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综述：抗菌药物外排与生物膜：导致耐药性进化的相互作用

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这篇综述深入探讨了细菌生物膜（biofilm）与抗菌药物外排泵（efflux pump）的协同作用如何促进耐药性（AMR）进化。作者系统梳理了外排泵通过调控细胞生理状态（如生长速率、代谢重编程）和介导细胞间相互作用（如信号分子运输、局部抗生素梯度形成）的双重机制，揭示了生物膜微环境通过空间异质性放大表型变异（phenotypic heterogeneity）和突变率，加速临床耐药菌株产生的分子机制。

细菌生物膜与抗菌药物外排

抗菌药物是人类对抗细菌感染的关键武器，而抗菌药物耐药性（AMR）的进化已成为全球性威胁。细菌通过外排泵主动排出药物分子和形成致密生物膜的能力，是限制抗菌药物疗效的两大关键因素。外排泵在临床耐药性中发挥重要作用，而生物膜在自然环境和宿主中普遍存在。最新研究表明，这两种机制通过细菌细胞生理状态改变和生物膜内细胞间相互作用产生复杂关联，共同塑造AMR的进化轨迹。

外排泵与细胞生理及细胞包膜的关联

除介导AMR外，外排泵还参与调控细胞全局生理功能、包膜稳定性和环境互作。例如，大肠杆菌AcrAB-TolC泵的AcrB和TolC组分具有维持包膜完整性的结构功能，而小蛋白AcrZ通过改变AcrB底物结合口袋构象调控泵活性。生物膜内的营养梯度导致细胞代谢状态空间异质性，进而影响外排泵表达模式——在微流体实验中，远离营养源的缓慢生长细胞表现出更高的四环素外排泵表达，从而提高群体生存率。

外排活动还与厌氧代谢等生物膜相关生理过程密切相关。沙门氏菌中关键外排基因缺失会延长指数生长期，通过影响质子动力（PMF）和膜电位改变厌氧代谢基因表达。铜绿假单胞菌则通过上调硝酸盐呼吸链（即便有氧存在）来平衡外排相关的质子流引起的pH变化。这种生理负担可能导致外排介导的耐药性与生长速率、生物膜形成之间的权衡。

外排通过表型异质性关联抗菌药物耐受与持久性

生物膜内代谢梯度和抗生素扩散限制会放大细胞间表型异质性。单细胞追踪显示，快速生长的大肠杆菌因外排泵基因上调而表现出更低的罗红霉素积累。外排活性异质性还源于细胞分裂时泵蛋白向旧极的偏向性分配，导致旧极细胞对抗生素敏感性降低。

持久性细胞（persister）在生物膜中显著富集，其存活机制可能涉及外排活性增强。时间推移成像显示，非生长状态的大肠杆菌持久性细胞仍保持高外排活性。抗抑郁药诱导外排可增加环丙沙星持久性细胞比例，而竞争刺激肽（CSP）信号分子同样提升变形链球菌氧氟沙星持久性水平。这些发现挑战了"持久性细胞完全代谢休眠"的传统认知，提出外排能耗可能限制其生长的假说。

外排活动、细胞间互作与生物膜结构的相互作用

生物膜高细胞密度环境下，外排泵通过三种机制介导细胞间互作：

1. 排出内源性信号分子（如群体感应分子、铁载体），调控社会性互作；
2. 泵蛋白组分直接参与互作（如AcrB参与接触依赖性生长抑制，AcrA作为"死亡信号"激活活细胞应激反应）；
3. 建立局部抗生素梯度——缺乏acrB基因的大肠杆菌在野生型细胞周围生长更差，而铜绿假单胞菌外排泵过表达突变体反而保护整个生物膜群落。

生物膜中外排驱动耐药性进化路径

生物膜空间结构通过三种机制促进外排相关AMR进化：

1. 偏好选择外排调控突变：铜绿假单胞菌在菌落进化中主要产生低水平外排泵过表达突变，而浮游进化更易出现靶基因突变；
2. 增加突变率：大肠杆菌外排过表达菌株通过下调DNA错配修复提高突变率，鲍曼不动杆菌珠生物膜进化也主要产生外排调节突变；
3. 改变突变路径：亚抑制浓度氯霉素下，野生型大肠杆菌优先发生acrAB-tolC上调突变，而该泵过表达菌株则进一步获得acrB点突变。

治疗启示

外排泵抑制剂（如Phe-Arg-β-萘胺/PABN）不仅能抑制生物膜形成、增强抗生素效果，还能延缓高水平耐药性进化。理解外排泵在多细胞功能中的作用，有望为慢性生物膜感染提供新治疗策略。未来需通过微流体、菌落生物膜等实验模型结合计算模拟，定量解析生物膜微环境中外排调控的时空动态及其对AMR进化的影响。

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