生物物理所發現亞鐵與多硫協同誘發細菌鐵死亡

2020-12-06 騰訊網

近日，中國科學院生物物理研究所/中科院納米酶工程實驗室高利增課題組等以Nano-decocted ferrous polysulfide coordinates ferroptosis-like death in bacteria for anti-infection therapy為題在Nano Today上發表研究論文稱，他們發現亞鐵與多硫協同誘發細菌發生鐵死亡的機制並將該機制用於抗菌治療。

鐵死亡是一種鐵依賴的氧化性細胞死亡，區別於傳統的細胞凋亡、壞死和自噬，其特徵是在鐵或脂質氧化酶作用下催化細胞膜發生脂質過氧化，同時耗竭GSH；鐵死亡也會導致線粒體變小，膜密度增高。目前發現鐵死亡與神經系統疾病、腫瘤、心臟疾病等密切相關，研究鐵死亡有助於深入認識這些疾病的發生發展機制並為藥物研發提供指導。目前鐵死亡研究主要集中在動物細胞和植物細胞等真核系統中，並受到精確的細胞通路調控，如GPX4，system XC-，p53等。但是原核系統，如細菌等缺少這些通路分子，因此目前尚未發現細菌等可產生鐵死亡。

研究團隊長期從事納米酶的開發及其抗菌應用，聚焦鐵基納米酶的過氧化物酶活性模擬免疫抗菌機制，為克服細菌耐藥性提供新的策略和治療方法。2007年，研究人員首次發現氧化鐵納米酶具有類過氧化物酶活性，近年來又發現氧化鐵納米酶可以清除口腔細菌生物膜，殺死胞內沙門氏菌，最近又開發了硫化鐵納米酶並發現其具有高效的抗菌性能。研究人員最初利用納米酶殺菌時主要是藉助其過氧化物酶活性催化雙氧水產生自由基來殺菌，但是實驗過程中多次發現單獨的氧化鐵納米酶（無雙氧水）也具有一定的殺菌效果，通過提高ROS水平並導致細菌產生形變，尤其是硫化鐵納米酶，單獨使用即可快速殺死多種細菌，但對這些現象背後的機制了解甚少。研究人員最初推測硫化鐵納米酶中釋放多硫化氫來殺傷細菌，但單獨的多硫化物分子殺傷效率有限。

在該研究中，研究人員闡明了上述鐵基納米酶（單獨使用）殺傷細菌的生化機制，並提出細菌也會發生鐵死亡。首先，研究人員發現硫化鐵納米材料如四硫化三鐵（Fe3S4）在水中會發生氧硫置換反應，釋放出過硫化氫，進而釋放大量的鐵離子，形成了一個以亞鐵和多硫化物為主的溶液體系。為便於抗菌性能測試，研究人員仿照中藥湯劑炮製的思路，將硫化鐵納米材料水懸液利用高壓滅菌和離心處理製備了一種納米湯劑（nano-decoction），這種納米湯劑能夠在5分鐘內殺死90%以上大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，而抗生素如萬古黴素需要24小時才能達到同等殺菌效果。進一步研究發現這種納米湯劑破壞細菌完整性導致內容物外洩和DNA降解，可誘發細菌產生脂質過氧化，同時顯著抑制細菌呼吸鏈中複合物I和II的活性，轉錄組分析表明多種代謝通路受到抑制。而且這一殺菌過程中GSH被氧化成GSSG造成穀胱甘肽耗竭。研究人員推測這種死亡方式具有典型的鐵死亡特徵。利用鐵死亡抑制劑如Ferrostatin-1等發現其可以抑制納米湯劑引發的細菌死亡，同時EDTA、ATP等具有螯合鐵離子能力的分子也可以抑制這一過程；生化實驗驗證納米湯劑具有直接把GSH氧化為GSSG的反應活性，主要由多硫化物完成。基於上述特徵，研究人員認為納米湯劑中的亞鐵和多硫化物協同誘發細菌發生鐵死亡。需要強調的是，這種鐵死亡也是依賴於亞鐵（二價鐵）而非三價鐵，只能殺死細菌而對真菌沒有效果，而且在水溶液環境中效果最佳，在培養基條件下由於螯合劑和GSH等存在會削弱其抗菌效果。

更有趣的是，這一納米湯劑能夠抑制存在於巨噬細胞內的金黃色葡萄球菌及其耐藥株（MRSA），但對宿主細胞沒有毒害作用。實驗表明納米湯劑中的亞鐵和多硫分子都可以進入巨噬細胞內，但只是抑制細菌，並沒有引發細胞發生鐵死亡，研究人員推測這種差別是由於細菌抗氧化系統簡單，更容易被殺死，而細胞等真核系統具有豐富的抗氧化系統和高水平GSH，因此能夠承受納米湯劑的刺激。動物實驗表明靜脈注射納米湯劑能夠顯著降低血液內浮遊和胞內存在的金黃色葡萄球菌，延長敗血症的生存期；更為重要的是，針對感染金黃色葡萄球菌引發肺炎的小鼠，納米湯劑具有與萬古黴素相當的治療效果（圖1）。

研究人員認為該項工作提出了一種新抗菌機制，即細菌能夠通過鐵死亡方式進行殺傷。結合前期發現氧化鐵納米酶引發病毒脂質氧化死亡的機制，研究人員提出細菌和病毒都會發生鐵死亡，儘管缺乏相關信號通路調控機制，但是均可通過該種途徑開發新型抗菌/抗病毒藥物。此外，這種鐵死亡殺菌方式有可能是多種無機納米抗菌材料所共有的一種殺菌機制，可為抗菌材料開發提供指導。

該工作由生物物理所和揚州大學合作完成，高利增為本文通訊作者。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

圖1. 亞鐵與多硫協同誘發細菌鐵死亡及抗菌治療

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S174801322030150X

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