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摘译：赵晓雨
审校：尹丹丹
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由大肠埃希菌引起的尿路感染（urinary tract infection, UTI）是人类严峻的健康挑战，细菌入侵尿道并逆行引起膀胱感染，后可进展为肾盂肾炎，严重情况下导致菌血症和尿脓毒症。目前探究人体内不同感染解剖部位中细菌分裂并建立细菌与抗生素疗效相关性仍具挑战。巴黎西岱大学Ariane Amour等人基于λ噬菌体cI/Cro系统遗传切换开关的合成生物学方法，示踪了不同大肠埃希菌临床分离菌株在尿路感染小鼠模型中（有无抗生素）细菌分裂动态，并提示了细菌耐受性和微环境影响细菌感染和抗生素疗效，该成果近期发表于《Cell Host & Microbe》。
考虑到尿路感染易复发，且细菌在尿路不同解剖部位受到压力不同，研究者采用了基于λ噬菌体cI/Cro系统遗传切换开关的合成生物学方法来跟踪小鼠UTI模型中在抗生素治疗下感染的动态变化（图1A）。研究者量化了细菌感染复制状态及三类抗生素（β-内酰胺类、氟喹诺酮类和磷霉素）在三个不同解剖位置——肾脏、膀胱和尿液中（长达22天）对大肠埃希菌感染的影响。
图1A: 基于λ噬菌体cI/Cro系统遗传切换开关及触发示意图
为了评估大肠埃希菌在逆行性肾盂肾炎小鼠（8周龄的雌性CBA/J小鼠）模型中的分裂状态，研究者使用PAS133, UTI89+TM, 及CFT073+TM 3株菌（108 CFU）进行感染造模。研究者测量了肾脏、膀胱和尿液中的总细菌计数，通过计数蓝色和白色菌落来确定分裂/非分裂细菌比例（图1B）。感染过程中，多数肾脏和尿液中的细菌处于分裂状态，最长可达22天，表明三株菌处于活跃分裂状态。相比之下，在PAS133感染的小鼠中，膀胱内的分裂细菌比例在感染24小时后显著下降，大多数细菌处于非分裂状态（感染24小时LacZ+为66%，48小时为23%，p = 0.003）。
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图1B: 细菌在肾脏和尿道中复制，而在膀胱中迅速变成非复制
为了探究不同菌株对抗生素的体内反应，研究者分别采用PAS133、UTI89+TM和CFT073+TM细菌感染小鼠，并用三种敏感的抗生素环丙沙星、磷霉素和头孢噻肟分别进行治疗一段时间，观察这些菌株在小鼠体内是否会被抗生素清除。在感染48小时后，一组对照小鼠在治疗前立即被处死（早期对照）。另一组小鼠根据抗生素不同接受了24至48小时的治疗，然后在抗生素治疗后24小时被处死。第三组小鼠在感染后未接受抗生素治疗，在治疗结束时（晚期对照组）与接受治疗的小鼠同时处死，以控制由于自身清除和宿主免疫造成的细菌计数下降（图2A）。
研究发现，在接受头孢噻肟治疗的小鼠中，与晚期对照组相比观察到肾脏和尿液中的细菌计数显著减少，但膀胱中的细菌计数未见显著变化（图2B–2D），在未被清除的细菌中，大多数处于非分裂状态（图2E）。在接受磷霉素治疗的小鼠中同样观察到了肾脏中细菌计数的显著减少。虽然与早期对照组相比，膀胱中的细菌计数减少了10倍，但在感染后24小时用环丙沙星抗菌治疗并未显著减少膀胱中的细菌数量，与晚期对照组相比细菌计数没有显著差异，且与感染后48小时的治疗效果相当（图2F）。膀胱黏膜的通透性处理提高了环丙沙星和德拉沙星的杀菌疗效，但仍有一部分非分裂状态的细菌幸存下来，提示膀胱中存在耐受性细菌（图2G）。
图2.抗生素杀死在肾脏和尿液中分裂活跃的细菌，但不能清除膀胱中细菌
反复尿路感染通常接受抗生素序贯治疗，为明确序贯抗生素治疗能否清除膀胱中的大肠埃希菌，研究者对小鼠进行了1次、2次或3次48小时的环丙沙星治疗，每隔5天重复一次。多次治疗结束时，与对照组相比，膀胱中的细菌计数并未显著减少（图3）。研究者推测，膀胱中细菌在感染早期快速复制，随后进入休眠状态，可能形成胞内细菌群落和静止的胞内细菌库，导致抗生素治疗失败。
图3 经过膀胱黏膜通透化处理并进行环丙沙星序贯治疗，膀胱中细菌未能完全清除
参考文献：
Amoura A, Cell Host & Microbe. 2024;32(6):900-912.e4.
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该研究揭示了 UTI 小鼠模型中不同解剖部位细菌分裂的差异以及对抗生素的反应，为理解 UTI 的发病机制和治疗提供了新的见解；有助于更好地评估抗生素在体内的作用，强调了在体内复杂环境中表征细菌反应的重要性，以开发更有效的抗生素治疗方法。
原文链接
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38759643/
