多組學揭秘Bi-MOF光聲技術可實現(xiàn)感染早期診斷
令人滿意的感染治療高度依賴于早期診斷并及時干預。在難治性感染和感染復發(fā)中，抑制抗生素耐受型細菌可能是阻斷細菌向耐藥演變和根除病原體的治療關鍵點。迄今為止，尚無針對抗生素耐受型細菌的治療藥物被批準。
2022年11月4日，國際頂刊Nano Today（IF 18.962）在線發(fā)表了上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院湯亭亭教授和楊盛兵副研究員團隊的創(chuàng)新研究成果“Multi-roles of nanoscale bismuth metal-organic frameworks: Infectious photoacoustic probe and inhibitor of antibiotics tolerant bacteria via targeting endogenous H2S”。該研究利用光聲成像技術成功檢測了早期細菌感染，并利用Bi-MOF作為感染探針、抗生素載體和增強劑根除了抗生素耐受型細菌的感染。這一創(chuàng)造性策略為抗生素耐受型細菌的相關感染治療提供了啟示。其中，中科新生命提供了TMT蛋白質(zhì)組+代謝組檢測服務。
研究材料
野生型和甲氧西林耐受型MRSA
技術路線
步驟2：Bi-MOF表征及其作為細菌感染光聲成像（PAI）探針的研究；
步驟3：Bi-MOF增強了甲氧西林對耐受型菌株的殺菌效果，并通過降低胞內(nèi)H2S水平防止其產(chǎn)生；
步驟5：Bi-MOF在體內(nèi)感染早期檢測中的應用；
步驟6：Bi-MOF在耐受型菌株誘導的小鼠皮下感染模型中可協(xié)同增強甲氧西林的治療效果并抑制感染復發(fā)。
研究結果
1. 野生型和抗生素（甲氧西林）耐受型（金黃色葡萄球）菌中的H2S水平
通過循環(huán)抗生素暴露演化法，研究人員基于野生型MRSA獲得了耐甲氧西林MRSA (ATCC 25923) ，以下簡稱（抗生素）耐受型菌株。用H2S熒光探針和pb(ac)2檢測法測定野生型和耐受型菌株的細胞內(nèi)H2S水平。結果表明，耐受型菌株的H2S水平高于野生型 (圖1D-F)。胞內(nèi)H2S定量分析顯示，耐受型菌株的胞內(nèi)H2S水平顯著高于野生型(圖1E)。這些結果表明，在耐受型菌株中，H2S發(fā)生上調(diào)。
圖1 耐甲氧西林MRSA對甲氧西林耐受性演變和胞內(nèi)H2S水平提高
2. Bi-MOF表征及其作為細菌感染PAI探針的研究
未經(jīng)處理的MRSA接種物經(jīng)過Bi-MOF處理12 h后，顏色由淺黃色變?yōu)楹谏▓D2D），通過PAI信號測試，證實Bi-MOF可以作為細菌感染檢測探針(圖2E-F)。結合XRD譜圖和透射電鏡觀察的結果發(fā)現(xiàn)，Bi-MOF與胞內(nèi)H2S反應形成Bi2S3,其在激光照射下可發(fā)出PAI信號(圖2H-G)。因此，Bi-MOF可作為細菌感染的PA檢測探針。
圖2 Bi-MOF相關表征及其作為體外細菌感染光聲(PA)診斷探針的性能
3. Bi-MOF增強了甲氧西林對耐受型菌株的殺菌效果，并通過降低胞內(nèi)H2S水平防止其產(chǎn)生
通過兩種獨立的方法研究了在正常和抗生素應激條件下，Bi-MOF對耐受菌H2S的影響。結果證實，無論是在正常狀態(tài)下還是在抗生素壓力下，Bi-MOF治療都有效地下調(diào)了耐甲氧西林MRSA的細胞內(nèi)H2S水平。隨后，又通過其他檢測發(fā)現(xiàn)Bi-MOF能使耐受菌對甲氧西林敏感（圖3E-G），并協(xié)同增強甲氧西林對耐受菌株的殺菌作用（圖3I）。
圖3 Bi-MOF抑制細胞內(nèi)H2S水平，協(xié)同增強甲氧西林對耐受菌的根除效果
4. 多組學分析揭示Bi-MOF作用的潛在機制
基于蛋白質(zhì)組學和代謝組學的多組學分析，發(fā)現(xiàn)Bi-MOF處理導致細胞內(nèi)發(fā)生強烈的蛋白毒性應激、能量動員和硫代謝，同時下調(diào)了與毒力因子和細胞壁合成相關的基因。這些潛在的機制，可能共同有助于增強甲氧西林對耐甲氧西林MRSA的殺菌效果（圖4）。
圖4 Bi-MOF處理耐甲氧西林MRSA的多組學分析
5. Bi-MOF在體內(nèi)感染早期檢測中的應用
研究探索了Bi-MOF在活體小鼠皮下感染模型中的診斷性能。對小鼠進行PAI檢測，結果顯示Bi-MOF處理小鼠創(chuàng)面區(qū)域皮下腔內(nèi)PAI信號強度呈時間依賴性升高，實時生成良好的對比圖像（圖5A-C）。該結果表明Bi-MOF與內(nèi)源性細菌H2S反應生成Bi2S3，在激光刺激下產(chǎn)生滿意的PAI信號。綜上，Bi-MOF可作為一種具有空間信息的細菌感染實時精確檢測工具。
圖5 Bi-MOF通過激光觸發(fā)光聲(PA)成像實現(xiàn)了感染的實時原位診斷
6. Bi-MOF在耐受型菌株誘導的小鼠皮下感染模型中可協(xié)同增強甲氧西林的治療效果并抑制感染復發(fā)
通過建立耐甲氧西林MRSA皮下感染的小鼠模型，分別用甲氧西林單獨或聯(lián)合Bi-MOF進行5天的抗生素治療，檢測其體內(nèi)治療效果，其后再觀察一周，檢查感染是否再次發(fā)生。通過監(jiān)測創(chuàng)面活菌載量、H2S水平等檢測發(fā)現(xiàn)，甲氧西林的短期抗生素治療促使耐受菌感染的短暫抑制，但不能完全根除，導致感染復發(fā)。Bi-MOF作為抗生素增強劑，與甲氧西林協(xié)同作用，有效根除創(chuàng)面內(nèi)的耐受菌，促進創(chuàng)面愈合，緩解炎癥浸潤（圖6）。
圖6 Bi-MOF協(xié)同增強甲氧西林對耐甲氧西林MRSA的根除效果
小編小結
本研究合成了一種靶向耐受MRSA的治療性抗生素增強劑，通過體內(nèi)外實驗證實，其可有效下調(diào)細菌細胞內(nèi)H2S水平，根除耐甲氧西林MRSA感染，防止感染復發(fā)。此外，又通過多組學分析深入揭示了Bi-MOF治療耐受菌的全景和其抗菌作用背后的詳細機制。
