作者:李晨 沙爱红 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/7 18:37:52
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警惕!高脂饮食诱发抗生素耐受性

 

高脂饮食影响了小鼠肠道菌群组成及其代谢物丰度。   刘源供图

近年来,一种新的抗性机制——细菌的抗生素耐受性开始受到广泛关注。抗生素耐受性是指基因型敏感的细菌却能抵抗抗生素的治疗。由于缺乏定量指标,抗生素耐受性在临床中并不容易区分,因而往往被忽视。

近日,《自然—微生物学》在线发表了扬州大学兽医学院教授王志强关于高脂饮食诱导抗生素耐受性形成的机制研究。他们发现,细菌代谢调节剂可以作为潜在的抗生素增效剂,用以对抗耐受病原菌引起的顽固性感染。

受忽视的抗生素耐受性

抗生素发现和广泛应用不仅挽救了无数人的生命,而且在畜禽养殖的细菌性疾病防控中发挥了至关重要的作用,保障了动物源性食品的稳定供应。

论文共同通讯作者王志强介绍,抗生素耐药性是指细菌具有某些特定的耐药基因,这些耐药基因可以表达耐药酶或激活外排泵等,从而使得细菌能够对抗抗生素。“这种细菌既具有耐药基因,又具有相应的耐药表型。”

而抗生素耐受性是指细菌并没有携带任何特定的耐药基因,从基因型上看属于敏感菌。但这类细菌却能抵抗抗生素的杀灭作用,即具有耐药表型。

论文第一作者和共同通讯作者、扬州大学教授刘源在接受《中国科学报》采访时说,抗生素耐药性可以通过基因组学分析和最小抑菌浓度实验(MIC)进行判定:抗生素耐药菌不仅具有相应的耐药基因,而且MIC也会显著升高。

因此,临床中分离得到细菌后主要通过抗生素敏感性实验判定其对哪些抗生素敏感,对哪些抗生素耐药,从而指导临床用药。

“常规筛查方法和用药策略几乎全部专注于抗生素耐药性。”刘源说,而抗生素耐受性的判定目前没有绝对的定量指标。

在MIC实验测定中,抗生素耐受菌和敏感菌株会表现相同的较低的MIC值;但在杀菌实验中,抗生素耐受菌和敏感菌的表现会截然不同。通常,可以通过固定抗生素作用时间看细菌总菌落数的降低值,来初步判定抗生素耐受性。

即便如此,抗生素耐受性在临床中没有受到充分关注和重视。论文作者、扬州大学教授李瑞超告诉《中国科学报》,抗生素耐受菌可以抵抗抗生素的杀灭作用,因而它们会一直存在于体内,并导致慢性感染和复发性感染。

2017年,《科学》杂志报道,抗生素耐受性还会促进抗生素耐药性的进化和发展。

王志强解释说,由于耐受性细菌在高浓度抗生素存在的环境中存活的时间较长,因此随后获得抗性突变的机会更大。科学家已经证实,耐受性会先于耐药性出现,并且耐受性会增加耐药性突变在群体中传播的机会。

因此,“耐受突变为随后的耐药性快速进化铺平了道路。防止耐受的演变可能为延迟耐药性的出现提供新的策略,降低耐受性的新药或药物组合可能会帮助减缓耐药性的进化。”王志强说,目前在临床中经常忽视耐受性的重要性,对临床细菌药物耐受的研究远远不如细菌耐药性普遍。将来应该对其进行深入研究,并且有针对性地提高治愈率,降低获得性耐药率。

肠道菌群的微妙作用

早在2011年,《科学》杂志就报道了饥饿导致的严谨反应和某些特定细菌产生的硫化氢会介导抗生素耐受性的形成。

但是,“关于抗生素耐受性形成的原因及其诱导因素,尤其是其在体内发生的机制,尚不清楚。”李瑞超说。

“随着人们生活水平的提高,高脂饮食已成为重要的一种日常膳食方式,也伴随着肥胖、II型糖尿病等相关代谢疾病的发生。”王志强告诉《中国科学报》,高脂饮食对于细菌感染性疾病抗生素治疗的影响还不清楚。于是,他们调查了高脂饮食和抗生素耐受性之间的相关性。

