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細菌代謝調節劑可作為抗生素增效劑以對抗耐受病原菌引起的感染

2021-06-16 10:41:40 來源：中國科學報

近年來，一種新的抗性機制——細菌的抗生素耐受性受到廣泛關注。抗生素耐受性是指基因型敏感的細菌卻能抵抗抗生素的治療。由于缺乏定量指標，抗生素耐受性在臨床上并不容易區分，因而往往被忽視。

近日，《自然—微生物學》在線發表了揚州大學獸醫學院教授王志強等人關于高脂飲食誘導抗生素耐受性形成的機制研究。他們發現，細菌代謝調節劑可以作為潛在的抗生素增效劑，用以對抗耐受病原菌引起的頑固性感染。

被忽視的抗生素耐受性

王志強介紹，抗生素耐藥性與抗生素耐受性不同。前者指細菌具有某些特定的耐藥基因，可以表達耐藥酶或激活外排泵等對抗抗生素，這種細菌既具有耐藥基因，又具有相應的耐藥表型。而后者指細菌并沒有攜帶任何特定的耐藥基因，從基因型上看屬于敏感菌。但這類細菌卻能抵抗抗生素的殺滅作用，即具有耐藥表型。

論文第一作者和共同通訊作者、揚州大學教授劉源在接受《中國科學報》采訪時說，抗生素耐藥性可以通過基因組學分析和最小抑菌濃度（MIC）實驗進行判定：抗生素耐藥菌不僅具有相應的耐藥基因，而且MIC也會顯著升高。

“常規篩查方法和用藥策略幾乎全部專注于抗生素耐藥性。”劉源說，而抗生素耐受性的判定目前沒有絕對的定量指標。但在殺菌實驗中，抗生素耐受菌和敏感菌的表現截然不同。通常，可以通過固定抗生素作用時間看細菌總菌落數的降低值，初步判定抗生素耐受性。

即便如此，抗生素耐受性在臨床上沒有受到充分關注和重視。論文作者、揚州大學教授李瑞超告訴《中國科學報》，抗生素耐受菌可以抵抗抗生素的殺滅作用，一直存在于體內，并導致慢性感染和復發性感染。

2017年，《科學》報道，抗生素耐受性還會促進抗生素耐藥性的進化和發展。

王志強解釋說，由于耐受性細菌在高濃度抗生素存在的環境中存活時間較長，因此獲得抗性突變的機會更大。科學家已經證實，耐受性會先于耐藥性出現，并且耐受性會增加耐藥性突變在群體中傳播的機會。

“防止耐受的演變可能為延遲耐藥性的出現提供新策略，降低耐受性的新藥或藥物組合可能會幫助減緩耐藥性的進化。”王志強說。

腸道菌群的微妙作用

早在2011年，《科學》就報道了饑餓導致的嚴謹反應和某些特定細菌產生的硫化氫會介導抗生素耐受性的形成。

但是，“關于抗生素耐受性形成的原因及其誘導因素，尤其是其在體內發生的機制，尚不清楚。”李瑞超說。

“隨著人們生活水平的提高，高脂飲食已成為一種重要的日常膳食方式，伴隨著肥胖、II型糖尿病等相關代謝疾病的發生。”王志強告訴《中國科學報》，高脂飲食對于細菌感染性疾病抗生素治療的影響還不清楚。于是，他們調查了高脂飲食和抗生素耐受性之間的相關性。

“我們研究發現，相較于正常飲食小鼠，高脂飲食小鼠感染后對殺菌抗生素治療的敏感性降低。”劉源介紹，他們對飼喂64天高脂飲食的小鼠進行腹腔感染，之后2小時實施灌胃抗生素治療，感染24小時后測定肺組織中細菌的數量。

結果發現，正常飲食小鼠肺組織中細菌數量的降低值高于高脂飲食小鼠，這表明后者感染后對殺菌抗生素治療的敏感性降低。

基于該結果，研究人員首先對比評價了抗生素在正常飲食和高脂飲食小鼠之間的藥代動力學差異，發現抗生素活性差異并不是由于藥物代謝動力學的影響。

接著，他們通過對高脂飲食小鼠進行腸道菌群清除實驗發現，腸道菌群被清除后，高脂飲食對小鼠產生的抗生素耐受性影響也消除了。相應的，移植了高脂飲食小鼠糞便的正常飲食小鼠的抗生素有效性顯著降低。以上結果表明，高脂飲食可能通過影響腸道菌群的組成進而改變了代謝物豐度。

“我們通過實驗發現腸道菌群在這個過程中發揮了關鍵作用，然后再去找變化的腸道菌群。”劉源說。

發現一種有效

通過多樣性分析，研究人員發現，相較于正常飲食小鼠，高脂飲食小鼠的腸道中，擬桿菌科和艾克曼菌數量顯著降低，而毛螺菌科細菌顯著增多。

劉源告訴《中國科學報》，擬桿菌科是人類腸道中的共生菌，為身體提供必需的營養。毛螺菌是腸道中含量豐富的專性厭氧菌，參與多種碳水化合物的代謝。

艾克曼菌又叫嗜黏蛋白艾克曼氏菌，是人類腸道中唯一可貯備與分解黏蛋白、生成碳氮因子的益生菌。近年來研究人員發現，艾克曼菌不僅對糖尿病、肥胖和心血管病有一定預防效果，還能夠增強癌癥免疫治療效果。

已有研究表明，擬桿菌科細菌是吲哚乙酸生物合成的關鍵菌株。他們推測，在高脂飲食小鼠腸道菌群中，擬桿菌科細菌數量的降低可能是導致吲哚乙酸含量降低的重要原因。

“我們的研究發現，吲哚乙酸可以激活細菌代謝。主要表現為，吲哚乙酸作用后，細菌能量貨幣ATP和活性氧水平顯著升高，從而阻止了耐受菌株的形成，并幫助抗生素清除耐受菌。”李瑞超說。

受到研究結論的啟發，他們在高脂飲食小鼠的腹膜炎保護模型中，使用細菌代謝調節劑吲哚乙酸和環丙沙星共同方案，取得了很好的治療效果，顯著提高了小鼠存活率。

不過，劉源強調，關于高脂飲食中艾克曼菌的降低、毛螺菌的升高在抗生素耐受性形成中發揮的作用，有待進一步研究。

除了吲哚乙酸，還有哪些代謝物的改變會影響抗生素耐受性的發生和發展？其潛在的作用機制是什么？李瑞超認為這些問題是他們下一步研究的重點。

劉源說：“我們的研究不僅揭示了高脂飲食在細菌感染性疾病治療中的潛在危害，而且表明細菌代謝調節劑可以作為潛在的抗生素增效劑對抗耐受病原菌引起的頑固性感染。”

“想將從小鼠模型中得到的結論用到其他哺乳動物身上，中間還有很長的路要走。”王志強補充說，“但是更健康和更均衡的膳食方式必然對我們的健康大有裨益。”