令人滿意的感染治療高度依賴于早期診斷并及時(shí)干預(yù)。在難治性感染和感染復(fù)發(fā)中，抑制抗生素耐受型細(xì)菌可能是阻斷細(xì)菌向耐藥演變和根除病原體的治療關(guān)鍵點(diǎn)。迄今為止，尚無針對(duì)抗生素耐受型細(xì)菌的治療藥物被批準(zhǔn)。
2022年11月4日，國(guó)際頂刊Nano Today（IF 18.962）在線發(fā)表了上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院湯亭亭教授和楊盛兵副研究員團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新研究成果“Multi-roles of nanoscale bismuth metal-organic frameworks: Infectious photoacoustic probe and inhibitor of antibiotics tolerant bacteria via targeting endogenous H2S”。該研究利用光聲成像技術(shù)成功檢測(cè)了早期細(xì)菌感染，并利用Bi-MOF作為感染探針、抗生素載體和增強(qiáng)劑根除了抗生素耐受型細(xì)菌的感染。這一創(chuàng)造性策略為抗生素耐受型細(xì)菌的相關(guān)感染治療提供了啟示。其中，中科新生命提供了TMT蛋白質(zhì)組+代謝組檢測(cè)服務(wù)。
研究材料
野生型和甲氧西林耐受型MRSA
步驟1：野生型和抗生素（甲氧西林）耐受型（金黃色葡萄球）菌中的H2S水平；
步驟2：Bi-MOF表征及其作為細(xì)菌感染光聲成像（PAI）探針的研究；
步驟3：Bi-MOF增強(qiáng)了甲氧西林對(duì)耐受型菌株的殺菌效果，并通過降低胞內(nèi)H2S水平防止其產(chǎn)生；
步驟5：Bi-MOF在體內(nèi)感染早期檢測(cè)中的應(yīng)用；
???步驟6：Bi-MOF在耐受型菌株誘導(dǎo)的小鼠皮下感染模型中可協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林的治療效果并抑制感染復(fù)發(fā)。
研究結(jié)果
1. 野生型和抗生素（甲氧西林）耐受型（金黃色葡萄球）菌中的H2S水平
通過循環(huán)抗生素暴露演化法，研究人員基于野生型MRSA獲得了耐甲氧西林MRSA (ATCC 25923) ，以下簡(jiǎn)稱（抗生素）耐受型菌株。用H2S熒光探針和pb(ac)2檢測(cè)法測(cè)定野生型和耐受型菌株的細(xì)胞內(nèi)H2S水平。結(jié)果表明，耐受型菌株的H2S水平高于野生型 (圖1D-F)。胞內(nèi)H2S定量分析顯示，耐受型菌株的胞內(nèi)H2S水平顯著高于野生型(圖1E)。這些結(jié)果表明，在耐受型菌株中，H2S發(fā)生上調(diào)。
圖1 耐甲氧西林MRSA對(duì)甲氧西林耐受性演變和胞內(nèi)H2S水平提高
2. Bi-MOF表征及其作為細(xì)菌感染PAI探針的研究
未經(jīng)處理的MRSA接種物經(jīng)過Bi-MOF處理12 h后，顏色由淺黃色變?yōu)楹谏▓D2D），通過PAI信號(hào)測(cè)試，證實(shí)Bi-MOF可以作為細(xì)菌感染檢測(cè)探針(圖2E-F)。結(jié)合XRD譜圖和透射電鏡觀察的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Bi-MOF與胞內(nèi)H2S反應(yīng)形成Bi2S3,其在激光照射下可發(fā)出PAI信號(hào)(圖2H-G)。因此，Bi-MOF可作為細(xì)菌感染的PA檢測(cè)探針。
圖2 Bi-MOF相關(guān)表征及其作為體外細(xì)菌感染光聲(PA)診斷探針的性能
3. Bi-MOF增強(qiáng)了甲氧西林對(duì)耐受型菌株的殺菌效果，并通過降低胞內(nèi)H2S水平防止其產(chǎn)生