“我们研究发现,相较于正常饮食小鼠,高脂饮食小鼠感染后对杀菌抗生素治疗的敏感性降低。”刘源介绍,他们对饲喂64天高脂饮食的小鼠进行腹腔感染,之后2小时实施灌胃抗生素治疗,感染24小时后测定肺组织中细菌的数量。

结果发现,正常饮食小鼠肺组织中细菌数量的降低值高于高脂饮食小鼠,这表明高脂饮食小鼠感染后对杀菌抗生素治疗的敏感性降低。

“发现这个现象后我们着手调查其潜在的机制。”李瑞超说。

基于该结果,他们首先对比评价了抗生素在正常饮食和高脂饮食小鼠之间的药代动力学差异。结果表明,环丙沙星在二者间药物浓度—时间曲线相似,这说明抗生素活性的差异并不是由于药物代谢动力学的影响。

接着,他们通过对高脂饮食小鼠进行肠道菌群清除实验发现,肠道菌群被清除后,高脂饮食对小鼠产生的抗生素耐受性影响也消除了。相应的,移植了高脂饮食小鼠粪便的正常饮食小鼠的抗生素有效性也显著降低。以上结果表明,高脂饮食可能通过影响肠道菌群的组成进而改变了代谢物丰度。

“我们通过实验发现了肠道菌群在这个过程中发挥了关键作用,然后再去找变化的肠道菌群。”刘源说。

发现一种有效的代谢调节剂

通过多样性分析,他们发现,相较于正常饮食小鼠,高脂饮食小鼠的肠道中,拟杆菌科和艾克曼菌数量显著降低,而毛螺菌科细菌显著增多。

刘源告诉记者,拟杆菌科是人类肠道中的共生菌,为身体提供必需的营养。

艾克曼菌又叫嗜粘蛋白艾克曼氏菌,是人类肠道中唯一可贮备与分解粘蛋白,生成碳氮因子的益生菌。粘蛋白属于肠道上皮细胞分泌的一种糖蛋白,富有粘性,胃肠道内表面有大量分布。值得关注的是,近年来发现,艾克曼菌不仅能够对糖尿病、肥胖和心血管病都有一定预防效果,而且还能够增强癌症免疫治疗效果。

而毛螺菌是肠道中含量丰富的专性厌氧菌,参与多种碳水化合物的代谢。

已有研究表明,拟杆菌科细菌是吲哚乙酸生物合成的关键菌株。他们推测,在高脂饮食小鼠肠道菌群中,拟杆菌科细菌数量的降低可能是导致吲哚乙酸含量降低的重要原因。

“我们的研究发现,吲哚乙酸可以激活细菌代谢。主要表现为,吲哚乙酸作用后,细菌能量货币ATP和活性氧水平显著升高。从而阻止了耐受菌株的形成,并帮助抗生素清除耐受菌。” 李瑞超说。

受到研究结论的启发,他们在高脂饮食小鼠的腹膜炎保护模型中,使用细菌代谢调节剂吲哚乙酸IAA和环丙沙星共同方案,取得了很好的治疗效果,显著提高了小鼠的存活率。

不过,刘源强调,关于高脂饮食中艾克曼菌的降低、毛螺菌的升高,在抗生素耐受性形成中发挥的作用有待进一步研究。

除了吲哚乙酸,还有哪些代谢物的改变会影响抗生素耐受性的发生和发展?其潜在的作用机制是什么?李瑞超认为这些问题是他们下一步研究的重点。

刘源说,为了对抗临床细菌引起的顽固性感染,“我们需要充分了解背后可能的原因,并及时找到有效的应对办法。我们的研究不仅揭示了高脂饮食在细菌感染性疾病治疗中的潜在危害,而且表明细菌代谢调节剂可以作为潜在的抗生素增效剂去对抗耐受病原菌引起的顽固性感染。”

“想将从小鼠模型中得到的结论用到其他哺乳动物身上,中间还有很长的路要走。”王志强补充说,“但是更健康和更均衡的膳食方式必然对我们的健康大有裨益”。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41564-021-00912-0

 
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