基于化学成分-抗菌功效关联的百里香精油凝胶敷料开发及其在慢性伤口生物膜治疗中的应用研究

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Linking chemical-composition to antimicrobial efficacy: development of an essential oil-based topical gel prototype

本研究针对抗菌素耐药性(AMR)背景下慢性伤口感染治疗的临床挑战，通过系统筛选唇形科植物精油，发现百里香精油(Thymus vulgaris/Thymus zygis)对铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)表现出最优的抗菌/抗生物膜活性。研究人员采用热脱附-气相色谱-质谱联用(TD-GCMS)技术解析活性成分，并成功构建Laponite基水凝胶递送系统。动态生物膜模型验证表明，百里香凝胶能实现2.2-2.9 log的病原菌杀灭效果，为天然抗菌制剂临床转化提供了新策略。

　　

随着抗菌素耐药性(AMR)问题日益严峻，慢性伤口感染的治疗正面临巨大挑战。在全球范围内，伤口感染影响着超过380万人的健康，其发病率已与糖尿病和心血管疾病相当。然而，这一健康危机却长期被忽视。慢性伤口最棘手的特征在于细菌生物膜的形成——这种由微生物聚集形成的保护性基质可使细菌对抗菌药物的耐受性提高10-1000倍，导致常规治疗效果显著下降。

面对这一困境，自然界中的植物活性成分展现出巨大潜力。唇形科植物（如百里香、迷迭香、罗勒等）提取的精油已被证实具有广谱抗菌活性，但其临床转化仍存在多重障碍：化学成分波动大、缺乏标准化制剂、潜在毒性担忧，以及挥发性成分难以在伤口局部维持有效浓度。尽管有大量研究报道精油的体外抗菌效果，目前仅有麦卢卡蜂蜜在1999年成功转化为医疗级伤口治疗产品。如何将实验室数据转化为临床可用的治疗方案，成为研究人员亟需破解的难题。

为攻克这一难题，卡迪夫都会大学的研究团队开展了一项系统性研究，旨在建立精油化学成分与抗菌功效之间的关联，并开发出具有临床应用潜力的精油凝胶敷料。相关成果已发表于《Applied Microbiology and Biotechnology》期刊。

研究人员采用了几项关键技术方法：通过微量肉汤稀释法测定最小抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC)；使用结晶紫染色法评估最小生物膜抑制浓度(MBIC)；应用热脱附-气相色谱-质谱联用(TD-GCMS)技术全面解析精油化学成分；基于Laponite RD合成粘土构建水凝胶递送系统；最后在定制流动系统中建立动态慢性伤口生物膜模型，模拟真实伤口环境(33°C)验证制剂效果。

抑制和杀菌活性分析

通过对10种唇形科精油的筛选，研究发现百里香精油对两种伤口病原菌表现出最强的抑制效果。红百里香B(Thymus vulgaris)对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的MIC值均为0.6 mg/mL，MBC值分别为2.2 mg/mL和0.6 mg/mL。根据MBC/MIC比值≤4判定为杀菌剂的标准，七种精油显示出杀菌活性，其中百里香精油最为突出。

抗生物膜活性评估

在生物膜抑制实验中，红百里香(A和B)和白百里香(B)对两种病原菌均表现出最强的抗生物膜活性，能够完全抑制生物膜形成(MBIC值为0.6-1.2 mg/mL)。而罗勒、快乐鼠尾草(A)和迷迭香等精油则未能达到完全抑制效果，仅能减少12.8%-43.6%的生物膜生物量。

化学成分解析

TD-GCMS分析揭示了精油化学成分的复杂性。研究发现，高效力精油中普遍含有2-异丙基-4-甲基苯酚(o-百里香酚/香芹酚)和百里香酚等活性成分。值得注意的是，六种精油中含有化妆品常用润肤剂（异丙基肉豆蔻酸酯和异丙基棕榈酸酯），这些成分可能降低抗菌效力。白百里香(A)是唯一含有润肤剂的百里香精油，其MIC值(37.5 mg/mL)显著高于其他百里香精油，支持了这一假设。

成分与活性关联

通过ChromMineTM聚类分析，研究人员发现具有相似化学组成的精油在抗菌活性上呈现明显聚类。聚类2（红百里香油）和聚类3（白百里香油）因含有百里香酚或其异构体而表现出最强杀菌活性，而与聚类1（快乐鼠尾草A）明显分离。这一发现表明，化学成分分析可有效预测精油的抗菌潜力。

百里香精油水凝胶的效能

基于上述结果，研究人员选择红百里香(B)和白百里香(B)精油制备Laponite水凝胶。抑菌圈实验显示，白百里香(B)凝胶在8×MIC浓度下对金黄色葡萄球菌的抑菌圈达到24.87 mm，显著优于商业对照药物新孢霉素(Neosporin)。值得注意的是，尽管红百里香(B)精油含有更高比例的水不溶性o-伞花烃(29.9%)，可能限制其扩散能力，但白百里香(B)凝胶表现出更优的体外效果。

动态生物膜模型验证

在模拟慢性伤口环境的流动系统中，两种百里香凝胶均表现出显著的抗菌效果。处理后24小时，红百里香(B)凝胶使铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌分别降低2.33 log和2.36 log；白百里香(B)凝胶则分别降低2.94 log和2.71 log。至72小时，这种杀菌效果得以维持，两种凝胶之间无统计学显著差异。这一结果与静态实验预测相反，凸显了环境因素对抗菌剂效能评估的重要性。

研究结论表明，百里香精油的抗菌活性不仅取决于主要成分（如百里香酚异构体），还受到微量成分的显著影响。通过将化学分析与功能验证相结合，本研究成功开发出具有持续抗菌/抗生物膜活性的百里香精油水凝胶。更重要的是，研究揭示了简化体外 assays 在预测真实世界抗菌性能方面的局限性，强调了在临床相关模型中验证天然产物制剂的重要性。

这项研究的创新之处在于突破了传统还原论研究的局限，建立了从化学成分分析到制剂开发再到功能验证的完整研究链条。百里香精油凝胶展现出的持续释放特性和对生物膜的有效穿透能力，为耐药菌感染提供了有前景的解决方案。未来，通过标准化提取工艺和控制环境因素，有望生产出化学成分明确、疗效稳定的精油制剂，加速天然抗菌产品向临床应用的转化。