脂肪酸：待开发的抗菌化合物宝库

脂肪酸（FAs）在各种生命形式中广泛存在，暗示其在自然界中发挥重要作用。脂肪酸已成为传统抗菌物质的潜在替代品。由于许多微生物对各种天然和合成的FAs的反应不同，人们已经做出了大量的努力来了解FAs的独特特性。近日，Kumar等在《Trends in Microbiology》发表综述文章“Fatty Acids as Antibiofilm and Antivirulence Agents”，阐述了脂肪酸高剂量下作为抗菌剂发挥作用、在低剂量下作为生物膜抑制剂发挥作用相关机制。

以生物膜为靶点控制脂肪酸微生物侵染

病原体形成生物膜，能够抵抗抗菌剂和宿主免疫系统，有必要寻找不给微生物施加任何选择压力的替代策略，而只针对它们形成生物膜和产生毒力因子的能力。已确定各种生物活性化合物可用于此目的，这些不同来源的化合物（植物、海洋、微生物或合成）大多数为群体感应（QS）抑制剂，诱导生物膜扩散。

最近，鉴定出几种脂肪酸选择性地抑制或破坏各种微生物病原体的生物膜形成。此前研究主要集中在FAs的抗菌作用和相关的潜在机制。FAs的抗生物膜和抗病毒方面以前既没有被关注也没有被评论过。FAs的多样性以及它们阻止病原菌定殖和侵染的能力非常引人。证据表明，它们通过抑制QS调节基因的表达发挥作用，特别是与毒力（例如毒素、菌毛、菌丝等的合成）和其他非QS靶点（涉及外排泵、氧化应激和麦角甾醇合成的蛋白质）相关的基因。据报道，FAs可降低群集运动性、粘附性、毒力和鞭毛活性，并激活诱导生物膜分散的应激调节子，使其对抗菌作用敏感。低于最低抑制浓度时，FAs作为抗生物膜剂发挥作用，而在较高水平时，FAs作用于多个细胞靶点，并表现出非特异性广谱抗菌作用。

FAs在各种生物体中的重要性

脂肪酸是细胞膜的重要成分，也是合成三酰甘油酯、酯、磷脂和胆固醇的基本底物。这些普遍存在的两亲性分子由长碳链和末端羧基组成。细菌、酵母、藻类、昆虫、鱼类、植物和其他生物体合成并经常利用各种饱和和不饱和脂肪酸来控制附近的微生物种群和/或保护它们免受病原体的侵害。植物易受病原微生物的侵染，造成巨大的作物损失。FAs在调节基础、效应物触发和系统性植物免疫中的直接作用（以及其他被动作用，如植物激素或表皮成分前体的合成）已被广泛报道。天然油之间的脂肪酸组成差异很大，表明其性质的多样性。植物精油（包括FAs）的疏水成分作为植物的第一道防线，因为它们对广谱微生物具有抗菌作用。此外，据报道，单独或联合使用的精油成分可抑制ATP酶活性和ATP生成。因此，几十年来，人们一直在研究FAs及其衍生物，以开发有前途的抗菌化合物。由于其两亲性，其抗菌作用的最合理机制涉及细胞膜破坏和细胞内代谢物泄漏。除了细胞裂解外，FAs还通过干扰电子传递链系统的组成部分和阻止营养吸收来减少能量产生。FAs的氧化产物也对细胞有毒，因为FA降解产物诱导细胞内的过氧化或自动氧化。然而，已知一些类似FAs的亚油酸（顺式，顺式-9,12-十八碳二烯酸）会抑制参与FA生物合成的酶（FabL），从而对微生物细胞膜完整性产生负面影响。FAs的物理性质取决于碳饱和度、链长、分子构型、氢化和羟基化。碳链中的不饱和度水平显著影响微生物的膜流动性和抗菌敏感性。

除了抗菌活性外，植物、鱼类和肉类的精油和提取物也表现出抗生物膜的潜力，其中生物活性成分主要是FAs和其他化合物，如酚类、生物碱、黄酮类、萜类及其衍生物。从不同生物体（如绿瓶蝇幼虫、鲱鱼和绞牛肉）中提取的FAs影响各种病原体的生物膜形成能力。因此，大自然以FAs的形式为生物体提供了独特的工具，使它们能够在潜在的致命挑战中生存。

