铜绿假单胞菌作为一种模式革兰氏阴性细菌，由于其对多种药物类别固有的耐药性以及形成生物膜的能力，使得其感染难以治疗。抗生素耐药性病原体的蔓延已成为公共卫生的重大威胁，2019年，全球估计有495万人死于与药物耐药细菌相关的感染。因此，迫切需要开发新的策略来控制细菌感染，包括抗生素的合理使用和快速诊断，同时还需要开发和谨慎使用新的有效抗菌剂。
抗菌肽（AMPs）作为多细胞生物固有免疫反应的重要组成部分，被频繁提议为新的抗菌药物候选者。AMPs具有空间上明确的疏水性和阳离子残基，这些特性使其能够破坏细菌膜。虽然已经证明抗性可以对这些抗菌剂产生，但其进化速度明显慢于常规抗生素。因此，AMPs以及组合疗法被提出作为减缓耐药性产生的策略。
近日，来自耶路撒冷希伯来大学等机构的科研团队在国际杂志PLoS Biology上发表题为The evolution of antimicrobial peptide resistance in Pseudomonas aeruginosa is severely constrained by random peptide mixtures的研究论文，研究人员探讨了新开发的随机抗菌肽混合物（RPMs）是否能够显著降低铜绿假单胞菌在体外环境中对AMPs单一序列的耐药性进化风险。
研究人员将铜绿假单胞菌暴露于AMPs或RPMs中，随后评估耐药性进化的程度以及不同治疗方法之间的交叉耐药性/交叉敏感性。此外，还研究了耐药性对细菌生长的适应性成本，并通过全基因组测序分析了可能导致耐药表型的突变。研究结果表明，与单一序列AMPs相比，使用RPMs大大降低了耐药性进化的风险，同时在保持（甚至提高）药物敏感性的情况下，大多避免了对其他治疗方法的交叉耐药性发展。
文章要点
1）RPMs减缓耐药性进化：通过最小抑菌浓度（MIC）测定，研究发现，与单一序列AMPs相比，使用RPMs能够显著减缓铜绿假单胞菌的耐药性进化。在实验设置下，FK20显示出极低的耐药性进化可能性，而其他AMPs则表现出不同程度的耐药性进化。
图1 与单序列AMP相比，细菌抗性对RPM的演化较慢
2）交叉耐药性和交叉敏感性：在暴露于不同AMPs/RPMs的细菌株中，研究发现，尽管某些细菌株对特定AMPs表现出耐药性，但它们对FK20依然保持敏感性。此外，部分暴露于Cecropin P1的细菌株表现出对其他抗菌肽的交叉敏感性，尤其是对FK20的敏感性，这表明AMPs与FK20的组合可能具有正面影响。
图2 对Cecropin P1的交叉抗性频繁进化，而对FK20的侧支敏感性很少进化
3）耐药性进化的适应性成本：在实验中，部分暴露于Pexiganan、PA-13、SLM3和FK20的细菌株显示出显著延长的滞后时间，表明耐药性进化伴随着适应性成本。然而，暴露于FK20的细菌株并未表现出耐药性进化，这一发现与其他抗菌肽形成鲜明对比。
4）突变的进化：通过全基因组测序，研究发现，突变主要集中在五个基因中，包括lasR、phoQ、tpbB、oprL和wbpA。其中，phoQ突变仅出现在进化过程中，且与高MIC值显著相关，暗示其在某些抗菌肽的选择压力下进化。
图3 5个最常突变基因中存在/不存在突变的抗性进化(MIC折叠变化)的表示
5）药效动力学曲线的演变：通过分析药效动力学曲线，研究发现耐药性进化与Hill系数（kappa）之间存在负相关关系。较低的耐药性进化往往伴随着更陡峭的药效动力学曲线，这意味着在更高的药物浓度下，细菌的生长率急剧下降。
图4 Hill系数随着MIC的变化而变化
该研究通过实验进化、药效动力学建模和基因组重测序，展示了随机抗菌肽混合物（RPMs）在延缓和避免铜绿假单胞菌耐药性进化中的潜力。与单一序列AMPs相比，RPMs尤其是FK20表现出极低的耐药性进化风险，并在体外环境中维持了药物的敏感性。这一发现为抗菌肽的组合治疗策略提供了新的依据，强调了其在应对抗生素耐药性危机中的潜在疗效。
Antunes, Bernardo et al. “The evolution of antimicrobial peptide resistance in Pseudomonas aeruginosa is severely constrained by random peptide mixtures.” PLoS biology vol. 22,7 e3002692. 2 Jul. 2024, doi:10.1371/journal.pbio.3002692
