PNAS:氧化还原代谢物增强铜绿假单胞菌抗生素耐受

文摘   2024-12-13 09:02   瑞士  

原文献信息:Horak, R. D.; Ciemniecki, J. A.; Newman, D. K. Bioenergetic suppression by redox-active metabolites promotes antibiotic tolerance in pseudomonas aeruginosa. Proc Natl Acad Sci 2024, 121(46), e2406555121.

意义:

所有生命都依赖于氧化还原反应来储存能量,通常通过在细胞膜上产生和释放电化学梯度实现能量转化。当这种梯度减弱时,细胞能量状态会降低,从而增强对各种压力源(包括临床抗生素)的生存能力。铜绿假单胞菌是一种代谢速率低且高度耐抗生素的机会性病原体。本文中,我们测试了铜绿假单胞菌及其他细菌产生的氧化还原活性次级代谢物(redox-active metabolites,RAMs)在有氧条件下是否会引发生物能量抑制,进而在浮游菌和生物膜中促进对某些抗生素的耐受性。我们的研究印证了“杀不死你的会让你更强大”这一箴言,并强调了通过调控病原体生物能量状态来应对感染的新兴努力的重要性。

摘要:

质子驱动力(PMF)由pH梯度和膜电位(ΔΨ)组成,支持着细菌生长和/或生存所需的多种关键过程。然而,细菌通常会进入一种特征为低PMF的生物能量降低状态。这种状态使它们对多种压力源(包括临床抗生素)的耐受性提高。尽管低代谢率在环境中普遍存在,但细菌在多大程度上能够主动进入这种低生物能量状态却鲜有研究。在本研究中,我们测试了氧化还原活性代谢物的产生是否会驱动这一生理转变。铜绿假单胞菌是一种机会性病原体,可产生苯嗪类物质,这是一种在分子氧(O)存在下高度毒性的RAM模型。在有氧条件下,铜绿假单胞菌产生的苯嗪类代谢物(如吩嗪素和苯嗪-1-甲酰胺),以及由伯克霍尔德氏菌属产生的RAM(如毒黄素),以不同方式抑制单个细胞的ΔΨ分布、降低质子泵效率,并减少细胞内三磷酸腺苷(ATP)水平。在浮游培养中,各RAM降低ΔΨ的程度和速率与其对强烈影响细胞能量流抗生素的保护作用相关。这种生物能量抑制依赖于RAM的存在,其效果与RAM的细胞还原速率及其通过O的非生物氧化速率相关,并可通过离子载体尼日利亚霉素(nigericin)增加ΔΨ逆转。在(低)氧生物膜聚集体中,RAM对细胞生物能量状态的影响类似。总体而言,这些研究结果表明,细菌通过产生内源毒素能够抑制自身生物能量状态,从而增强对压力的适应能力。    

主要结果:

1. 氧化还原活性代谢物(RAMs)降低了铜绿假单胞菌的膜电位、质子泵效率和ATP水平

本研究探讨了RAMs对铜绿假单胞菌生物能量状态的影响。通过比较三种主要苯嗪类物质(吩嗪素—PYO、苯嗪-1-羧酸—PCA、苯嗪-1-羧酰胺—PCN)及毒黄素—TOX的作用,发现它们在有氧营养限制条件下能显著降低菌体的膜电位(ΔΨ)、质子泵效率和ATP水平。使用染料DiOC2(3)测量ΔΨ,结果显示PYO等RAMs导致细胞去极化。通过氧化剂脉冲实验,发现PYO抑制了与呼吸相关的质子泵活性,降低了能量保留能力。PCN、PCA和TOX也表现出类似效应,尽管程度不同。此外,RAMs按抑制ΔΨ的顺序降低了细胞ATP浓度,阻止了营养饥饿条件下的还原性分裂现象。这些结果表明,RAMs通过降低铜绿假单胞菌的生物能量状态,可能影响其生存能力和抗生素耐受性,为理解细菌耐药机制提供了新的视角。

2. 氧化还原活性代谢物(RAMs)以不同速率降低膜电位,并生成独特的亚群以增强抗压能力

进一步探究了RAMs对铜绿假单胞菌膜ΔΨ及妥布霉素耐药性的影响。Δphz突变株与RAMs共孵育后,PYO、PCN和TOX加速了ΔΨ下降,但未达到CCCP的降低幅度。ΔΨ抑制程度与妥布霉素存活率正相关,PCA无显著影响。饥饿条件下,细胞ΔΨ下降,妥布霉素耐受性略增。RAMs处理生成独特ΔΨ群体分布,PYO、TOX和CCCP形成去极化单一群体,PCN异质性增加,PCA抑制强去极化亚群形成。这些结果表明,RAMs通过不同速率降低ΔΨ并生成独特亚群,从而增强细胞抗压能力,为理解细菌耐药机制提供新视角。

3. RAM介导的生物能量抑制是可调的,不依赖于外排泵,并影响对多种抗生素的耐受性

PYO与CCCP共处理无额外效益,而尼可酸逆转PYO的保护作用,证实降低ΔΨ增强抗生素耐受性。PYO的存在对影响妥布霉素存活至关重要,外排泵抑制无显著影响。PYO的保护作用存在剂量依赖,在囊性纤维化痰液中可达高浓度。RAMs对庆大霉素和环丙沙星的耐受性有类似作用,但对黏菌素略呈协同。RAM介导的抗生素耐受性与代谢相关抗生素最为相关,影响细胞能量预算。

4. RAM介导的生物能量抑制和抗生素耐受性能够扩展到生物膜

由于细菌的主要生存方式是存在于生物膜中,即细胞聚集在彼此接近并被细胞外基质包裹的群落中,我们希望确定在浮动培养中观察到的RAM介导的生物能量抑制是否能转化到这一生活方式。因此,我们将PYO作为代表性RAM,重点研究以下几个问题:

1) PYO是否能增加生物膜在妥布霉素面前的生存能力;

2) ΔΨ的抑制是否导致生物膜的保护; 

3) 妥布霉素是否在生物膜的有氧外部区域致死,而PYO可能在该区域降低ΔΨ。

使用琼脂生物膜测试法模拟慢性感染环境,发现PYO能增强生物膜对妥布霉素和环丙沙星的生存能力。野生型和PYO补充的Δphz生物膜比Δphz生物膜存活更多。CCCP也保护生物膜免受妥布霉素影响,且Δphz生物膜的保护效果更强,表明生物能量抑制促进抗生素耐受性细胞损伤主要限于生物膜的有氧区域,进一步证实PYO在该区域降低ΔΨ的作用。这些发现表明RAM介导的生物能量抑制在生物膜抗生素耐受性中起重要作用。

文中图表:

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