俄勒冈大学的研究人员发现，将氯酸盐与现有抗生素配对使用，相比单一药物抗生素，对细菌的有效性提高了10,000倍。（CREDIT: 俄勒冈大学）
很少有医院获得性感染像铜绿假单胞菌那样具有抗生素耐药性。这种机会性病菌因其几乎能击败医生药箱中的每一种药物而声名狼藉。它在缺氧环境中茁壮成长——在深层慢性伤口、囊性纤维化患者的肺部，甚至在医疗植入物表面——并通过难以穿透的生物膜保护自身，这些生物膜对药物具有抗性。但一项新发现带来了希望，它利用微生物自身的生存策略来对抗它。
科学家们没有开发新型抗生素，而是学习如何接管细菌代谢——这一过程使这些细胞能在低氧环境中存活。由Gentry、Lear和俄勒冈大学生物学家Melanie Spero领导的研究团队找到了使铜绿假单胞菌再次易感并恢复旧抗生素效力的方法。
在优势中发现弱点
秘密在于细菌的呼吸方式。在缺氧情况下，铜绿假单胞菌使用无氧呼吸。它依赖硝酸盐和亚硝酸盐等化学物质代替氧气，使能量在其细胞中持续流动。这种适应减缓了微生物的生长，并使其能够抵御抗生素的"风暴"——大多数抗生素对快速分裂的细菌效果最佳。
俄勒冈大学助理生物学教授Melanie Spero研究细菌在慢性感染中的行为，以帮助设计下一代疗法。（CREDIT: 俄勒冈大学）
Gentry和Lear的科学家发现，中断这种备用能源会使细菌最薄弱的环节变得可利用。通过抑制有助于将硝酸盐转化为氮气的酶——这一多步骤过程称为脱硝作用——科学家切断了细菌的能量供应。这种干扰使它们重新对妥布霉素和环丙沙星等标准抗生素敏感。
效果非常显著。之前不起作用的抗生素开始再次杀死细菌。就好像切断微生物的电源使其容易受到先前无法奏效的攻击。
重新激活旧抗生素
在俄勒冈大学Spero的实验室中，他的研究人员进一步推进了这一概念。在他们最近发表在《应用与环境微生物学》杂志上的文章中，他们揭示了一种简单的化学技巧，在实验室烧瓶中将抗生素功效提高了10,000倍。将小剂量的氯酸盐——一种酶抑制分子——与现有抗生素混合使用，研究人员成功清除了对单药治疗具有抗药性的铜绿假单胞菌种群。
在使用剂量下对人类无毒的氯酸盐是药物活性的催化剂。"它使细菌细胞处于压力状态，使其对抗生素极其敏感，"Spero说。她的研究人员甚至可以调配出一种非常有效的组合，他们可以使用典型抗生素剂量的1%，仍然达到相同的杀菌效果。
这个协同作用水平可能会改变慢性感染的治疗方法，特别是对于糖尿病足部伤口和其他不愈合的伤口。这种低氧环境为铜绿假单胞菌提供了完美的藏身之处，传统治疗方法在这里失效。"我们能做的任何事情，只要能减少一个人使用抗生素的时间并降低剂量，都是更好的，"Spero说。
为何慢性感染抵抗治疗
慢性伤口——需要数周或数月才能愈合的开放性溃疡——创造了阻碍愈合的缺氧环境。对于糖尿病患者来说，约四分之一会发展出足部溃疡，其中超过一半会感染。最严重的情况会导致截肢。
问题是铜绿假单胞菌不需要氧气就能生存。它调整其代谢，使用硝酸盐作为替代能源，使其能够在身体免疫反应或抗生素给药的情况下存活。传统抗生素是为实验室内有氧条件设计的，在无法穿透这种低氧水平的情况下不起作用。
但当添加氯酸盐时，它占据了细菌所依赖的相同硝酸盐呼吸途径。氯酸盐不会为能量生产提供燃料，而是破坏它，使细胞变弱且易受攻击。Spero在加州理工学院的早期工作证明，这种技术不仅在细胞培养中有效，在糖尿病小鼠模型中也能积极根除感染。
细菌的生长速度减慢，特别是铜绿假单胞菌，使其对传统抗生素具有极强的耐受性。（CREDIT: 俄勒冈大学）
深入细胞内部观察
为了观察为什么这种组合如此有效，研究人员检查了细菌的调控网络如何应对低氧水平。当氧气稀缺时，一个称为Anr的主开关会激活基因，使微生物能够在无氧条件下生存。禁用此开关会使细菌陷入能源危机。
当细胞无法维持其能量梯度——或者说其质子动力——关键过程开始终止。细菌排出抗生素的外排泵停止工作。营养吸收停滞不前。而像一氧化氮这样的有毒中间体积累起来，从内到外杀死微生物。实际上，细菌开始自行解体。
实验证实了这一连锁反应。在氧气受限的条件下，阻断硝酸盐呼吸导致灾难性的细胞死亡，即使在通常具有治疗抗性的成熟生物膜中也是如此。这生动地展示了代谢变化如何将细菌的生存策略转变为致命的弱点。
在抗药性战争中开辟新战线
抗生素耐药性是现代医学面临的最大挑战之一。根据世界卫生组织的说法，铜绿假单胞菌是世界上最危险的病原体之一——迫切需要新的解决方案。开发新抗生素是一个漫长而昂贵的过程，但干扰细菌代谢提供了一条捷径。
"发现当前抗菌药物之间的协同实例将非常有价值，"Spero说。医生可能不需要开发新药物，而是可以将现有药物与代谢抑制剂组合和重新组合，以创造新的疗法。
这一概念，也称为"代谢辅助疗法"，可能远远超出铜绿假单胞菌的范围。当氧气供应不足时，许多病原体都采用相同的厌氧途径——包括引起尿路感染和肺炎的病原体。如果代谢抑制剂可以做到临床安全，它们可能会恢复数十种抗生素的效力。
从实验室到临床
第二个挑战是将这些发现转化为实际治疗方法。氯酸盐及相关化合物在用于人体试验前必须经过严格的安全测试。科学家还需要观察药物组合在混合微生物群落中的效果，因为慢性伤口往往容纳许多共同栖息的不同物种。
Spero的实验室在184万美元的美国国立卫生研究院资助下，正努力了解这些化学混合物在复杂微生物群落中的工作原理。最终，研究人员希望了解哪些细胞应激途径使细菌变得脆弱，以便研究人员能够精确设计新的协同药物，而不是依靠试错法。
目前，这些发现为恢复已无效抗生素的斗争带来了新的希望。通过了解并利用细菌的适应性生物学，研究人员表明，即使是最耐药的微生物也有弱点——只要你知道在哪里寻找。
研究的实际意义
如果这种代谢劫持方法在临床环境中有效，它将改变慢性感染的管理方式。患者将减少抗生素使用天数，减少毒副作用，减少因慢性伤口导致的截肢等并发症。医院将能够更好地控制在医疗设备或呼吸机上滋生的感染，这些地方氧气含量低。
更广泛地说，这些发现为全球对抗抗生素耐药性的斗争提出了新策略——不是通过不断创新，而是通过更明智地利用医学已有的资源。
通过将抗生素与中和细菌防御的药物配对，医生可能能够恢复旧药物的效力，使人类在与超级细菌的持续斗争中占据更强有力的地位。
研究结果可在线获取，发表在《应用与环境微生物学》杂志上。
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