Pediatric Cystic Fibrosis Sputum Can Be Chemically Dynamic, Anoxic, and Extremely Reduced Due to Hydrogen Sulfide Formation

兒童囊性纖維化患者痰液因硫化氫生成，可呈現化學動態變化、缺氧且還原性極強的狀態

來源：mBio, Volume 6, Issue 4, 2015, Article e00767-15

《微生物》第6卷第4期，2015年，文章編號e00767-15

 

摘要

本研究針對囊性纖維化（CF）患者肺部感染的微生物生存環境，首次系統測量了兒科CF患者痰液的微觀化學參數。研究發現，所有痰液樣本在距離空氣-痰液界面幾毫米內即出現氧氣耗盡，形成缺氧區域。痰液的氧化還原電位（ORP）呈現高度變異性，范圍從氧化態（16 mV至355 mV）到還原態（-300 mV至-107 mV）。多數還原態樣本檢測到硫化氫（H2S）積累，并伴有低pH值（2.9至6.5）。硫化氫濃度以平均0.30 μM/min的速率增加。建模分析表明，痰液缺氧程度與細菌負載量和黏液厚度相關。這些化學動態性表明，CF病原體的生存不僅依賴有氧呼吸，還需適應波動氧化還原狀態，包括硫化物環境。

 

研究目的

本研究旨在直接表征CF患者痰液的微觀化學環境，特別是氧氣可用性、氧化還原狀態和硫化物形成情況。由于CF肺部感染的微生物多樣性和持久性部分受環境化學約束，但體內化學參數知之甚少，本研究通過測量痰液樣本的無機化學參數，填補這一知識空白，并為實驗室研究提供相關環境約束。

 

研究思路

研究收集了22名兒科CF患者的48份痰液樣本，在咳出后15分鐘內使用微傳感器進行測量。思路包括：1）使用氧氣微電極（包括高靈敏度STOX傳感器）和氧化還原電位電極評估痰液的氧合狀態和 redox 條件；2）使用硫化氫傳感器和pH電極檢測還原態樣本中的硫化物積累和酸堿度；3）通過離子色譜分析痰液中的無機離子濃度；4）結合幾何建模（基于氣道黏液堵塞的三種場景），預測體內氧氣擴散動力學；5）關聯臨床參數（如患者年齡、肺功能等），探索化學狀態與疾病進展的相關性。

 

測量的數據及研究意義

1. 氧氣濃度：所有樣本在淺表氧躍層后均呈缺氧狀態（圖2）。使用STOX傳感器確認缺氧區氧氣濃度低于2 nM。意義：直接證明CF痰液以缺氧環境為主，挑戰了肺部作為氧氣豐富場所的傳統觀點，表明微生物需依賴厭氧代謝生存。

 

2. 氧化還原電位（ORP）：28份樣本中，17份呈氧化態（正電位），11份呈還原態（負電位）（圖3）。同一患者在不同時間點呈現不同氧化還原狀態。意義：氧化還原狀態具有時空變異性，反映微生物代謝活動的動態性，如硫化物生成或有機物氧化可能驅動還原態。

 

3. 硫化氫濃度：23份樣本中，5份還原態樣本檢測到H2S積累（圖4），總硫化物濃度隨時間增加（圖5）。意義：硫化氫積累表明存在活躍的硫循環，可能源于微生物氨基酸降解或防御性硫化物生成，并可能通過抑制酶活性（如氧化亞氮還原酶）影響代謝分層。

 

 

4. pH值：硫化氫陽性樣本pH為2.9-6.5。意義：低pH可能增強病原體毒力基因表達和抗生素耐藥性，影響微生物群落結構。

5. 無機離子濃度：20份樣本中，還原態樣本銨離子（NH4+）濃度較高（達10 mM），但硫酸鹽濃度在硫化和非硫化樣本間無差異。意義：高銨離子可能指示發酵代謝，而硫酸鹽濃度低提示硫化氫非源于硫酸鹽還原。

6. 氧化亞氮（N2O）：僅一份樣本檢測到N2O，積累在缺氧區但位于硫化物層之上。意義：N2O出現表明反硝化過程，而硫化物可能抑制其還原，導致代謝分區。

7. 建模數據：基于細菌密度和黏液厚度，預測氣道缺氧范圍（圖6,7；表1）。意義：表明即使低細菌密度（如10^7 cells/mL），黏液厚度超1mm即可導致缺氧，支持體內缺氧普遍性。

 

 

 

 

結論

CF痰液化學環境具有顯著時空異質性，以普通缺氧和波動氧化還原狀態為特征。硫化氫積累與還原態相關，可能源于微生物代謝而非硫酸鹽還原。化學動態性表明微生物需適應從有氧到厭氧的代謝策略。硫化氫可能與較好健康狀況相關（如住院需求低），提示其作為疾病生物標志物的潛力。研究強調在實驗室研究中需考慮多種氧化還原狀態，以更好模擬體內環境。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense公司微電極（如氧氣、硫化氫、氧化還原電位電極）直接測量痰液微觀化學參數，具有關鍵研究意義。首先，微傳感器提供高空間分辨率（如氧氣電極檢測限0.30μM，STOX電極達2nM），能精確刻畫痰液淺表氧躍層和深層缺氧區，克服傳統批量測量無法反映微觀梯度的局限。其次，實時測量揭示動態過程，如硫化氫以0.30μM/min速率積累，表明痰液非穩態，微生物活動持續改變化學環境。第三，氧化還原電位測量顯示硫化物等還原物質主導低電位環境，為理解微生物代謝網絡（如厭氧呼吸或發酵）提供直接約束。第四，通過建模驗證，電極數據可靠預測體內氧氣擴散（如細菌密度8.3×10^7 cells/mL時缺氧區厚度約1mm），證實其體內相關性。總體，這些測量填補了CF肺部化學環境的知識空白，推動研究聚焦于病原體在缺氧和硫化物環境下的適應機制，并指導臨床開發基于化學指紋的診斷工具。