扬州大学王志强和刘源教授团队近期发现，食品添加剂山梨酸钾可在携带mcr的细菌中诱导高水平的氟喹诺酮类药物耐受，而外源回补琥珀酸可逆转该过程，为理解和解决抗生素耐受性问题提供了科学依据。相关成果以“A dietary source of high level of fluoroquinolone tolerance in mcr-carrying Gram-negative bacteria”为题发表在Research上。
Citation：
Xu T, Fang D, Li F, Wang Z, Liu Y. A Dietary Source of High Level of Fluoroquinolone Tolerance in mcr-Carrying Gram-Negative Bacteria. Research 2023;6:Article 0245.
https://doi.org/10.34133/research.0245
研究背景
抗生素的过度使用导致了全球抗生素耐药性危机，严重威胁人类和动物健康。mcr是近年来发现的多粘菌素耐药新基因，在动物和人之间广泛传播。除抗生素耐药性外，另一种常见的细菌对抗抗菌药物杀伤的策略是耐受性。抗生素耐受性是指细菌暴露于抗生素后存活更长时间的能力，是临床慢性和反复感染的主要原因之一。由于缺乏标准的定量指标，抗生素耐受性在临床实践中经常被忽视，对人和动物健康构成重大威胁。然而，目前对抗生素耐受性形成的原因和潜在的分子机制仍知之甚少。山梨酸钾是国际粮农组织和世界卫生组织推荐的高效低毒防腐剂，广泛应用于食品、饮料和动物饲料中，也是目前国际上公认的最安全的食品化学防腐剂之一，但其对抗生素有效性的影响目前尚不清楚。
研究进展
作者首先通过时间杀菌曲线来评价山梨酸钾加入后细菌对抗生素敏感性的变化，发现山梨酸钾特异性减弱了氟喹诺酮类抗生素对携带mcr基因的革兰阴性菌的杀菌活性（图1）。TD test和全基因组测序结果表明，山梨酸钾并没有诱导产生可遗传的耐药性突变。MDK99 测定进一步确定山梨酸钾诱导了耐受性而非持留性形成（图2）。图1 PS降低氟喹诺酮类药物对携带mcr的革兰阴性菌的抗菌活性图2 基于TDtest分离PS诱导的耐受菌株
接下来，作者对山梨酸钾诱导前后的大肠杆菌进行RNA测序，结果表明山梨酸钾显著改变了mcr阳性菌的碳水化合物代谢和能量代谢（图3）。图3 大肠杆菌经PS处理后的转录组分析
进一步研究表明，山梨酸钾通过抑制细菌有氧呼吸来削弱细菌代谢，并通过耗散细菌PMF来减少ATP的产生，从而降低了环丙沙星杀菌活性（图4）。图4 PS抑制细菌代谢
作者对其中的分子机制进行研究，发现山梨酸钾会导致细胞内三羧酸循环的中间体富马酸的积累，从而激活细菌双组分系统，降低外膜蛋白OmpF的表达和减少抗生素的胞内积累，而补充琥珀酸盐可以有效逆转这一现象（图5）。与此同时，富马酸抑制了细菌代谢，减少胞内ROS的产生，并通过SOS反应抑制了环丙沙星引起的DNA损伤，从而降低了抗生素的活性（图6）。图5 PS通过FRD/SDH系统促进细菌胞内富马酸的累积图6 PS减轻环丙沙星诱导的细菌DNA损伤
在多种动物感染模型中同样发现，山梨酸钾的提前饲喂会显著降低大蜡螟和小鼠的存活率，提高小鼠脏器的载菌量，降低环丙沙星的治疗效果，导致抗感染治疗的失败（图7）。图7 PS饲喂降低环丙沙星在体内的有效性
未来展望
抗生素耐受性的形成不仅严重制约了临床抗感染治疗的有效性，而且可以促进耐药性的演变，即使是在联合用药的情况下。因此，深入了解耐受性形成的重要驱动因素和分子机制，对于从源头上有效防控耐受及耐药菌具有重要科学意义。该研究报道了一种新的食源性因素诱导的抗生素耐受性。揭示了在复杂的临床环境中，由山梨酸钾诱导的对黏菌素耐药且对氟喹诺酮类耐受细菌出现的潜在风险，为抗生素耐受性的形成和控制提供了全新的见解。