原创Pan XX 抗菌科技圈
第一作者：Lisa M. Stabryla
通讯作者：Leanne M. Gilbertson
通讯单位：匹兹堡大学
研究速览
近期，匹兹堡大学的Leanne M. Gilbertson课题组在Nature Nanotechnology上发表了有关银纳米颗粒和银离子差异抗性机制在细菌活动的作用的研究工作。与传统抗菌剂不同，细菌对银纳米颗粒(AgNPs)耐药性的研究仍处于初级阶段，其演化机制有限且不确定。核心问题仍然是细菌耐药性是由AgNPs、释放的Ag(I)离子驱动的，还是由这些因素和其他因素的组合驱动的。在这里，我们展示了大肠埃希菌K-12 MG1655菌株对AgNPs亚抑制浓度的特异性抗性，而不是Ag(I)离子，这表明在AgNPs被移除并重新引入后，经过8次重复传代后，最低抑制浓度增加了两倍以上，具有统计学意义。全群体基因组测序发现一个cusS突变与遗传抗性相关，可能增加银离子外流。最后，我们排除了颗粒聚集对抗性的影响，并提出抗性的机制可能是由鞭毛为基础的运动增强或介导的。
要点分析
要点一：实验设计原理。大肠杆菌在一个种群中多次传代重复暴露于亚抑制浓度的Ag(I)离子对AgNPs的反应中的实验进化和遗传稳定性，以及在去除压力时传递的耐药表型的遗传稳定性。所采用的方法包括非选择的仅细胞对照种群和抗生素序列传代对照，并通过稳健的统计分析来确认耐药表型。通过比较高运动性大肠杆菌K-12 MG1655 (+IS1)菌株和非运动性大肠杆菌K-12 JW1881菌株(ΔflhD::kan)的耐药反应，强调细菌运动性(许多细菌的关键适应度性状)和其他可能的菌株特异性性状在大肠杆菌AgNP耐药中的重要作用。
图文导读
图1：高运动(+IS1)大肠杆菌的耐药谱。a - c，对AgNPs(黑色三角形，a)、Ag(I)离子(蓝色三角形，b)和氨苄西林(阳性对照)的抗性谱(紫色三角形，c)绘制为MIC与传代数的倍增。每个条件下的非选择传代控制包括在红圈中，它与未经处理的细菌的连续传代有关，在每个传代中(即第一次)都有一个被暴露在感兴趣的抗菌素中。棕褐色的盒子表示没有抗菌压力。
图2: 非运动性大肠杆菌(ΔflhD::kan)的耐药谱。a,b，对AgNPs(黑色三角形，a)和氨苄西林(阳性对照)(紫色三角形，b)的抗性谱，绘制为MIC与传代数的倍增。通道控制包含在红色圆圈中。n的平均±s.d. = 2-3次重复。非运动大肠杆菌(ΔflhD::kan)菌株对AgNPs和氨苄西林均未产生耐药性。
图3: AgNPs (12.5 μ g ml−1) [AgNP])在肉汤中孵育21 h，并用0.45 μm PVDF膜过滤器过滤去除细菌细胞前后聚集。a,c，与大肠杆菌孵育后通过DLS显示颗粒尺寸(水动力直径)的增加。b,d，任意单位AgNPs的紫外-可见-近红外吸收光谱(a.u)显示，与大肠杆菌孵育后，在λmax≈420 nm处特征LSPr变宽，表明聚集正在发生。a,b，存在非运动大肠杆菌的AgNPs(仅agnp敏感)。c,d, AgNPs在高活性大肠杆菌AgNP敏感菌株和AgNP耐菌株的存在下(传代20后)，它们都表现出类似的聚集行为。
结论
该工作研究表明，在反复暴露于亚抑制浓度的Ag(I)离子和AgNPs后，高运动性和非运动性大肠杆菌菌株的耐药反应不同。在高运动性大肠杆菌中发现了AgNP耐药(即MIC在统计上显著增加两倍以上)，并保持稳定，没有恢复到AgNP敏感性，而非运动性大肠杆菌没有表现出耐药。在高运动性大肠杆菌菌株中发现了cusS的永久性突变，这表明通过增加银离子外流产生抗性的直接机制可能是由运动表型共同介导或增强的。这些发现为细菌对AgNPs的耐药发展提供了关键见解，强调了细菌运动性的潜在作用。确定细菌运动性可能在粒子聚集之外发挥独立作用是一个很好的的结果，因为它指导了未来的研究，以揭示耐药性的详细机制。此外，这项研究的有很大的希望发现对于减少致病性疾病和感染的负担，因为有许多非运动的、临床相关的耐药菌株是AgNP治疗的潜在靶点。美国疾病控制与预防中心将艰难梭状芽胞杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌以及各种不动杆菌和链球菌列为紧迫和严重的威胁，所有这些都是不动的，或者在铜绿假单胞菌的情况下，可能在晚期和慢性感染中出现不动的情况。我们的数据表明，AgNPs可能对非运动性菌株有效并保持有效，没有耐药性或可能出现延迟耐药性。
全文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00929-w
参考文献：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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