斯坦福研究人員已經(jīng)證明，尿路感染(UTI)中的細(xì)菌依賴于分子纖維素的新型化學(xué)形式來(lái)粘附膀胱細(xì)胞。該研究結(jié)果發(fā)表在“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上，可能會(huì)導(dǎo)致治療UTI和其他無(wú)抗生素感染的新方法。

研究聯(lián)合負(fù)責(zé)人，斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院化學(xué)副教授Lynette Cegelski表示，抗生素過(guò)度使用會(huì)導(dǎo)致對(duì)我們身體共享的天然細(xì)菌的抵抗和影響，稱為微生物組。“有很多方法可以針對(duì)疾病，如果你只針對(duì)特定細(xì)菌的毒力策略，你仍然可以預(yù)防感染，并消除對(duì)你的微生物組的完全侮辱，”她補(bǔ)充說(shuō)。

纖維素是由植物，藻類和一些細(xì)菌產(chǎn)生的，是地球上最豐富的有機(jī)聚合物。它也是研究最好的之一，因?yàn)樗糜谏a(chǎn)從紙張到乙醇燃料的所有產(chǎn)品。因此，當(dāng)Cegelski團(tuán)隊(duì)今年早些時(shí)候宣布他們?cè)诩?xì)菌大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了一種化學(xué)上獨(dú)特的纖維素形式，稱為pEtN(用于化學(xué)基團(tuán)磷酸乙醇胺)時(shí)，這是令人驚訝的。

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在“科學(xué)”雜志上，表明pEtN纖維素是細(xì)菌生物膜中的一個(gè)重要組成部分，這是一種粘稠的分泌物，細(xì)菌可以分泌營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，保護(hù)自己免受抗生素和宿主的免疫系統(tǒng)攻擊。

在這項(xiàng)新研究中，Cegelski的研究小組表明，pEtN在UTI中也起著重要作用。UTI是世界上最常見(jiàn)的傳染病之一，大腸桿菌是其中的罪魁禍?zhǔn)字弧?/p>

“我們?cè)谶@里的實(shí)驗(yàn)揭示了纖維素的一種特殊功能，它可以起到像砂漿一樣的作用，增強(qiáng)細(xì)菌與膀胱上皮細(xì)胞的粘附強(qiáng)度，”研究聯(lián)合負(fù)責(zé)人杰拉德·富勒說(shuō)，他是弗萊徹瓊斯二世教授。工程。

來(lái)自意外來(lái)源的幫助

這一發(fā)現(xiàn)是斯坦福午餐活動(dòng)偶然發(fā)生的結(jié)果，富勒得知Cegelski的小組正在尋找一種方法來(lái)測(cè)量一層大腸桿菌粘附在一層分離的膀胱細(xì)胞上的強(qiáng)度。“哦，我可以幫助你，”富勒自告奮勇。

幾年前，富勒開(kāi)發(fā)了一種稱為活細(xì)胞單層流變儀(LCMR)的儀器，用于研究隱形眼鏡對(duì)角膜細(xì)胞的粘附。“我們想知道當(dāng)你摘下隱形眼鏡時(shí)，眼睛的細(xì)胞是否粘附在隱形眼鏡的下腹部，我們發(fā)現(xiàn)確實(shí)是這樣，”富勒說(shuō)。

LCMR旨在使玻璃板與單個(gè)活細(xì)胞層接觸，然后在它們之間保持恒定的壓力。附帶的顯微鏡允許科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)細(xì)胞，加熱的底板有助于保持細(xì)胞的活力。

科學(xué)家們意識(shí)到，通過(guò)一些調(diào)整，富勒的儀器可以達(dá)到Cegelski的想法。“對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，我們改進(jìn)了顯微鏡，以便在測(cè)量過(guò)程中更好地可視化細(xì)菌和膀胱細(xì)胞層之間的接觸，”第一作者Emily Hollenbeck研究，他是Cegelski和Fuller的前聯(lián)合研究生。“這是一項(xiàng)重要的檢查，以確保我們始終測(cè)量這些非常薄的層之間的粘附力。”

讓細(xì)菌作為單層生長(zhǎng)也證明具有挑戰(zhàn)性，并且在成功之前，Hollenbeck花了好幾次嘗試。“創(chuàng)造均勻的細(xì)菌和膀胱細(xì)胞層對(duì)于獲得可重復(fù)的LCMR測(cè)量非常重要，”Hollenbeck說(shuō)。“用不斷增長(zhǎng)和適應(yīng)環(huán)境的材料制造這些均勻的層尤其具有挑戰(zhàn)性。”

打破感染的循環(huán)

以前的研究已經(jīng)注意到pEtN纖維素和稱為curli的細(xì)胞表面纖維被編織在一起以產(chǎn)生大腸桿菌生物膜。而且卷曲與腎臟感染和敗血癥有關(guān)。“感染越嚴(yán)重，這些細(xì)菌就越容易產(chǎn)生卷曲，”Cegelski說(shuō)。

Cegelski想要了解的是pEtN和curli對(duì)細(xì)菌與宿主細(xì)胞粘附的相關(guān)貢獻(xiàn)以及它們?cè)诟腥具^(guò)程中如何協(xié)同作用。為了回答這些問(wèn)題，她的小組設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)分別測(cè)試卷曲和纖維素的粘合強(qiáng)度。

在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，它們將生物膜包含纖維素和卷曲的大腸桿菌附著到LCMR的頂板上，然后使其與含有膀胱細(xì)胞的底板接觸。然后科學(xué)家迅速將頂板水平剪切了一小部分，由此產(chǎn)生的粘合應(yīng)力水平使他們能夠定量測(cè)量細(xì)菌的“粘性”。

他們用基因工程大腸桿菌重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其生物膜僅含有纖維素，并且頂板僅含有卷曲而沒(méi)有細(xì)菌。

他們發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生卷曲和纖維素的細(xì)菌表現(xiàn)出最高的粘合強(qiáng)度，其次是單獨(dú)的卷曲，最后是單獨(dú)的纖維素。“沒(méi)有纖維素，細(xì)胞很容易從細(xì)菌中脫落，”富勒說(shuō)。“纖維素就像膠水一樣，真正有助于將所有東西組合在一起。”

該發(fā)現(xiàn)表明，治療不涉及抗生素的UTI的方法是可能的。“攻擊纖維素可能是傳統(tǒng)抗生素的一個(gè)很好的替代品，因?yàn)轭A(yù)防細(xì)菌粘附可以幫助打破感染周期，”霍倫貝克說(shuō)。“這種治療方法也避免了導(dǎo)致抗藥性突變的傳統(tǒng)抗生素'生死攸關(guān)'的壓力。”