Gel-Entrapped Staphylococcus aureus Bacteria as Models of Biofilm Infection Exhibit Growth in Dense Aggregates, Oxygen Limitation, Antibiotic Tolerance, and Heterogeneous Gene Expression

凝膠包埋的金黃色葡萄球菌作為生物膜感染模型表現出密集聚集體生長、氧限制、抗生素耐受和異質性基因表達

來源：Antimicrobial Agents and Chemotherapy, Volume 60, Issue 10, October 2016, pages 6294-6301

《抗菌劑與化療》，第60卷第10期，2016年10月，第6294-6301頁

 

摘要

摘要闡述了研究開發了一種實驗模型，模擬體內生物膜感染的結構和特征，如發生在肺部或皮膚傷口中無生物材料表面的感染。該模型通過將金黃色葡萄球菌包埋在瓊脂糖凝膠中，形成分散在凝膠基質中的細胞聚集體，模擬了黏液或宿主基質材料中的生物膜結構。結果顯示，細菌形成離散的聚集體，隨時間擴大并出現大小梯度；凝膠中包埋24小時的細菌生長緩慢，對苯唑西林、米諾環素或環丙沙星的敏感性遠低于浮游細胞；氧濃度隨凝膠深度增加而下降，在500μm深處降至空氣飽和度的3%以下；乳酸脫氫酶報告基因在低氧區域被誘導表達。表明該凝膠模型捕獲了生物膜感染的關鍵特征：密集聚集體形成、生長速率降低、局部缺氧和抗生素耐受。

 

研究目的

研究目的是提供一種模擬無生物材料表面生物膜感染的模型，如囊性纖維化肺或慢性傷口中的感染，其中微生物生物膜以細胞聚集體形式分散在黏液或受損組織中。通過表征凝膠包埋金黃色葡萄球菌的生長動態、空間組織、抗生素耐受性、微尺度氧濃度梯度和細菌生理活動，驗證該模型能否再現體內生物膜的關鍵特性。

 

研究思路

研究思路是使用金黃色葡萄球菌菌株AH2547和UAMS-1，制備瓊脂糖凝膠包埋的細菌模型，將凝膠填充到玻璃毛細管中，在稀釋的TSB培養基中孵育長達30小時。通過活菌計數、共聚焦顯微鏡、氧微電極測量和報告基因表達分析，評估細菌生長、聚集體形態、氧濃度梯度、抗生素耐受性和基因表達異質性。實驗包括比較浮游和凝膠包埋細菌的抗生素殺傷效果，使用Unisense氧微電極測量氧剖面，并利用ldh::gfp報告基因監測缺氧響應。

 

測量的數據及研究意義

1 細菌生長曲線數據：通過活菌計數和圖像分析測量凝膠中金黃色葡萄球菌隨時間的變化。研究意義：顯示細菌在凝膠中初始快速生長后速率降低，模擬體內生物膜的慢生長特性，與囊性纖維化痰液中的細菌生長率相似。數據來自圖2和圖4。

 

 

2 聚集體形態和大小梯度數據：共聚焦顯微鏡圖像顯示細菌形成密集聚集體，且大小隨深度增加而減小。研究意義：證實模型再現了體內生物膜的空間異質性，聚集體大小梯度反映了營養和氧的擴散限制。數據來自圖3和圖5。

 

 

3 抗生素耐受性數據：比較浮游細菌、2小時和24小時凝膠包埋細菌對苯唑西林、米諾環素和環丙沙星的殺傷效果。研究意義：凝膠包埋細菌表現出顯著抗生素耐受，耐受因子達2.8-10.5，模擬了生物膜感染的耐藥特性。數據來自圖6。

 

4 氧濃度剖面數據：使用Unisense氧微電極測量凝膠內部的氧分壓隨深度變化。研究意義：直接證實凝膠內存在氧梯度，在500μm深處變為缺氧，支持了生物膜中缺氧微環境的假設。數據來自圖7。

 

5 基因表達異質性數據：使用ldh::gfp報告基因監測乳酸脫氫酶表達，顯示在凝膠內部區域表達增強。研究意義：驗證了缺氧生理響應，基因表達模式與預測的氧梯度一致，體現了生物膜的生理異質性。數據來自圖8和圖9。

 

 

 

 

結論

1 凝膠包埋金黃色葡萄球菌模型成功模擬了體內生物膜感染的關鍵特征，包括密集聚集體形成、生長速率降低、局部缺氧和抗生素耐受。

2 氧濃度梯度和缺氧響應基因表達證實了模型中的代謝異質性，與體內生物膜觀察一致。

3 該模型為研究無固體附著表面生物膜感染提供了實用工具，有助于理解慢性感染機制和開發治療方法。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極（Clark風格，尖端直徑10μm）測量凝膠內部的氧濃度剖面，研究意義在于提供了高空間分辨率的氧分壓量化，直接驗證了生物膜模型中的擴散限制和缺氧微環境。電極通過兩點校準（空氣飽和和無氧介質），確保數據準確性。測量顯示氧濃度隨深度增加而指數下降，在500μm深處降至接近零，證實了反應-擴散相互作用導致的氧限制。這種缺氧條件驅動了細菌的代謝適應，如乳酸脫氫酶表達上調，模擬了體內生物膜的生理狀態。Unisense電極的精確測量支持了模型在模擬慢性感染（如囊性纖維化肺或慢性傷口）中缺氧環境的有效性，為研究生物膜耐受機制提供了關鍵生理參數。此外，氧梯度數據與抗生素耐受和基因表達異質性關聯，強化了模型在轉化研究中的實用性。