生物物理学家发现小细菌群体如何在治疗中存活下来

埃默里大学的一项新研究发现，小群体的致病菌可能比较大的群体难以杀死，因为它们对抗生素的反应不同。eLife杂志发表了这项研究，结果表明，含有100个或更少细胞的细菌群体随机地对抗生素产生反应 - 不像大群体那样均匀。

“我们已经证明，未被药物治疗杀死的细菌细胞可能没什么特别之处- 它们可以随机存活，”主要作者Minsu Kim说，他是物理系的助理教授，也是埃默里抗生素的成员。抵抗中心。

“这种随机性是一把双刃剑，”金补充道。“从表面上看，它使得预测治疗结果变得更加困难。但我们找到了一种方法来操纵这种固有的随机性，以便以100%的概率清除少量细菌。通过调整细菌的生长和死亡率细胞，你可以使用低抗生素浓度清除小群甚至抗生素抗性细菌。“

研究人员使用两种不同类别的抗生素药物混合物开发了一种治疗模型。他们首先证明了该模型在实验室实验中对少数大肠杆菌细菌的有效性，这些细菌没有抗生素耐药性。在后来的实验中，他们发现该模型也适用于临床分离的抗生素耐药大肠杆菌的少量人群。

“我们希望我们的模型可以帮助开发更复杂的抗生素药物方案 - 使它们在一些感染的较低剂量下更有效，”Kim说。“这很重要，因为如果你治疗细菌感染并且不能完全杀死它，那么这会导致抗生素耐药性。”

根据2014年抗菌药物耐药性评估报告，预计抗生素耐药性将导致每年3亿人过早死亡，到2050年全球医疗保健负担达到100万亿美元。这种流行病的部分原因是无法可靠地根除抗生素敏感细菌的感染。

几十年来，人们认为仅仅将细菌的种群大小减少到几百个细胞就足够了，因为感染者的免疫系统可以清除剩余的细菌。

“最近，很明显，在感染过程中，少量细菌真的很重要，”金说。“传染性剂量 - 引发感染所需的细菌细胞数量 - 对于某些细菌种类来说是几个或几十个细胞，而对于其他细菌则低至一个细胞。”

然而，人们尚不清楚为什么用抗生素治疗细菌有时会起作用，有时也会失败。促成因素可能包括感染者的免疫反应的变化以及细菌细胞可能的突变变得更具毒性。

金怀疑更重要的是一个因素。研究显示，即使在像线虫蠕虫(一种用于研究细菌毒力的常见模型)这样的简单生物体中，抗生素敏感性感染也出乎意料地治疗失败。

通过关注小型细菌种群，埃默里团队发现了动力学与大型细菌的不同之处。抗生素诱导细菌细胞的浓度波动。当增长率随机性超过死亡率时，细菌的清除失败。

研究人员利用这些知识开发了两种不同抗生素的低剂量鸡尾酒药物疗法。他们将杀菌剂(杀死细菌)和抑菌剂(减缓细菌生长)结合起来，控制细胞数量的随机波动，提高细胞死亡率超过生长速度的可能性。

并非所有抗生素都适合该模型，并且需要更多研究来改进临床环境中的应用方法。

“我们发现抗生素细菌感染的成功治疗比我们想象的要复杂得多，”金说。“我们希望这些知识能够产生新的策略来对抗抗生素抗性细菌引起的感染。”