研究图像展示抗生素击碎细菌“铠甲”的全过程

英国伦敦大学学院（University College London， UCL）研究团队首次揭示了一类重要的末线抗生素——多黏菌素（polymyxin）是如何攻破致病细菌的保护屏障的。多黏菌素等末线抗生素能迫使细菌细胞过度生产并脱落其外部“铠甲”，这导致保护屏障出现缺口，使药物得以进入并杀死细菌。

大肠杆菌暴露于多粘菌素抗生素后的合成图像——图像显示了外层“盔甲”随时间的变化。从左到右：未经抗生素处理的细菌；15分钟后的细菌；30分钟后的细菌；60分钟后的细菌；90分钟后的细菌。白色比例尺的直径为250纳米。

惊人的发现是，这种“铠甲崩解”过程只在细菌活跃时发生，休眠状态下的细菌并不会被杀死。这一机制揭示了为何某些感染会反复出现，并提示可通过让细菌“苏醒”后再用药来提高疗效。

这项由UCL与帝国理工学院（Imperial College London）等合作完成的研究近日发表在《自然·微生物学》（Nature Microbiology）杂志上。研究强调，及时开发应对细菌感染的新策略至关重要，因为耐药性感染每年已导致逾百万人死亡。

多黏菌素发现于80多年前，是对抗“革兰氏阴性菌”感染的最后防线。这些细菌拥有坚固的外膜，如同“铠甲”般能阻挡多种抗生素的入侵。虽然科学家早已知多黏菌素能损伤这道防线，但其具体杀菌机制一直未明。

团队运用先进成像与生化技术，首次实时观测到该过程。研究显示，多黏菌素能迅速在大肠杆菌表面形成鼓包与凸起。数分钟内，细胞就会脱落外部屏障，抗生素促使细菌过度生产、过量脱落“铠甲”，屏障上出现缺口，从而让药物进入内部并杀死细胞。

然而，这一系列过程——鼓包出现、屏障过快合成与脱落、细胞死亡——只在细菌活跃时发生。休眠细菌因“铠甲”合成机制关闭，抗生素对其毫无作用。

“过去几十年我们一直以为，作用于外膜的抗生素无论细菌活跃还是休眠都有效。但捕捉到这些单细胞影像后，我们发现这种抗生素只在细菌‘协助’下起作用，若细胞进入类似冬眠的状态，药物就完全失效，这非常令人吃惊。”——联席通讯作者、帝国理工的Andrew Edwards博士表示。

细菌通过休眠可熬过恶劣环境，比如食物短缺，还能在机体内长时间存在，待环境转好再“苏醒”，从而引发感染复发。

联席通讯作者、UCL伦敦纳米技术中心教授Bart Hoogenboom说：“多黏菌素是对抗耐药革兰氏阴性菌感染的重要武器。了解其机理非常关键。我们的下一个目标，是根据这一发现提升药效。一个思路是让抗生素与促进细菌制造‘铠甲’或唤醒休眠细胞的疗法联合使用，这样才能消灭所有细菌。”

“我们的发现还提醒，评估抗生素效果时，需考虑细菌处于哪种生理状态。”他说。

研究人员在UCL伦敦纳米技术中心用一种叫原子力显微镜（AFM）的高分辨率扫描技术，观察到大肠杆菌表面因抗生素作用而发生的显著变化。“看到抗生素实时作用细菌表面的过程令人震撼，”参与者Carolina Borrelli博士生如是说。“细菌被迫以极快速度生产、脱落外墙‘砖块’，这堵墙因而变得不稳定，抗生素得以渗入。”

实验还比较了处于活跃与不活跃（休眠）状态下的大肠杆菌对多黏菌素B的反应，结果发现药物只对活跃细胞有效。研究人员还让休眠细菌接触糖分（能唤醒休眠），随后药物能杀死这些细胞，但需延迟15分钟（即细菌“醒来”、恢复“铠甲”合成所需时间）。

在药物有效时，检测到更多外屏障成分从细菌释放，细胞表面出现鼓包；无效时，药物虽结合在外膜却未造成严重损伤。

“我们发现，只有细菌消耗糖分时外层屏障才会出现破坏，一旦弄明白这一点，整个过程豁然开朗。”联合作者Ed Douglas博士表示。“团队合作的深入，让我们对细菌在压力下的生理和形态变化有了前所未有的理解，也揭示了它们的弱点。”

编译自/ScitechDaily