Microsensor and transcriptomic signatures of oxygen depletion in biofilms associated with chronic wounds

慢性創面生物膜中缺氧狀態的微傳感器特征與轉錄組學特征

來源：Wound Repair and Regeneration, Volume 24, 2016, Pages 373-383

《傷口修復與再生》，第24卷，2016年，第373-383頁

 

摘要：

這篇論文的摘要討論了生物膜與慢性傷口愈合延遲之間的關系，機制可能包括細菌產生外毒素和消耗氧氣。研究使用氧微傳感器測量了體外培養的生物膜、糖尿病小鼠傷口模型中的生物膜以及人類慢性傷口標本的氧濃度剖面。結果顯示，小鼠傷口結痂中存在陡峭的氧梯度，最低氧分壓范圍在17至72 mmHg（活鼠）和1.1至6.4 mmHg（安樂死鼠），與體外培養和人類標本相似。轉錄組學分析顯示，銅綠假單胞菌生物膜在傷口中表達與生長和缺氧應激相關的基因，如Anr介導的低氧應激響應。總體支持生物膜通過代謝活動和招募耗氧宿主細胞維持局部低氧，從而促進傷口慢性化的假設。

 

研究目的：

本研究旨在測試細菌生物膜是否導致傷口中局部低氧張力的建立和維持，并探討低氧如何影響傷口愈合。具體目的是通過測量氧濃度和轉錄組學分析，驗證生物膜直接或間接（通過宿主響應）消耗氧氣，從而解釋慢性傷口的持久低氧狀態。

 

研究思路：

研究采用多方法結合的方式：首先使用氧微傳感器測量不同來源生物膜的氧濃度剖面，包括體外培養的臨床分離菌株生物膜、糖尿病小鼠傷口模型中的生物膜以及人類慢性傷口標本。同時，通過轉錄組學分析小鼠傷口中銅綠假單胞菌生物膜的基因表達，以評估細菌的代謝活動和應激響應。研究思路強調比較體外、體內和ex vivo數據，以驗證生物膜作為氧匯的角色。

 

測量的數據及研究意義：

1. 氧濃度剖面數據：來自圖1、圖2、圖3和圖4。這些數據顯示了生物膜或傷口結痂中的氧梯度，例如圖1中體外生物膜的氧濃度隨深度下降至低于5%空氣水平，圖2中小鼠傷口結痂的氧最小值，圖3中ex vivo scab的梯度，以及圖4中人類傷口的類似剖面。研究意義是直接證明生物膜能消耗氧氣，創建低氧微環境，從而影響傷口愈合過程，為生物膜導致慢性傷口低氧提供了實驗證據。

 

 

 

 

2. 生物膜特性數據：來自表1。包括生物膜厚度、細胞密度和氧滲透深度，例如銅綠假單胞菌生物膜厚度約130μm，氧滲透深度約72μm。研究意義是量化生物膜的結構參數，幫助理解氧梯度的形成機制，表明生物膜密度和厚度與氧消耗相關。

 

3. 轉錄組學數據：來自表2和表3。表2顯示了高表達基因的KEGG通路，如核糖體和能量代謝途徑；表3顯示了與應激響應基因的重疊，如缺氧、靜止期和熱休克響應。研究意義是通過基因表達證實細菌在傷口中處于代謝活躍狀態但經歷低氧應激，鏈接了低氧測量與分子機制，說明生物膜適應低氧環境并可能加劇傷口慢性化。

 

 

 

結論：

本研究得出結論，細菌生物膜在慢性傷口中通過消耗氧氣和招募耗氧細胞（如中性粒細胞）維持局部低氧狀態，從而延遲愈合。低氧環境促進細菌存活并 impair 宿主防御，支持了生物膜導致傷口慢性化的假設。結論還提出一個序列事件模型：從組織缺血到細菌感染、生物膜形成、氧耗竭和愈合停滯。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量氧濃度數據的研究意義在于其高精度和微尺度測量能力，能夠直接探測生物膜或傷口微環境中的氧分壓變化。這種技術證實了生物膜內部存在陡峭的氧梯度，最低值可達近缺氧水平（如人類傷口中1.60 mmHg），為理解慢性傷口的低氧病理提供了關鍵實證。通過ex vivo和in vivo測量，Unisense電極幫助區分了生物膜和宿主細胞的氧消耗貢獻，顯示活體代謝是氧梯度的主因（如圖3中加熱后梯度消失）。這增強了生物膜作為氧匯的理論基礎，并為開發針對低氧的傷口治療策略（如氧療法）提供了依據。