通過兩種獨(dú)立的方法研究了在正常和抗生素應(yīng)激條件下，Bi-MOF對(duì)耐受菌H2S的影響。結(jié)果證實(shí)，無論是在正常狀態(tài)下還是在抗生素壓力下，Bi-MOF治療都有效地下調(diào)了耐甲氧西林MRSA的細(xì)胞內(nèi)H2S水平。隨后，又通過其他檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Bi-MOF能使耐受菌對(duì)甲氧西林敏感（圖3E-G），并協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林對(duì)耐受菌株的殺菌作用（圖3I）。
圖3 Bi-MOF抑制細(xì)胞內(nèi)H2S水平，協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林對(duì)耐受菌的根除效果
4. 多組學(xué)分析揭示Bi-MOF作用的潛在機(jī)制
基于蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的多組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)Bi-MOF處理導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的蛋白毒性應(yīng)激、能量動(dòng)員和硫代謝，同時(shí)下調(diào)了與毒力因子和細(xì)胞壁合成相關(guān)的基因。這些潛在的機(jī)制，可能共同有助于增強(qiáng)甲氧西林對(duì)耐甲氧西林MRSA的殺菌效果（圖4）。
圖4 Bi-MOF處理耐甲氧西林MRSA的多組學(xué)分析
5. Bi-MOF在體內(nèi)感染早期檢測(cè)中的應(yīng)用
研究探索了Bi-MOF在活體小鼠皮下感染模型中的診斷性能。對(duì)小鼠進(jìn)行PAI檢測(cè)，結(jié)果顯示Bi-MOF處理小鼠創(chuàng)面區(qū)域皮下腔內(nèi)PAI信號(hào)強(qiáng)度呈時(shí)間依賴性升高，實(shí)時(shí)生成良好的對(duì)比圖像（圖5A-C）。該結(jié)果表明Bi-MOF與內(nèi)源性細(xì)菌H2S反應(yīng)生成Bi2S3，在激光刺激下產(chǎn)生滿意的PAI信號(hào)。綜上，Bi-MOF可作為一種具有空間信息的細(xì)菌感染實(shí)時(shí)精確檢測(cè)工具。
圖5 Bi-MOF通過激光觸發(fā)光聲(PA)成像實(shí)現(xiàn)了感染的實(shí)時(shí)原位診斷
6. Bi-MOF在耐受型菌株誘導(dǎo)的小鼠皮下感染模型中可協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林的治療效果并抑制感染復(fù)發(fā)
通過建立耐甲氧西林MRSA皮下感染的小鼠模型，分別用甲氧西林單獨(dú)或聯(lián)合Bi-MOF進(jìn)行5天的抗生素治療，檢測(cè)其體內(nèi)治療效果，其后再觀察一周，檢查感染是否再次發(fā)生。通過監(jiān)測(cè)創(chuàng)面活菌載量、H2S水平等檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，甲氧西林的短期抗生素治療促使耐受菌感染的短暫抑制，但不能完全根除，導(dǎo)致感染復(fù)發(fā)。Bi-MOF作為抗生素增強(qiáng)劑，與甲氧西林協(xié)同作用，有效根除創(chuàng)面內(nèi)的耐受菌，促進(jìn)創(chuàng)面愈合，緩解炎癥浸潤(rùn)（圖6）。
圖6 Bi-MOF協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林對(duì)耐甲氧西林MRSA的根除效果
小編小結(jié)
本研究合成了一種靶向耐受MRSA的治療性抗生素增強(qiáng)劑，通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，其可有效下調(diào)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)H2S水平，根除耐甲氧西林MRSA感染，防止感染復(fù)發(fā)。此外，又通過多組學(xué)分析深入揭示了Bi-MOF治療耐受菌的全景和其抗菌作用背后的詳細(xì)機(jī)制。