原創Pan XX 抗菌科技圈
第一作者：Lisa M. Stabryla
通訊作者：Leanne M. Gilbertson
通訊單位：匹茲堡大學
研究速覽
近期，匹茲堡大學的Leanne M. Gilbertson課題組在Nature Nanotechnology上發表了有關銀納米顆粒和銀離子差異抗性機制在細菌活動的作用的研究工作。與傳統抗菌劑不同，細菌對銀納米顆粒(AgNPs)耐藥性的研究仍處於初級階段，其演化機制有限且不確定。核心問題仍然是細菌耐藥性是由AgNPs、釋放的Ag(I)離子驅動的，還是由這些因素和其他因素的組合驅動的。在這裡，我們展示了大腸埃希菌K-12 MG1655菌株對AgNPs亞抑制濃度的特異性抗性，而不是Ag(I)離子，這表明在AgNPs被移除並重新引入後，經過8次重複傳代後，最低抑制濃度增加了兩倍以上，具有統計學意義。全群體基因組測序發現一個cusS突變與遺傳抗性相關，可能增加銀離子外流。最後，我們排除了顆粒聚集對抗性的影響，並提出抗性的機制可能是由鞭毛為基礎的運動增強或介導的。
要點分析
要點一：實驗設計原理。大腸桿菌在一個種群中多次傳代重複暴露於亞抑制濃度的Ag(I)離子對AgNPs的反應中的實驗進化和遺傳穩定性，以及在去除壓力時傳遞的耐葯表型的遺傳穩定性。所採用的方法包括非選擇的僅細胞對照種群和抗生素序列傳代對照，並通過穩健的統計分析來確認耐葯表型。通過比較高運動性大腸桿菌K-12 MG1655 (+IS1)菌株和非運動性大腸桿菌K-12 JW1881菌株(ΔflhD::kan)的耐葯反應，強調細菌運動性(許多細菌的關鍵適應度性狀)和其他可能的菌株特異性性狀在大腸桿菌AgNP耐葯中的重要作用。
圖文導讀
圖1：高運動(+IS1)大腸桿菌的耐葯譜。a - c，對AgNPs(黑色三角形，a)、Ag(I)離子(藍色三角形，b)和氨苄西林(陽性對照)的抗性譜(紫色三角形，c)繪製為MIC與傳代數的倍增。每個條件下的非選擇傳代控制包括在紅圈中，它與未經處理的細菌的連續傳代有關，在每個傳代中(即第一次)都有一個被暴露在感興趣的抗菌素中。棕褐色的盒子表示沒有抗菌壓力。
圖2: 非運動性大腸桿菌(ΔflhD::kan)的耐葯譜。a,b，對AgNPs(黑色三角形，a)和氨苄西林(陽性對照)(紫色三角形，b)的抗性譜，繪製為MIC與傳代數的倍增。通道控制包含在紅色圓圈中。n的平均±s.d. = 2-3次重複。非運動大腸桿菌(ΔflhD::kan)菌株對AgNPs和氨苄西林均未產生耐藥性。
圖3: AgNPs (12.5 μ g ml−1) [AgNP])在肉湯中孵育21 h，並用0.45 μm PVDF膜過濾器過濾去除細菌細胞前後聚集。a,c，與大腸桿菌孵育後通過DLS顯示顆粒尺寸(水動力直徑)的增加。b,d，任意單位AgNPs的紫外-可見-近紅外吸收光譜(a.u)顯示，與大腸桿菌孵育後，在λmax≈420 nm處特徵LSPr變寬，表明聚集正在發生。a,b，存在非運動大腸桿菌的AgNPs(僅agnp敏感)。c,d, AgNPs在高活性大腸桿菌AgNP敏感菌株和AgNP耐菌株的存在下(傳代20後)，它們都表現出類似的聚集行為。
結論
該工作研究表明，在反覆暴露於亞抑制濃度的Ag(I)離子和AgNPs後，高運動性和非運動性大腸桿菌菌株的耐葯反應不同。在高運動性大腸桿菌中發現了AgNP耐葯(即MIC在統計上顯著增加兩倍以上)，並保持穩定，沒有恢復到AgNP敏感性，而非運動性大腸桿菌沒有表現出耐葯。在高運動性大腸桿菌菌株中發現了cusS的永久性突變，這表明通過增加銀離子外流產生抗性的直接機制可能是由運動表型共同介導或增強的。這些發現為細菌對AgNPs的耐葯發展提供了關鍵見解，強調了細菌運動性的潛在作用。確定細菌運動性可能在粒子聚集之外發揮獨立作用是一個很好的的結果，因為它指導了未來的研究，以揭示耐藥性的詳細機制。此外，這項研究的有很大的希望發現對於減少致病性疾病和感染的負擔，因為有許多非運動的、臨床相關的耐葯菌株是AgNP治療的潛在靶點。美國疾病控制與預防中心將艱難梭狀芽胞桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌以及各種不動桿菌和鏈球菌列為緊迫和嚴重的威脅，所有這些都是不動的，或者在銅綠假單胞菌的情況下，可能在晚期和慢性感染中出現不動的情況。我們的數據表明，AgNPs可能對非運動性菌株有效並保持有效，沒有耐藥性或可能出現延遲耐藥性。
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00929-w
參考文獻：L.M. Stabryla, K.A. Johnston, N.A. Diemler, V.S. Cooper, J.E. Millstone, S.J. Haig, L.M. Gilbertson, Role of bacterial motility in differential resistance mechanisms of silver nanoparticles and silver ions, Nat Nanotechnol 16(9) (2021) 996-1003.
DOI: 10.1038/s41565-021-00929-w
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