Nature | 沙门氏菌抗生素耐受性的隐形推手——营养匮乏而非宿主应激条件

撰文 | Qi

沙门氏菌 （Salmonella） 是引发严重肠道和全身性感染的重要病原体，每年导致全球约1500万病例和20万人死亡。尽管抗生素如氟喹诺酮类 （如恩诺沙星） 和头孢菌素类 （如头孢曲松） 是治疗侵袭性沙门氏菌病的首选药物，但临床治疗失败率居高不下。传统观点认为，宿主应激条件 （如酸性pH、氧化应激） 或持续存在的细菌“幸存者 （persisters） ”是抗生素失效的主因【1, 2】。然而，这些结论多基于实验室理想化条件 （如富营养培养基） 的研究，而沙门氏菌在宿主体内真实的微环境长期未被充分模拟。

近日，来自瑞士巴塞尔大学的Dirk Bumann团队在Nature杂志上发表了一篇题为Limited impact of Salmonella stress and persisters on antibiotic clearance的文章，他们通过小鼠感染模型和实时单细胞成像技术，首次揭示了营养匮乏如何主导沙门氏菌的抗生素耐受性，证明酸性pH、氧化应激、毒素-抗毒素系统等应激条件对抗生素耐受性的影响有限，并指出传统检测方法的局限性。

该团队首先构建了侵袭性沙门氏菌病的小鼠模型。感染后，小鼠脾脏中的沙门氏菌在恩诺沙星 （5 mg/kg） 处理1小时后，菌落形成单位 （CFUs） 仅减少20倍，与等效恩诺沙星浓度的标准实验室条件 （37°C，常氧，Mueller-Hinton肉汤） 相比，少约300倍。类似的，头孢曲松 （50 mg/kg） 的体内外效率差异也达40倍。为了确定抗沙门氏菌活性的限制条件，他们设计了组织模拟化学恒化器，精确控制氧气 （10%） 、二氧化碳 （5%） 、pH （5.6） 及23种营养素的供给速率【3】。结果显示，沙门氏菌在低营养流 （模拟严重的营养饥饿，大约每小时0.16次分裂） 下的存活率与小鼠体内高度一致，在此条件下，生理浓度的恩诺沙星或头孢曲松杀死沙门氏菌的速度与在小鼠体内相似。

为了确定限制抗生素活性的因素，该团队通过逐一调控宿主相关应激因子 （如酸性pH、高渗透压、缺氧、抗菌肽等） ，其中单一参数影响恩诺沙星对沙门氏菌的杀灭，但影响通常很小 （改变抗生素活性≤3倍） ，即使是联合应激因素的叠加效应也不超过5倍。相比之下，提高营养供给可加速细菌复制，使抗生素杀伤效率提升200倍，突出了营养物质在抗生素杀伤中的关键作用。传统CFU检测显示恩诺沙星处理后1小时内沙门氏菌快速杀伤可达95%，随后进入缓慢死亡阶段。然而，通过RecA-mCherry荧光标记 （实时指示DNA双链断裂） ，他们在微流控装置中观察到，仅15%的细菌暴露后1小时内发生不可逆DNA损伤，将细菌转移至富营养培养基后会出现大量延迟死亡。

综上，这项工作证明沙门氏菌在宿主体内的缓慢复制显著降低了抗生素靶标的可及性，即营养匮乏才是导致抗生素耐受性的关键，而非传统认为的应激或持续存在的“幸存菌”。这就强调了未来的抗生素开发需模拟宿主环境，药物筛选应优先使用低营养模型，而避免实验室条件的偏差。此外，联合营养干预可能改善难治性感染的治疗效果。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08506-6

制版人：十一

参考文献

1. Bjarnsholt, T. et al. The importance of understanding the infectious microenvironment.Lancet Infect. Dis. 22, e88–e92 (2022).

2. Balaban, N. Q. et al. Definitions and guidelines for research on antibiotic persistence.Nat. Rev. Microbiol.17, 441–448 (2019).

3. Steeb, B. et al. Parallel exploitation of diverse host nutrients enhances Salmonella virulence.PLoS Pathog.9, e1003301 (2013).

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