细菌抗药性在生物体内的进化途径

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细菌抗药性已经逐渐成为继癌症之后的另一大难题。最开始抗生素的发现（penicillin by Sir Alexander Fleming）被誉为20世纪最伟大的发现之一，Fleming也因此获得了1945年的诺贝尔医学奖。但是近年来滥用抗生素导致了多种致病细菌抗药性的显著增长。同时由于新抗生素的研发缓慢，越来越多的细菌感染病例难以用抗生素来有效的治疗。在对抗药性的研究中，人们着重于利用基因组学来理解细菌对抗不同抗生素有效基因突变。然而，我们仍然不清楚细菌的抗药性在生物体内是如何进化的，有效基因突变是如何发展起来的，以及生物体在细菌进化过程中的作用。

2022年5月26日，塔夫茨大学医学院的Ralph Isberg研究组（共同一作为Wenwen Huo和 Lucas Ferguson）在Nature Microbiology杂志发表题为Immunosuppression broadens evolutionary pathways to drug resistance and treatment failure during Acinetobacter baumannii pneumonia in mice的研究论文。本篇文章聚焦细菌抗药性在生物体内的进化途径。以革兰氏阴性菌株A. baumannii为基础，使用小鼠模型来理解抗药性在生物体内是如何进化的。这是一个跨学院的合作，合作者分别来自Tufts University，University of Pittsburgh Boston College, Northestern University和St Jude Children's Hospital。课题主要围绕生物体内免疫系统和细菌抗药性的关系。一开始的假设是生物体内有效的免疫系统会抑制抗药性的发展，而非有效的免疫系统会导致细菌基因组的变化，从而走向抗药性的征途。

在这个研究中，研究人员使用小鼠肺炎模型。一组小鼠被注射了免疫抑制剂，来对比普通小鼠的实验结果。Abaum的非抗药性菌株通过气管引入小鼠体内。在感染进行之后的7hr和19hr，对小鼠进行ciprofloxacin治疗。感染之后的27hr，取出小鼠双肺进行细菌培养。被富集的细菌被用来作为下一次的感染。如此顺序的感染实验一共进行了15轮。这种顺序的感染尝试模拟人传人的感染模型。最初的实验证实，在免疫抑制的小鼠体内，一开始ciprofloxacin是可以有效控制小鼠肺部的细菌富集，但是在顺序感染了七八轮以后，细菌的数量已经超越了被注入小鼠的数量，显示了药物治疗的失败。通过对免疫抑制小鼠体内细菌的研究，研究人员发现药物治疗的失败归咎于细菌抗药性的增加（但还不是纯抗药菌，见下文）。而这个现象在普通小鼠体内是不存在的。免疫系统完整的小鼠对照组在同样的实验情况下，细菌在肺部的聚集一直处于相对于低的水平，且小鼠没有明显肺炎表象。

通过基因组学的研究，研究人员并没有发现经典的ciprofloxacin抗药性基因突变 (GyrA, ParC)。反而，发现了抗药性增强的细菌在egress pump基因里有突变。这些突变导致egress pump的表达增强，从而增加细菌将药物泵出菌外的能力。在对这些突变菌株的研究中，研究人员发现这些基因的突变让细菌成为persister（和纯抗药菌不同，参见Nathalie Q. Balaban的相关文献）。在ciprofloxacin处理的情况下，大部分细菌就像非抗性菌一样被抗生素有效抑制，但是一部分细菌可以存留。24小时后，相对于非抗性菌，persister还有剩余细菌，如果此时撤掉抗生素，那这些细菌可以重新增长。在图2a/c里面，可以看到浅绿色（接近黄色）的persister在免疫抑制的小鼠体内菌群中迅速增长。非抗性菌在连续感染免疫抑制的小鼠12轮以后，纯抗性菌株出现，并且压倒性生长。在15轮感染以后的基因组学研究中，研究人员发现persister的基因突变体被纯抗药性的基因突变体替代，图2b/d显示了这个过程中基因组学的变化。

利用竞争性实验，研究人员进一步发现这些persister和非抗药性细菌同时出现在免疫完整的小鼠体内时，persisters不具备竞争优势。但是persister存在的意义是介导了非抗性菌到抗性菌的基因变迁。这一系列的结果非常有趣的和COVID19的进化相吻合。其中一个进化体——Omicron，一些研究表明其可以对抗体内的抗体抑制。Jesse Bloom曾经推测这些antibody bypass的病毒突变体不具备竞争优势，但是在多轮免疫抑制的人体内传播的过程中，补偿性突变将会出现来提高竞争优势。就像抗药性一样，持久的传播和体内增长，再传播的过程导致了Covid19病毒的进化。这也同时侧面证实了疫苗接种的必要性和群体免疫的重要性。疫苗接种不仅降低了接种人的感染几率和被感染后的症状，同时也减缓了病毒传播和进化的速度。最终在病毒进化和群体免疫/研发新疫苗的对抗战中赢得胜利。

https://doi.org/10.1038/s41564-022-01126-8

制版人：十一

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