5和5∶1毒性比联合的毒性作用,5种氨基糖苷类抗生素的单一毒性如表1中所示,其中,毒性最大的为妥布霉素TM,其−lgEC50为6.36 mol·L−1。这5种氨基糖苷类抗生素的毒性大小排序为:TM>NEO>STR>ISE>KAN。

      银系抗菌剂与这5种氨基糖苷类抗生素联合毒性实验结果如表3所示,结合实验结果绘制抗菌剂联合作用的TU分布图(图4)。可以看出,AgNO3和AgNPs与4种氨基糖苷类抗生素(TM、NEO、STR、KAN)对大肠杆菌的二元联合效应在1∶1、1∶5和5∶1毒性比混合时均呈现协同效应。而AgNO3和AgNPs与氨基糖苷类抗生素ISE在1∶1、1∶5和5∶1毒性比混合时基本呈现相加效应,且ISE仅与AgNPs(5 nm)在1∶1毒性比混合作用呈现协同效应。

    • 基于以上的实验研究可知,银系抗菌剂与大部分的氨基糖苷类抗生素对大肠杆菌的二元联合毒性作用呈现协同效应。结合银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素单一毒性作用机制,银系抗菌剂的主要抗菌因子Ag+的作用靶点在蛋白酶上,使蛋白质无法有效分解,导致细菌死亡。而氨基糖类抗生素通过作用在核糖体上,最终抑制细菌蛋白质的合成,从而发挥其毒性。银系抗菌剂与氨基糖类抗生素的二元混合体系共同阻碍了蛋白质的合成与降解,破坏了蛋白质合成与代谢的整个过程。因此,推测银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素的联合协同效应可能是由于它们单一毒性作用的靶蛋白具有通路一致性,从而相互促进,共同作用产生协同作用(图5)。

      此外,结合AgNO3和AgNPs与5种氨基糖苷类抗生素联合毒性结果(图4),可以看出AgNO3和AgNPs与氨基糖苷类抗生素在1∶1和5∶1毒性比混合时比1∶5毒性比混合作用呈现更强的协同效应(TU值越小表明协同效应越强),基于Herisse等[31]的研究所表明的Ag+可以增加大肠杆菌对氨基糖苷类抗生素的吸收,推测在AgNO3和AgNPs与氨基糖苷类抗生素混合体系中,银系抗菌剂的主要抗菌因子Ag+可能会促进大肠杆菌摄入更多的氨基糖苷类抗生素的从而产生更强的协同效应。

      基于上述研究,可以看出将具有作用通路一致性的银系抗菌剂和氨基糖苷类抗生素混合能够达到协同抗菌的目的。此外,在本文研究中,四环素类抗生素TC和大环内酯类抗生素ERY也都是通过作用于核糖体来表现毒性效应,而它们与银系抗菌剂的联合毒性也能在很大程度上表现出协同效应,这也进一步印证了作用通路一致性对于抗菌剂联用表现协同效应的重要性。因此,在今后的临床治疗中可以考虑银系抗菌剂与作用在核糖体上的抗菌剂联合用药。同时还可以进一步探索作用靶蛋白具有通路一致性的其他种抗菌剂之间的联合效应,以期可以寻找更多的抗菌治疗方案以提高抗菌剂抗菌疗效,并减少细菌耐药性问题。

      本文所研究的受试生物为大肠杆菌,而大肠杆菌作为一种革兰氏阴性菌,其细胞壁有一层外膜,由脂蛋白、β-barrel蛋白、脂多糖和磷脂等组成。研究表明,革兰氏阴性菌的病原能力通常与其细胞壁组成相关,同种抗菌剂对于革兰氏阴性菌可能具有类似的抑菌效果[32]。因此,本文研究的银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素对大肠杆菌的协同作用与机制,可以为常见的克雷白杆菌、绿脓杆菌、流感嗜血杆菌和沙门氏菌等革兰氏阴性菌的感染治疗提供参考。革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的细胞壁组成成分和结构不同,使得这两类细菌对于抗菌剂会产生不同的敏感性。对于金黄色葡萄菌、链球菌、肠球菌和利斯特菌等常见的革兰氏阳性菌,本文研究的银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素的联合抗菌效果还需要开展相关的毒性实验进行探索验证。

      此外,本文所研究的银系抗菌剂和多种有机抗菌剂的联合效应可以为环境中抗菌剂混合暴露的风险评价提供依据。抗菌剂主要通过医疗废水、生活污水、生产厂家以及畜禽和水产养殖业等废弃排放进入生态环境中,并通过食物链在整个环境中产生毒害作用,对微生物、水生生物和人类造成潜在危害[33-34]。同时,多种抗菌剂在进入环境后会存在联合暴露的可能,而抗菌剂以不同种类和不同比例联合暴露时可能会产生不同的联合毒性作用。基于本文的研究结果,可以推测银系抗菌剂与不同的有机抗菌剂以不同比例在环境中混合暴露是可能会造成不同程度的环境风险,而银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素由于作用靶蛋白的通路一致性在环境中联合暴露时可能会带来更大的环境风险。因此,当作用靶蛋白具有通路一致性的抗菌剂在环境中联合暴露时,其环境风险值得研究与关注。

    • (1)AgNO3和AgNPs无论在单一毒性实验中,还是与有机抗菌剂的混合作用中,它们都主要通过释放Ag+来发挥其对E.coli的毒性作用。

      (2)不同有机抗菌剂与银类抗菌剂混合会产生不同的联合效应,其中氨基糖苷类抗生素与银系抗菌剂联合作用呈现更好的联合抗菌效果,且混合体系中银系抗菌剂占比更多时,其协同效应更强。

      (3)银系抗菌剂与氨基糖苷类抗生素的协同作用机制可能是由于作用在蛋白酶上的银系抗菌剂与作用在核糖体上的氨基糖苷类抗生素的二元混合体系共同阻碍了蛋白质的降解与合成,它们的作用靶蛋白具有通路一致性。本研究能够为探索更多抗菌剂的联合协同治疗方案以及评价多种抗菌剂在环境中可能产生的混合暴露风险提供参考依据。

    参考文献 (34)

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