中國農業大學團隊在抗菌藥物耐受性形成機制上取得重要進展

7月28日，中國農業大學動物醫學院沈建忠院士團隊在Advanced Science（IF=15.804）發表題為「Sublethal levels of antibiotics promote bacterial persistence in epithelial cells 」的研究論文。

為應對細菌耐藥性危機，沈院士團隊圍繞耐藥病原菌控制技術開展了一系列基礎和應用基礎研究，首次提出廣譜抗菌增效劑概念並成功合成廣譜抗菌增效劑SLAP-S25，提高抗菌藥物療效（Nature Microbiology，2020）；發現新型抗生素先導化合物bacaucin（杆農素）併合成系列衍生物，豐富藥源分子（Angewandte Chemie，2017；Natural Product Reports，2019）；提出宿主細胞介導抗菌藥物耐受假說，設計「按需」給藥的精準抗菌方案（Lancet Infectious Diseases，2018; Journal of Controlled Release，2020）；積極開發抗菌藥替代物，完善益生菌安全性評價體系，初步揭示益生分子機制（PLoS Biology，2019；Journal of Hazardous Materials，2020），為合理用藥和減抗替抗提供科技支撐。

闡明細菌耐藥性形成和進化機制將為合理用藥和新型抗菌藥物開發提供理論依據，是現在的研究熱點和難點。以往研究主要集中於從細菌個體和種群水平揭示細菌耐藥性形成的分子機制。近年來，發現體外低水平抗菌藥物暴露會加速細菌耐受性演變，進而導致細菌耐藥性形成（Science 2017）。宿主體內的細菌也會產生耐藥性，如鼠傷寒沙門氏菌可自發將耐藥基因傳給腸道內定殖菌（Nature 2019）。但宿主細胞在細菌耐藥性形成和傳播中機制尚不完全清楚。相較於巨噬細胞等免疫細胞的主動內吞作用介導抗菌藥物耐受性產生（Science 2018; Nature Microbiology, 2020; Cell Host Microbe, 2020)，目前關於體內非免疫細胞能否及如何介導抗菌藥物耐受性形成和相關機制尚不清楚。

為進一步在細胞水平驗證之前提出的宿主細胞介導抗菌藥物耐受假說，該團隊採用經典的細胞內最小殺菌濃度（intracellular MBC）方法，發現亞致死濃度抗菌藥物會促進細菌入侵上皮細胞，增強抗菌藥物的耐受性（抗菌藥物與細菌之間「躲貓貓」）；低水平抗菌藥物暴露誘導宿主細胞內化的細菌在胞內存活和持留（內化的細菌與細胞形成 「特洛伊木馬」）。研究結果補充了細菌在抗菌藥物壓力下的存活策略，完善抗菌藥物耐受性產生機制，為揭示抗菌藥物治療後病原菌擴散現象的分子機制提供新思路。

首先觀察到8種常見病原菌包括4種革蘭氏陽性菌和4種革蘭氏陽性菌，均具有入侵宿主上皮細胞並在細胞內存活的能力。這些細胞內持留的細菌對多種抗菌藥物的耐受性明顯升高，甚至升高達數百倍。在小鼠腸道內低水平抗菌藥物增加了包括蠟樣芽孢桿菌和大腸桿菌定殖於空腸和迴腸上皮細胞內的細菌載量。

隨後發現以蠟樣芽孢桿菌腸毒素Nhe和金黃色葡萄球菌溶血素α-toxin為研究對象，發現低水平抗菌藥物可以增強多種細菌毒力因子表達，促進細菌入侵。抑制或中和相關毒力因子有助於減少細菌入侵，這為後期篩選抗菌抑制劑提供了新的作用靶標。進一步研究發現細菌在低水平抗菌藥物壓力下劫持了細胞自噬應答，以使內在持留的細菌存活和生長。最後，發現低水平抗菌藥物會損傷細胞線粒體，促進活性氧ROS的累積，影響溶酶體清除胞內感染菌來促進細菌存活。溶酶體膜上維持酸性環境的V-ATPase酶受抑制導致溶酶體內多種酶如ACP活性降低，最終導致細菌在細胞內持留，形成抗菌藥物耐受現象。這與最近報導的V-ATPase介導病原體自噬xenophagy和細菌引發的炎性小體形成有類似機制。

在宿主體內傳播抗性的細菌更容易獲得耐受性表型，而耐受菌通過進化出多種策略來劫持宿主細胞以獲得細胞內生存和持續感染。研究結果初步闡明體內細菌抗菌藥物耐受性形成機制和抗菌藥物治療後病原菌擴散現象，為優化現有抗菌藥物使用，制定耐受菌的幹預策略，根除或減少持續性感染，減緩耐藥性的出現提供新思路。

中國農業大學動物醫學院博士生劉曉曄和劉飛為該論文的共同第一作者，中國農業大學引進的「傑出人才」朱奎教授和沈建忠院士為共同通訊作者。本研究獲得了國家重點研發計劃（2017YFC1600305）、中國農業大學高層次引進人才科研啟動經費（2020RC002）和北京市奶牛創新團隊等項目資助。