时机是细菌存活抗生素的关键

对于面临一剂抗生素的细菌，时机可能是逃避破坏的关键。在一系列实验中，普林斯顿大学的研究人员发现修复受到抗生素损伤的DNA的细胞在恢复生长前有更好的生存机会。

当抗生素袭击一群细菌时，通常只有一小部分“持久性”细胞存活，从而构成复发感染的威胁。与对抗生素具有遗传抗性的细菌不同，有证据表明，持久性部分通过阻止药物靶向的细胞过程而保持活力。

在一项新的研究中，普林斯顿研究人员研究了一类针对细菌DNA的抗生素。在细菌群体中，一些细胞在恢复生长之前修复受损的DNA，而其他细胞在修复之前恢复生长。研究人员发现那些在恢复生长之前进行修复的人通常是那些能够持久存活的人。该研究提出了一个长期目标，使抗生素治疗更有效。

在6月18日发表于“美国国家科学院院刊”的研究结果中，博士后研究员Wendy Mok和化学与生物工程副教授Mark Brynildsen分析了大肠杆菌对氧氟沙星治疗的反应，抗生素通过阻断DNA复制和RNA转录所需的酶而导致DNA损伤。他们的工作建立在Brynildsen实验室先前的研究结果基础之上，该实验室发现氧氟沙星的持久性需要DNA修复机器才能存活。

“但这并不能保证他们必然会生存，”莫说。“我们假设DNA修复的时间和DNA合成等生长相关活动的恢复可能会影响治疗后持久性的存活。”

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。研究人员利用这些细菌创造了一个均匀的细胞群，其生长停滞，可以耐受氧氟沙星抗生素。

他们发现，这些非生长细胞经历了类似于用氧氟沙星处理的生长细胞的DNA损伤。然而，非生长细胞显示出在治疗后恢复DNA合成和修复的延迟。

通过控制关键DNA修复蛋白RecA的活性，研究人员测试了进一步延迟DNA修复的效果，直到DNA合成恢复。与连续产生RecA的细胞相比，这导致存活率降低七倍，证明氧氟沙星的持久性依赖于在合成生长所必需的新DNA之前修复DNA损伤。

然后，Mok和Brynildsen检查了在低营养环境中的正常细胞中的持久性，以阻止其生长，模拟细菌经常在受感染宿主中遇到的情况。实际上，在氧氟沙星处理后，如果细胞缺乏碳源至少3小时，他们观察到对抗生素几乎完全耐受。这种耐受性取决于有效的DNA修复过程。他们还观察到，在生物膜中生长的细胞处理后，氧氟沙星的营养缺乏增强了对氧氟沙星的持久性，生物膜是粘附在表面上的细菌群，并且与大多数医院治疗的细菌感染有关。

比利时Leuven-VIB大学微生物学教授Jan Michiels表示，该研究使用“优雅的模型系统”来探究持久性的潜在机制。没有参与这项研究的米歇尔斯表示，它代表了“一个具有里程碑意义的发现，为持久性细胞如何避免死亡提供了新的基本见解。”

氧氟沙星和其他类似的抗生素被列入世界卫生组织的基本药物标准清单，这是满足医疗保健需求的最重要药物目录。抑制细菌持久性可能是使这些疗法更有效地对抗尿路感染，葡萄球菌感染和其他细菌性疾病的有希望的途径。

“营养饥饿是细菌在感染部位经常遇到的压力，”莫说。“我们的研究结果表明，在抗生素治疗后的这段时间内，我们可以考虑针对这些DNA修复过程中的一些进行研究，看看是否可以改善治疗效果。”一种违反直觉的方法可能是在抗生素治疗后加速细菌生长，从而使细胞超过其修复机制并死亡。然而，研究人员补充说，其他方法可能比培养患者病原体的生长更好。

Brynildsen的小组和其他人有兴趣寻找可能干扰细菌DNA修复的潜在药物化合物，以及检查抗生素耐受性和遗传抗性之间的关系。