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普林斯顿大学新闻

Timing is key for bacteria surviving antibiotics

对于面临抗生素剂量的细菌来说,时机可能是避免破坏的关键。在一系列实验中,普林斯顿大学的研究人员发现,在恢复生长之前修复了被抗生素破坏的DNA的细胞,存活下来的几率要高得多。

当抗生素攻击细菌种群时,通常会有一小部分“persister”细胞存活下来,构成复发感染的威胁。与对抗生素具有遗传耐药性的细菌不同,有证据表明,持久性细菌之所以能够存活,部分原因在于它们阻止了药物靶向的细胞过程。

在一项新的研究中,普林斯顿大学的研究人员检测了一类针对细菌DNA的抗生素。在细菌种群中,一些细胞在恢复生长前修复受损的DNA,另一些细胞在修复前恢复生长。研究人员发现,那些在恢复生长之前进行修复的通常是那些能够存活下来的。这项研究提出了使抗生素治疗更有效的长期目标。

结果在6月18日发表在《美国国家科学院学报》上,温迪Mok,博士后研究员,和马克Brynildsen副教授的化学和生物工程,分析了大肠杆菌的反应与氧氟沙星治疗,抗生素引起DNA损伤通过阻止DNA复制和RNA转录所需的酶。他们的工作是建立在Brynildsen实验室之前的结果之上的,该结果显示,氧氟沙星的持久性需要DNA修复机制才能存活。

“但这并不能保证它们一定能存活下来,”莫文蔚说。“我们假设,DNA修复的时间和DNA合成等与生长相关的活动的恢复可能会影响治疗后持续者的生存。”

为了验证这一假设,Mok和Brynildsen使用了一种经过基因工程改造的大肠杆菌菌株,使研究人员能够控制细胞的生长。研究人员用这种细菌创造了一个生长停滞的细胞群,这些细胞可以耐受氧氟沙星抗生素。

他们发现,这些非生长细胞的DNA受损情况与氧氟沙星处理的生长细胞相似。然而,在治疗后,非生长细胞在恢复DNA合成和修复方面出现了延迟。

通过控制关键的DNA修复蛋白RecA的活性,研究人员测试了进一步推迟DNA修复直到DNA合成恢复后的效果。与连续产生RecA的细胞相比,这导致存活率下降了7倍,说明氧氟沙星的持久性依赖于在合成生长所需的新DNA之前修复DNA损伤。

Mok和Brynildsen随后检测了正常细胞在低营养环境下的持久性,以阻止它们的生长,模拟了细菌在受感染的宿主中经常遇到的情况。事实上,氧氟沙星治疗后,如果细胞缺乏碳源至少三个小时,他们观察到对抗生素几乎完全耐受。这种耐受性依赖于有效的DNA修复过程。他们还观察到,在生长在生物膜中的细胞中,治疗后对氧氟沙星的耐受性增强,营养物质被剥夺。生物膜是一组粘附在表面的细菌,与大多数医院治疗的细菌感染有关。

比利时Leuven-VIB大学的微生物学教授Jan Michiels说,这项研究使用了“一个优雅的模型系统”来探索持久性的潜在机制。米歇尔斯并没有参与这项研究,她说这是“一个里程碑式的发现,它为我们提供了一个新的基本的视角,来研究反常细胞是如何避免死亡的。”

氧氟沙星和其他类似抗生素被列入世界卫生组织基本药物标准清单,这是满足卫生保健需要的最重要药物的目录。抑制细菌的持久性可能是使这些疗法对泌尿道感染、葡萄球菌感染和其他细菌疾病更有效的一个有希望的途径。

Mok说:“营养缺乏是细菌在感染部位经常遇到的一种压力。”“我们的研究结果表明,在抗生素治疗后的这段时间里,我们可以考虑针对其中一些DNA修复过程,看看这是否能改善治疗结果。”“一种违反直觉的方法可能是在抗生素治疗后加快细菌的生长,从而使细胞的修复速度超过其修复机制而死亡。然而,研究人员补充说,其他方法可能比在病人体内培养病原体更好。

Brynildsen的团队和其他人对发现可能干扰细菌DNA修复的潜在药物化合物,以及研究抗生素耐受性和基因耐药性之间的关系很感兴趣。

美国陆军研究办公室、查尔斯·h·雷夫森基金会和普林斯顿大学创业基金为这项研究提供了部分支持。