稀土配合物抑菌作用探究进展

稀土配合物抑菌作用的研究进展
潘洁明
广西玉林师范学院
摘要：稀土元素是21世纪具有战略地位的元素、凭借其独特的光、电、磁等物理化学特性,广泛应用于国民经济和国防工业的各个领域。

[1] 最近几年,新型稀土抗菌材料,由于其具有毒副作用小、低毒、热性能好以及广谱抗菌活性,越来越受到人们的关注。

我国稀土含量丰富,约占世界稀土资源总量的80%。

[2] 近年来,因为稀土元素及其配合物具有独特的生理生化特性,同时还有很好的抗菌、消炎、抗肿瘤的功效,稀土配合物不断被合成并应用于生物、医药领域中。

稀土的作用机理倍受关注。

现在，人们已逐渐认识和证实稀土离子具有抑菌作用，但是,稀土离子的抑菌作用不强,较常用的抗生素、消毒剂、化学杀菌剂弱,而且低浓度的稀土对有些菌的生长没有抑制作用。

人们从稀土元素和配合物对细胞壁、生物膜、蛋白质、遗传物质的影响等方面,对其抑菌机理和研究方法进行了总结,综述了稀土离子及其配合物对微生物生长产生的抑制作用。

关键词：稀土元素，配合物，抑菌作用，机理，研究方法
稀土元素(Rare-Earth),其特征是内层的4f电子轨道里一个一个的往里填充电子,元素包含处于化学元素周期表里IIIB族的原子序数为57—71的15个稀土元素(La镧、Ce饰、Pr镨、Nd钱、Pm钷、Sm衫、Eu铕、Gd礼、Tb斌、Dy镝、Ho钬、Er辑、Tm链、Yb镱、Lu镥),用Ln代表;另外,III B族的钪(^'Sc)和紀(39Y),由于这两种金属元素的化学性质与镧系元素的化学性质类似,因此,人们常常将Y和Sc与镧系元素归于在一类,统一称之为稀土元素,一般公认稀土元素一共有17种。

.因其性质上的微小差异,又划分为轻稀土(铈组元素)和重稀土(钇组元素)两个部分。

[3] 20世纪以来,稀土在生物领域的应用研究日益受到关注,取得了显著的成绩,其包括用于抗炎、抗菌和抗凝血等医药及植物抗病等领域。

[4] 概述有机稀土抑菌方面的研
究现状。

目前的研究结果显示,有关的研究虽然起步较早,范围较广,但是内容比较零散,缺乏系统性。

1 稀土的历史
稀土的抗菌作用早已引起人们的关注,早在1906年一种商品名为Ceriform的外用杀菌药就已在欧洲市场上出售,其主要化学成分为硫酸铈钾,其他铈盐也具有抑菌能力。

[5] 。

Jancso 等发现钛铁试剂钕、钐化合物具有抗炎性能后,他们将钛铁试剂钕和钐制成的软膏剂型药物称为/Phlog0。

通过试验表明, Phlog中稀土与钛铁试剂的比例为1:2时抗炎作用最大,并且含量为3%的软膏使用效果最佳[6]。

近年来,大量的研究表明,含3%的磺基水杨酸钕和0.1%洗必泰的漱口液,对菌斑的抑制有效,特别在减轻牙龈炎症方面效果很好,说明稀土离子有明显的抗炎作用。

稀土化合物也常表现出其他优越的抑菌性能。

例如,樟脑磺酸、邻菲罗啉与稀土三元配合物对金黄色葡萄球菌、芽孢杆菌和绿脓杆菌等的抑制作用有可能比它们相应的配体和二元配合物有更强的作用。

[7] 近来的研究也表现了同样的结果, 较低浓度稀土化合物溶液具有较好的抑菌作用。

目前,对有机稀土配合物的抑菌、抗菌效果研究主要是集中在合成的有机稀土的二元、三元的配合物上。

2 稀土有机配合物的抗菌机理
现在普遍认同旳抗菌机理是稀土离子与配体的螯合效应有机配体与稀土金属离子相结合形成配合物以后,稀土离子的正电荷部分转移到有机配体上去,螯合物环上的电子产生离域效应,使得金属离子的极性降低,使得配合物的脂溶性增强,因而配合物能更好的穿透过生物细胞膜的类脂层,从而影响细胞的正常新陈代谢。

