Chlorate Specifically Targets Oxidant-Starved, Antibiotic-Tolerant Populations of Pseudomonas aeruginosa Biofilms

氯酸鹽特異性靶向銅綠假單胞菌生物膜中氧化劑饑餓、抗生素耐受的種群

來源：mBio, Volume 9, Issue 5, 2018, e01400-18

《mBio期刊》，第9卷第5期，2018年，文章編號：e01400-18

 

摘要：

這篇論文摘要闡述了氯酸鹽的抗菌活性，針對銅綠假單胞菌這種病原體，特別在缺氧或厭氧的宿主微環境中。氯酸鹽通過呼吸硝酸還原酶Nar還原為有毒的氯酸鹽，殺死那些耐受常規抗生素（如妥布霉素）的種群。在生物膜中，氯酸鹽和妥布霉素靶向不同的代謝種群：妥布霉素殺死有氧的外圍細胞，而氯酸鹽殺死內部缺氧細胞。此外，lasR突變體對氯酸鹽高度敏感，因為它們有更高的硝酸鹽呼吸速率。這表明氯酸鹽有潛力作為靶向氧化劑饑餓病原體的前藥。

 

研究目的：

研究目的是探索氯酸鹽作為前藥，特異性靶向缺氧環境下耐受抗生素的細菌種群，特別是銅綠假單胞菌，以解決抗生素耐受性問題。研究旨在驗證氯酸鹽通過Nar酶介導的還原作用殺死厭氧細胞，并評估其在生物膜模型中的效果。

 

研究思路：

研究思路是通過體外實驗，比較銅綠假單胞菌在不同氧條件下的反應。首先，使用浮游培養測試氯酸鹽和妥布霉素在有氧、厭氧加硝酸鹽和厭氧無硝酸鹽條件下的殺菌效果；然后，利用nar和lasR突變體驗證Nar酶的作用和lasR突變體的敏感性；最后，采用瓊脂塊生物膜 assay（ABBA）模擬生物膜環境，結合活死染色和氧剖面測量，分析藥物對代謝分層種群的影響。

 

測量的數據及研究意義：

1. 數據：存活率（CFU計數）在不同氧條件和處理下（如妥布霉素、氯酸鹽）。研究意義：顯示氯酸鹽在厭氧無電子受體時有效殺死細胞，而妥布霉素在有氧時有效，表明藥物靶向不同代謝狀態。來源：圖1。

 

2. 數據：氯酸鹽和硝酸鹽濃度隨時間變化，與細胞死亡關聯。研究意義：表明氯酸鹽消耗與細胞死亡相關，且在硝酸鹽耗盡后發生，提示呼吸保護細胞免受毒性。來源：圖2。

 

3. 數據：nar基因突變體的存活和氯酸鹽消耗。研究意義：證實Nar酶是氯酸鹽毒性的必要和充分條件，突變體抵抗氯酸鹽。來源：圖3。

 

4. 數據：lasR突變體的生長、硝酸鹽消耗和氯酸鹽敏感性。研究意義：lasR突變體有更高硝酸鹽呼吸速率，對氯酸鹽更敏感，提示其在感染中可能更易被靶向。來源：圖4。

 

5. 數據：生物膜中活死染色顯示細胞死亡分布。研究意義：在生物膜中，氯酸鹽和妥布霉素靶向不同空間種群，妥布霉素殺表面有氧細胞，氯酸鹽殺內部缺氧細胞，顯示藥物互補性。來源：圖5。

 

6. 數據：氧濃度剖面測量。研究意義：顯示藥物處理改變生物膜中的氧梯度，妥布霉素殺死表面細胞后增加氧滲透，影響細胞生存和藥物敏感性。來源：圖6。

 

 

結論：

1. 氯酸鹽能特異性殺死缺氧環境下耐受妥布霉素的銅綠假單胞菌種群，通過Nar酶介導的還原實現。

2. 在生物膜中，氯酸鹽和妥布霉素靶向互補的代謝種群，但聯合處理可能因氧梯度變化而無法完全根除所有細胞。

3. lasR突變體對氯酸鹽高度敏感， due to 其增強的硝酸鹽呼吸，提示氯酸鹽對臨床常見突變體有效。

4. 氯酸鹽有潛力作為前藥，靶向抗生素耐受的厭氧病原體。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量的氧剖面數據（來自圖6）具有重要研究意義，它直接量化了生物膜中的氧梯度變化。在研究中，這些數據揭示了藥物處理如何動態改變微環境：妥布霉素殺死表面有氧細胞后，減少了氧消耗，導致氧滲透加深，使原本缺氧的細胞獲得氧而變得耐受氯酸鹽和妥布霉素。這說明了病原體代謝狀態的可塑性，以及藥物相互作用可能意外地增強某些種群的生存。這種測量幫助理解了為什么聯合藥物處理不能完全根除生物膜，并強調了在靶向耐受種群時，需考慮微環境擾動的影響。此外，氧剖面數據驗證了生物膜中代謝分層的存在，為開發針對缺氧狀態的療法提供了實驗依據。