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晦暗中有光?細菌褪去外衣以躲避抗生素的攻擊

細菌以驚人的速度發展出逃避藥物的機制,以至聯合國宣布將抗生素耐藥性列為全球衛生緊急事件,預計到 2050 年每年可殺死數百萬人。研究人員一直在研究有關這種耐藥現象的機制。這些狡猾的微生物利用各種技巧來逃避我們的偵查,近日,英國 Newcastle University 發表了新的研究成果於 Nature Communications 上 [1] ,一周內登遍國內外的主流媒體版面,這是首次科學家記錄到細菌脫落保護殼並改變形狀以逃避抗生素偵查的實際狀況。

尿道感染(urinary tract infection; UTI)為臨床常見的疾病,抗生素的給予通常用於急性發作或是預防復發,但有時候無法完全解決問題,甚至衍變為復發性(recurrent)尿道感染。多數臨床使用的抗生素的殺滅效率取決於目標細菌的生理狀態。一般認為造成細菌耐藥的原因是耐藥基因的形成與持久性細菌的增長,這些持久性細菌在藥物存在的情況下不會增生,但隨著時間的推移,它們可以轉換成生長狀態,所以當抗生素被去除時,這些細胞會產生與原始細胞一樣敏感的種群,並產生相似比例的持久性細胞。細菌持久性(bacterial persistence)指的是同基因群體的抗生素敏感性細菌產生稀有細胞的現象,這些細胞暫時變成耐多藥性,與抗生素抗性(antibiotic resistance)不同的是,持久性是一種非遺傳繼承現象 [2]

L 型(L-form)可作為持久細胞,並在 β-lactam 存在的情況下生長,過去的研究指出引起 rUTI 的細菌可以通過採用 L 型狀態而倖免於細胞壁特異性抗生素的治療,由於常規的微生物培養基不支持 L 型細菌的生長,因此在臨床環境中L型幾乎完全被忽略。L 型細菌,又稱為細胞壁缺陷(Cell wall-deficient; CWD)細菌 [3],該菌株由 Emmy Klieneberger-Nobel 在 1935 年於英國 Lister 研究所發現,她描述 -「一些L型菌株可以無限繁殖,而其他L型菌株則可以恢復細菌形式,在沒有細胞壁保護的情況下,它如何能生存?」以當時科學界對細菌的認知,不難看出她的驚訝程度。

研究團隊從 30 名 rUTI 的老年患者中取得 29 名的尿液樣本,分析後發現 61% 的 L 型細菌並觀察到,從患者樣本分離出的大腸桿菌菌株在 β-lactam(靶向細胞壁的抗生素)治療後,很容易從壁型轉變成 L 型,且在停止使用抗生素後又會恢復成原本的壁型狀態(圖1)。由於 L 型不同於壁型,生長速度較慢且必須在滲透壓保護的狀態下生長,有別於無滲透壓保護的培養基,在滲透壓保護作用的介質上,作者觀察到分離出的大腸桿菌膨漲後,經歷了一系列不穩定的 L 型分裂,並在這種狀態下繼續生長。再次確認了這些導致 rUTI 的大腸桿菌符合 L 型生長的特質。

圖1-L型轉換作為細菌感染復發的機制。Doi: 10.1038/s41467-019-12359-3

此研究的通訊作者 Dr. Jeff Errington 長期對於 L 型細菌進行研究,在 2018 年發表於 Cell 的研究論文指出,免疫細胞或免疫反應物(如溶菌酶)可以將細菌轉化為 L 型,進而保護它們免於 β-lactam 的侵害 [4](圖2)。同團隊在 2019 年 7 月發表於 Nature Microbiology 的研究論文更進一步指出,通過降低醣解作用或活化醣質新生作用,對代謝失衡進行生理補償可減輕 β-lactam 的毒性,從而導致在溶菌酶存在的情況下,L 型細菌持續增殖 [5]。綜合以上的研究,要有效清除某些復發性感染,可能需要將標靶細胞壁的抗生素與其他類別的抗生素(例如標靶細菌膜的抗生素)組合使用,以增加臨床治療的有效性。

圖2-免疫細胞可以將細菌轉化為L型,進而保護它們免於β-lactam的侵害。Doi: 10.1016/j.cell.2018.01.021

參考文獻:

  1. K. M. Mickiewicz et al., Possible role of L-form switching in recurrent urinary tract infection. Nat Commun 10, 4379 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-12359-3
  2. E. Maisonneuve, K. Gerdes, Molecular mechanisms underlying bacterial persisters. Cell 157, 539-548 (2014). https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.050
  3. M. Leaver, P. Dominguez-Cuevas, J. M. Coxhead, R. A. Daniel, J. Errington, Life without a wall or division machine in Bacillus subtilis. Nature 457, 849-853 (2009). https://doi.org/10.1038/nature07742
  4. Y. Kawai, K. Mickiewicz, J. Errington, Lysozyme Counteracts beta-Lactam Antibiotics by Promoting the Emergence of L-Form Bacteria. Cell 172, 1038-1049 e1010 (2018). https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.01.021
  5. Y. Kawai et al., Crucial role for central carbon metabolism in the bacterial L-form switch and killing by beta-lactam antibiotics. Nat Microbiol 4, 1716-1726 (2019) https://doi.org/10.1038/s41564-019-0497-3

撰文|洪維謙
審稿|蕭皓文

About the author

洪 維謙

洪 維謙

國立陽明大學腦科學研究所,過去在中央研究院研究遺傳緩衝效應。對於政治、社科、經濟等領域也稍有涉略,希望藉由investigator提升科學在台灣社會的能見度。

2 Comments

  • 1. 只有大腸菌或是其他的GNB也有類似情況?
    2. 只有對beta lactamase 型抗藥性(ESBL)下存在轉L-form或是在其他抗藥性(ex. carbapenem resistance) 也有類似機制?

    • 1. 由於缺少細胞壁的關係,所以臨床使用GNB的染色法來檢測L-form細菌,但GPB(10.1038/nature07742)與GNB皆可發展成L-form細菌,L-form為一種生物物理機制而不具有物種特異性(10.1016/j.cell.2013.01.043)。
      2. β-lactam類的抗生素,包含penicillin derivatives, carbapenem(10.1128/AAC.00756-19), cephalosporins, monobactams皆有L-form細菌產生的case出現(10.1016/j.tim.2019.07.008)。

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