稀土金属配合物抑菌的另一个可能机理是因为稀土金属配合物通过抑制微生物的断裂氧化性憐酸的作用或者呼吸作用,由此抑制了微生物体内的ATP的制造过程及能量制造过程;另一方面由于稀土离子不仅与细胞碟脂上的幾基有比较强的亲和力,而且和蛋白质肽链上發酸發基也有很强的亲和性,能够稳固到细胞溶酶体膜上和细胞膜上,置换配体,由此来抑制溶酶体释出炎症物质,可以和细菌的RNA里的碟酰基成键
结合,抑制它的核酸酶的功能性和活性,从而使细菌的生长过程受到抑制。

最后Ca2+又是维持细胞正常生理活动的离子,稀土离子具有抗微生物细胞内Ca2+的作用,因此它对细菌细胞正常生命活动造成干扰,引起微生物细胞死亡。

3稀土离子及其配合物的抑菌作用
3.1浓度对抑菌作用的影响
适宜浓度的稀土元素在生长前期对微生物生长有轻微刺激作用,但随着培养时间的延长,促进作用减弱。

提高稀土元素的浓度,对微生物的生长产生抑制作用。

吴士筠等进行了La(Ó)抑菌实验的研究,证明La离子对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌有不同程度的抑制作用,并且抑菌作用与La离子浓度成计量关系。

有文献报道稀土离子La3+400Lg/mL对大肠杆菌有刺激作用,当浓度大于400Lg/mL时对大肠杆菌有抑制作用[9]。

随着稀土配合物的浓度增加,抗菌作用逐渐增加。

这是由于稀土离子与细胞磷脂和肽链上羧基有较强的亲和力,能稳定在细胞膜和溶酶体膜上,从而抑制溶酶体释放炎症物质[10]。

同时,还针对带有其他基团的有机配体和配合物的抑菌活性进行了研究。

3.2配合物对抑菌作用的影响
壳聚糖作为抑菌剂与一般的抑菌剂相比，具有抑菌活性高、广谱、杀灭率高和无毒等优点. 其分子中有亲水性和疏水性基团，即有–NH2、–OH 具有配位能力的基团，可以依靠氢键或盐键形成具有类似网状结构的笼形分子，非常容易和金属离子发生配位作用[11]。

稀土金属离子具有抗炎、杀菌、抗癌、抗凝血、镇痛等药理作用[12]. 将具有壳聚糖和稀土金属两种生物活性的物质通过共价键键联，得到一类新型的目标化合物，该化合物能发挥两者的独特性能或协同效应。

碱土金属和过渡金属离子的壳聚糖配合物的研究报道较多[13]，而稀土壳聚糖配合物的研究报道较少，稀土镧(III)、钕(III)与高分子量壳聚糖膜的配位作用研究发现，壳聚糖分子中的氨基和仲羟基都参与配位的结论[14]。

壳聚糖和稀土离子作为抗菌剂在医药和农药方面已广泛应用[15,16]。

根据《消毒技术规范2006》中对抑菌作用的判断:抑菌
圈直径大于20 mm 表示具有强抑菌效果，抑菌圈在10~20 mm 为中等抑菌，抑菌圈小于10 mm 为弱抑菌,由此可判定配合物的抑菌能力大小。

稀土配合物的抑菌性明显强于配体的并得出其最低抑菌浓度，且配合物具有选择性抗菌性能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有较强的抑菌性. CS Sm 对大肠杆菌的抑菌性最好，而CS Nd和CS Sm 对金黄色葡萄球菌的抑菌性最强。

稀土化合物因其具有特殊生物活性，能对细胞的生长和繁殖起到抑制作用［17］。

采用液相沉淀法合成了稀土席夫碱8-羟基喹啉配合物，通过核磁共振、红外光谱分析了其结构。

通过抗菌实验对所制备的稀土新型三元配合物的抑菌效果进行了研究，结果表明，配合物对大肠杆菌、枯草杆菌和青霉菌均表现出不同程度的抑菌效果，其中对枯草杆菌具有中等的抑菌效果，对大肠杆菌具有强抑菌效果，而对青霉菌的抑菌效果最好。

