深圳大学基础医学院周凯教授团队发现噬菌体-抗生素协同作用抑制噬菌体抗性新机制

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来源：感染在线

2024-11-29 10:18:33

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核心提示：一项研究从种群进化的角度了解噬菌体-抗生素协同作用抑制噬菌体抗性的分子机制。

编者按：噬菌体-抗生素协同作用（PAS）是一种优越的病原菌感染治疗策略，其导致病原菌产生噬菌体抗性的可能性较小，然而相关机制却尚未明确。深圳大学基础医学院周凯教授团队联合中科院城市环境研究所崔丽教授团队和香港中文大学（深圳）柳正教授团队近期在美国微生物学会（ASM）旗下mBio期刊在线发表了题为《噬菌体-抗生素协同效应通过改变进化适应性抑制肺炎克雷伯菌产生噬菌体抗性》的研究，旨在从种群进化的角度了解噬菌体-抗生素协同作用抑制噬菌体抗性的分子机制。

研究背景

肺炎克雷伯菌（KP）已成为引发全球医院和社区获得性感染的主要病因之一。根据其毒力特征，KP被分为经典型和高毒力型两种类型。经典型KP（cKP）常定植于上呼吸道与消化道，在机体免疫功能低下时可造成肺部、腹部、伤口、血液、软组织等多部位感染，为医院内感染的主要条件致病菌。与cKP不同，高毒力型KP（hvKP）能在社区健康个体中引起侵袭性感染，且具有感染灶多发、病情进展迅速、预后差等特点。抗生素耐药性通常与cKP相关，hvKP很少产生耐药性。然而，最近有越来越多的关于hvKP菌株产生广谱β-内酰胺酶甚至碳青霉烯酶的报道。高毒力和耐药的趋同极大地恶化了感染的临床结果。因此，迫切需要开发有效的治疗策略来应对这一问题。

由于具有对正常微生物菌群的影响低、副作用少等优势，噬菌体治疗被认为是当前替代抗生素治疗策略中最具潜力的方法之一，重新受到了人们的关注，并被用于临床感染的预防和治疗。许多研究已经报告了噬菌体在控制感染中的重要作用，但病原体对噬菌体抗性的快速发展导致人们对其真正的治疗效果普遍持怀疑态度。在这种情况下，噬菌体-抗生素联合疗法作为一种有效的噬菌体改进策略被逐渐受到关注。研究表明，亚抑制浓度的抗生素可提高噬菌体的裂解量，从而改善噬菌体介导的细菌杀灭效果，这种现象被称为噬菌体-抗生素协同作用（PAS）。这种方法的显著优势在于可更有效地抑制细菌并有可能减缓细菌耐药性的进化，从而引导向有利临床治疗的方向发展。目前已提出的几种PAS机制主要是围绕表型研究开展，包括抗生素导致的细胞伸长/纤丝化以及抗生素诱导的噬菌体产生。然而，关于PAS 抑制耐药性的分子机制仍知之甚少。

本研究旨在探讨PAS抑制KP耐药性产生的分子机制。我们利用多组学技术和拉曼光谱检测平台分别在种群水平和单细胞水平上进行了研究，系统地探讨了PAS对hvKP的生物过程和进化动态的影响。研究发现了PAS抑制抗性的关键基因变异，证明了噬菌体-抗生素联用介导的KP抑制抗性产生的新机制。

研究摘要

本研究分离了一株新型的高毒力肺炎克雷伯菌（hvKP）噬菌体H5，并对其遗传和结构特征进行了解析。

噬菌体H5与头孢他啶（CAZ）的组合在抑制噬菌体抗性方面显示出强大的协同效应。单细胞拉曼分析表明，H5-CAZ的组合抑制了细菌的代谢活性；而单独使用噬菌体时，细菌的代谢活性却发生了上调；二者形成了鲜明对比。研究发现，在这两种不同的选择压力下，细菌种群进化轨迹的改变是造成代谢活性差异的主要原因，进而造成了多种生理效应。当单独使用噬菌体时，一个在群体中预先存在的wcaJ基因变异体（wcaJG949A）被特异地筛选出来，赋予了生存群体进化优势以及碳水化合物代谢活性的上调，但同时也造成了噬菌体抗性的产生以及对CAZ的交互敏感。而当使用H5-CAZ组合时，携带wcaJG949A的亚群体被反向选择，迫使诱导产生多个galU突变，这些突变带来了进化上的劣势，使适应性代价更高，并抑制了碳水化合物代谢活性。通过转录组分析发现，H5和H5-CAZ处理对磷酸转移酶系统以及抗坏血酸和醛酸代谢途径的转录活性产生了相反的影响，提示这些途径可能是抑制噬菌体抗性的潜在靶标。

综上所述，本研究揭示了PAS抑制噬菌体抗性的新机制，揭示了细菌适应选择性压力的复杂性如何驱动治疗结果的方式。