FAs作为信号分子和生物膜控制化合物

除了作为细胞的重要结构成分外，FAs作为控制生物膜形成的信号的独特能力使其成为具有吸引力的生物分子。例如，由野油菜黄单胞菌产生的顺-11-甲基-2-十二烯酸是可扩散信号因子（DSF）家族的第一个成员，该家族的信号被发现通过控制胞外酶（包括参与胞外多糖（EPS）降解的内切葡聚糖酶）的合成来诱导自身生物膜的分散。随后，各种DSF（框2）和DSF样分子已被确定，此类分子的列表仍在扩大。顺-2-癸烯酸是铜绿假单胞菌分泌的另一种广泛研究的化学信使。它诱导形成的生物膜扩散，并抑制几种微生物形成的生物膜，包括铜绿假单胞菌本身。顺-2-癸烯酸通过多种活动在大肠杆菌和铜绿假单胞菌的持续细胞内启动代谢活动，包括修复/降解不需要的蛋白质、激活蛋白质合成和细胞生长、细胞膜修复和ATP生成。值得注意的是，DSF和几种饱和和不饱和脂肪酸在结构和功能上相似。

很明显，在低剂量（亚毫摩尔浓度）下，FAs倾向于充当抗生物膜剂。此外，酰基链长度具有一定意义，因为C8至C14脂肪酸似乎比其他脂肪酸更有效。也有人认为，除了影响脂肪酸代谢和其他代谢活动外，一些脂肪酸还可能作为分子信号发挥作用。因此，研究FAs的抗生物膜活性将是一件有趣的事情，FAs因其抗菌特性而广为人知。这种重新调整用途的策略已经应用于许多领域，以节省时间和成本，从而寻找新抗菌化合物。

饱和脂肪酸作为抗生物膜剂

饱和脂肪酸（C8至C18）在自然界中非常常见，并作为活性剂发挥作用，控制生物膜。辛酸干扰MrkA和GalF蛋白质，这两种蛋白质分别与生物膜和荚膜形成有关。布拉氏酵母菌培养物乙酸乙酯提取物中的癸酸（癸酸）有效地抑制了酵母菌到菌丝的转化、粘附和白念珠菌生物膜的形成，而不会阻碍真菌的生长。铜绿假单胞菌的热稳定分泌化合物（癸酸及其衍生物，结构类似于DSF）在共培养中可显著减少烟曲霉的分生孢子和菌丝生长。铜绿假单胞菌ΔlasI突变体的培养上清液（QS信号合成受损）也有效，表明除QS信号外的癸酸抑制烟曲霉丝状化和生物膜形成。已知铜绿假单胞菌分泌的癸酸、癸醇和顺-2-癸烯酸通过环腺苷酸控制的Ras1-Cdc35途径上调YWP1（一种酵母型壁蛋白1）和真菌转录因子（菌丝抑制因子、NRG1和TUP1），并影响其他基因的表达，FAs最终减少了白色念珠菌的菌丝和生物膜形成。基因表达分析表明，癸酸可能通过抑制HWP1（菌丝特异性细胞壁蛋白1）和EFG1（cAMP-PKA的阳性调节因子）作为法尼醇（已知的生物膜抑制剂）的类似物发挥作用。

此外，月桂酸（十二烷酸）、肉豆蔻酸（十四烷酸）、棕榈酸（十六烷酸）和硬脂酸以剂量依赖性方式抑制奇异芽胞杆菌的群集活动。对其他几种饱和脂肪酸，包括支链脂肪酸，也进行了针对条件致病菌铜绿假单胞菌PAO1的试验。10μg/ml剂量的12-甲基十四烷酸对铜绿假单胞菌的多种细胞活动产生负面影响，包括游动、群集和生物膜形成能力。其他支链FAs，尤其是13-甲基十四酸、14-甲基十六酸和15-甲基十六酸，也被发现能有效抑制群集运动而不影响生长。由于生物膜形成与群集运动之间存在密切关系，推测FAs能够调节各种细胞过程，导致鞭毛运动和EPS产生受损，从而在远低于MIC的浓度下影响群集和生物膜形成。

除纯FAs外，富含FAs的提取物也具有抗生物膜特性。

不饱和脂肪酸作为抗生物膜剂

油酸抑制铜绿假单胞菌的群集运动和绿脓菌素的产生，表明其作用模式也可能涉及基于rhl（QS信号合酶）的信号。顺-9-十八烯酸和DSF（顺-2-癸烯酸和顺-11-甲基-2-十二烯酸）之间的结构相似性也可能是其抗生物膜活性的一个可能原因，因为铜绿假单胞菌中可能存在具有不同信号特异性的DSF传感器。其他不饱和脂肪酸，如十四烯酸（顺-9-十四烯酸）和棕榈烯酸（顺-9-十六烯酸），最近被报道为有效的抗鲍曼不动杆菌生物膜剂。