Gd 配合物、Tb 配合物和Yb 配合物的抑菌效果明显好于La 配合物和Nd 配合物，这说明中、重稀土配合物的抑菌性能好于轻稀土配合物。

水杨酸及其衍生物具有良好的药理功效，可以用于抗菌消炎药物的中间体［18］。

稀土具有抗炎!杀菌等生物活性,以抗炎药物为配体形成的稀土配合物也具有一定的抗炎功能,而且往往具有改进原药效用的功能"二苯轻乙酸具有杀菌和抑制微生物繁殖的作用,它的稀土配合物也有一定抑菌活性"对氨基水杨酸钠(玖SNa.2H2O)是一种抗结核的药物,用于治疗各种结核病,但由于其服用量大,对肠胃道的副作用大等缺点,目前在临床上己趋于淘汰"对氨基水杨酸稀土配合物的毒性比对氨基水杨酸钠的毒性小,抗结核菌的作用比对氨基水杨酸钠的作用要强"李锦州等，合成了吠喃甲酞基毗哇琳酮双希夫碱稀土配合物,配体和Pr 困03)3对实验菌株有一定活性,形成配合物后,抗菌作用增强,活性提高34o/rti74%。

目前，稀土配合物药物治疗方面的研究备受关注，本文将现已研究出的有抗肿瘤活性的稀土配合物分为四大类并总结其相关机制，分别为氨基酸Schiff 碱稀土配合物、喹诺酮类稀土配合物、黄酮醇类稀土配合物和杂环类稀土配合物。

Schiff 碱是一类含有亚胺基( C = N) 的化合物［19］。

20 世纪70 年代曾报道含有Schiff 碱双键的有机化合物具有一定的抗肿瘤
活性，且与金属离子形成配合物后其抗肿瘤作用有所增强［20］。

氨基酸作为生物体内合成蛋白质、激素、酶及抗体的原料，在体内的生物化学过程中起重要作用。

若将氨基酸引入药物分子中，药物的脂溶性会增大［21］，从而药物对细胞的毒性得以缓解［22］。

孔德源等合成了一系列邻香兰醛缩氨基酸Schiff 碱稀土配合物。

结果表明，配体的活性低于稀土配合物的活性，说明稀土在抗肿瘤活性中起到了重要作用。

姜黄素缩二苯胺Schiff 碱稀土配合物和姜黄素缩二( 4-甲基苯胺) Schiff 碱稀土配合物的抑菌效果明显优于单独配体姜黄素和配体姜黄素缩二苯胺Schiff 碱和姜黄素缩二( 4-甲基苯胺) Schiff碱，实验表明，稀土配合物抑菌活性随着浓度的增加而增加，这几种配合物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌均有抑菌性能。

且配合物的抑菌性能强于配体，说明稀土离子对姜黄素的生物活性有一定的促进作用。

4结论
稀土离子对微生物的效应一般表现为,适宜浓度有短时间的轻微刺激作用,提高浓度,对微生物的生长产生抑制作用。

稀土易与氨基酸、蛋白质、咪唑、邻菲咯啉、席夫碱等物质形成的配合物,比稀土离子的抗菌作用显著。

这表明形成稀土配合物后,稀土离子可能与多种配体有协同作用。

配合物对微生物的抑制机理一般从三方面考虑:一是作用于细胞壁和细胞膜系统;二是作用于生化反应酶或其他活性物质;三是作用于遗传物质或遗传微粒结构。

目前机理研究已达到细胞、亚细胞及分子水平。

总的来说，稀土具有抑菌作用，但抑菌作用和范围并不是很强。

不同的配合物具有不同的抑菌特征和特性，稀土和配合物的结合，形成稀土配合物，抑菌作用效果明显增强。

随着研究的进展，稀土配合物的研究不断扩大，从单一的稀土到稀土配合物，从二元配合物到三元配合物，再到四元配合物；达到了对多种菌类的抑制作用，从对一般的细菌，真菌，霉菌等发展到对人体的抗肿瘤，抗癌作用。

5展望
目前，对于稀土化合物抗菌效应的研究和应用对集中在新型的稀土配合物合成以及稀土复合物抗菌材料开发的等方面；一些学者通过传统的微生物学研究方法以及新兴的微量量热
法来研究稀土配合物对微生物生长影响的效应，通过显微技术以及质谱等方法研究了稀土化合物作用后微生物细胞发生的一些变化，从而对稀土的抗菌机理进行了一些比较合理的推测，但不可否认对抗菌机理仍没有确切的整体认识，还要通过进一步的研究来论证。

另外，稀土作为一种抗菌剂，在使用的过程中是否会引起微生物的耐药性；同时，稀土元素是一类金属元素，它的使用是否会引起环境污染以及土壤生态失衡等等，这些问题的深入研究都是非常有意义的。

总而言之，通过多角度进行全面的基础理论研究是对稀土合理有效利用的前提条件。

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