饱和和不饱和FAs均可通过FA激酶依赖的途径结合，最终影响菌的膜流动性。生物膜细胞膜内饱和FAs的较高掺入作为一种适应性应激反应，表现为膜流动性的降低和与环境的分子交换。事实上，膜流动性在压力条件下被重新编程，因为生物膜细胞中的FA成分与生物细胞中的FA成分不同。相反，细胞膜内不饱和FAs的较高掺入增加了磷脂组分的不饱和指数，诱导了应激调节，增加了代谢活性。

FAs的潜在分子靶点

人们已经研究了多种FAs来控制生物膜，但确切的机制还不清楚。基于QS系统、毒力因子和差异表达基因的转录组学分析的间接评估已经揭示了相关的可能机制。在某种程度上，FAs的抗生物膜作用可归因于其改变气液界面的能力，因为其疏水性阻止了生物膜形成的初始粘附步骤。低浓度（10–50μg/ml）的FAs模拟DSF家族信号，从而对生物膜形成产生负面影响。FAs还阻断或影响DSFs、AHL和AI-2信号，因此阻碍生物膜的形成。事实上，FAs可能对微生物细胞产生多种影响，并通过影响粘附表面、改变细胞膜流动性、减少EPS、菌毛或菌丝形成以及调节QS系统来影响生物膜的形成。FA摄取可能通过被动扩散发生，或由膜蛋白FadL或其类似物促进。一旦进入细胞，FAs会影响大量的基因/蛋白质，这取决于FAs和目标微生物。

脂肪酸的抗生物膜和抗病毒活性

例如，癸酸抑制EFG1的表达，EFG1是白色念珠菌HWP1（菌丝形成）的正调节因子。FAs参与了一些独立于QS的毒力途径，如麦角甾醇合成、氧化应激和鞘脂代谢。例如，负责菌丝形成的关键蛋白HWP1的水平被肉豆蔻酸下调，同时其转录抑制因子TUP1和NRG1的表达增加。与其他致病性决定因素（ERG9、ERG1、CHS3和CHT4、MTS1、SIT4）相关的基因也被肉豆蔻酸下调。癸酸、顺-2-十二烯酸、肉豆蔻酸和花生四烯酸破坏了白色念珠菌的形态转变，尤其是菌丝形成，导致真菌毒力降低。

FA作为抗生物膜剂开发面临的挑战

FAs的抗生物膜和抗菌性质在很大程度上取决于浓度，在任何给定环境中选择FA水平都很重要。通常，抗菌效果、抗生物膜效果（生物膜抑制与生物膜清除）和QS抑制效果之间没有差异，在许多情况下，这三者之间存在内在联系。此外，FAs的现实意义需要解决与溶解性、疏水性、气味和毒性相关的挑战。其中一些限制可以通过开发共轭FAs、药物递送装置、聚合物纳米胶囊、纳米载体系统和脂质体来解决。基于壳聚糖的药物递送装置因其脂质结合特性和生物相容性而具有吸引力。

值得注意的是，QS分子（DSF）具有与FAs相似的化学结构。FAs作为DSF模拟物应通过进一步的研究加以阐述，如用FAs测试QS控制的表型，用FAs对QS受体进行蛋白质建模，以及比较DSF、其他QS分子和FAs的基因表达。

结束语和未来展望

FAs在所有生命形式中的广泛分布强调了保护作用的重要性，保护作用在自然界中不仅作为抗菌剂，而且作为控制微生物生物膜和毒力的生态调节剂。此外，低剂量（低于MIC水平）的FAs的非杀菌特性表明它们本质上是安全的，不太可能产生抗药性。在分子水平上全面了解FAs的抗生物膜活性至关重要。最近的转录组学和蛋白质组学方法发现了FAs的几个分子靶点，但FAs与这些靶点的确切分子相互作用尚不清楚。有70多种天然脂肪酸，数千种天然来源以蜡、油等的形式存在。因此，未开发的FAs多样性可能是一个重要的储备资源，应该利用它来扩大我们的抗微生物生物膜化合物库。在不久的将来，鉴定FA特异性及其各自的分子作用将有助于控制病原体。由于现实世界充满了微生物的相互作用，因此有必要研究FAs对多微生物（混合培养）生物膜的影响。对基于FA的抗生物膜剂的研究不断深入，这将为我们在对抗微生物病原体的斗争中设计新的工具铺平道路。