一种针对致病性奇异变形菌(Proteus mirabilis)的溶菌性噬菌体,可用于有效清除生物膜

时间:2026年3月28日
来源:Microbial Pathogenesis

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耐 multidrug-resistant Proteus mirabilis YV2 的溶原性噬菌体 vB_PmiM_ZX7 被成功分离并表征,其基因组包含60%未知功能的基因,无已知毒力或抗生素耐药基因,且对多种pH和温度环境稳定。动物实验显示该噬菌体无安全性问题,血液和器官内的噬菌体可在5小时内和48小时内清除完毕。体外实验表明其生物膜清除效率是哌拉西林他唑巴坦的3.7倍,能显著降低胞外多糖含量和生物膜密度,并抑制导管相关生物膜中的细菌活性。该研究为耐 multidrug-resistant Proteus mirabilis 感染的生物膜治疗提供了新策略。

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马文杰|李萍|周欣
中国扬州大学兽医学院比较医学研究所,扬州,225009

摘要

奇异变形杆菌是一种机会性病原体,常与导管相关尿路感染(CAUTIs)相关,其强健的结晶生物膜会导致慢性感染、对抗菌药物的耐受性以及疾病的复发。多重耐药(MDR)奇异变形杆菌的日益增多,引发了对噬菌体疗法作为传统抗生素替代方案的兴趣。在本研究中,我们使用高毒力的临床菌株奇异变形杆菌 YV2从污水中分离出一种裂解性噬菌体vB_PmiM_ZX7。vB_PmiM_ZX7在多种MDR 奇异变形杆菌分离株中表现出广泛的宿主范围,并且对不同的pH值和温度具有耐受性。基因组测序显示60%的基因功能未知,缺乏毒力基因或抗生素抗性基因,与已知的奇异变形杆菌噬菌体有较低的相似性,这突显了其基因组的新颖性。在小鼠模型中的安全性评估未发现任何不良反应、组织病理变化或噬菌体的持续积累。循环中的噬菌体在5小时内从血液中清除,在48小时内从器官中清除。在抗生物膜实验中,vB_PmiM_ZX7消除了62.2%的已建立的生物膜,其效果优于哌拉西林/他唑巴坦(TZP),并显著降低了细胞外多糖含量和生物膜密度,这一点通过扫描电子显微镜和荧光成像得到证实。此外,vB_PmiM_ZX7在体外导管相关生物膜模型中也表现出强烈的抗生物膜活性,以时间依赖的方式显著降低了生物膜相关细菌的存活率。这些发现表明vB_PmiM_ZX7作为治疗导管相关MDR 奇异变形杆菌感染的候选药物具有潜力。

引言

奇异变形杆菌是一种具有运动能力的尿素酶产生细菌,可导致肾盂肾炎、尿石症、前列腺炎和导管相关尿路感染(CAUTIs),其强大的生物膜形成能力在致病过程中起着核心作用[1]。一旦细菌细胞附着在组织或导管表面,生物膜就会向多个维度扩展[2]。奇异变形杆菌的周毛鞭毛介导附着并促进表面迁移,从而导致广泛的生物膜形成。奇异变形杆菌产生的尿素酶可水解尿素,提高尿液pH值,促进磷酸镁铵和磷酸钙晶体的沉淀,这些晶体嵌入生物膜基质中[3]。这些结晶生物膜的结构和组成增强了细菌的持久性,使其对宿主免疫反应、抗生素和噬菌体疗法具有抗性[4]。生物膜内的细菌被自身产生的胞外聚合物(EPS)基质包裹,这实质上起到了物理屏障的作用,限制了抗生素的渗透。此外,细胞内部的低代谢活性[5]和群体感应(QS)介导的防御机制[6]进一步增强了生物膜对抗菌剂的耐受性。
抗菌素耐药性的出现是全球最大的公共卫生威胁之一。2019年,有495万人死于抗菌素耐药性(AMR)[7],预计到2050年这一数字将增加到1000万[8]。奇异变形杆菌对多种常用抗生素具有天然耐药性,包括硝呋妥因、四环素、多粘菌素和多粘菌素[9]。在临床中,它通常对β-内酰胺类抗生素(如氨苄西林、阿莫西林-克拉维酸钾)、第三代头孢菌素(如头孢噻肟、头孢曲松)、氨基糖苷类和氟喹诺酮类敏感。然而,在临床分离株中,超过30%的奇异变形杆菌对复方新诺明表现出耐药性,而对喹诺酮类的耐药性发生率已上升至17.6%[10]。
鉴于抗菌素耐药性的日益严重、新抗生素研发渠道有限,以及越来越多的关于噬菌体疗法治疗多重耐药细菌感染(特别是生物膜相关感染)的临床成功报告[11,12],噬菌体疗法已成为一种有前景的替代抗菌策略。噬菌体是一种能够特异性感染并杀死细菌的病毒。根据生命周期,噬菌体被分为烈性(裂解型)和温和型(溶原型)。温和型噬菌体需要特定的环境触发才能进入裂解阶段,而裂解型噬菌体在注入基因组后迅速复制并裂解宿主细菌细胞,使其更适合用于治疗应用。与抗生素不同,噬菌体疗法通过使用广谱噬菌体混合物或定制的噬菌体集合体,以低成本和高效率克服细菌耐药性[13]。特别是编码解聚酶和内溶菌酶等酶的裂解型噬菌体,在降解生物膜基质方面表现出显著潜力[14,15],从而增强了细菌的清除效果。尽管噬菌体通常具有良好的安全性,但作为外源性免疫原,需要对其体内药代动力学和生物分布进行彻底研究。为了促进有效噬菌体混合物的临床应用开发,对单个裂解型噬菌体的生物活性、基因组特征和安全性进行表征是至关重要的前提。
在本研究中,我们报道了针对奇异变形杆菌 YV2的裂解性噬菌体vB_PmiM_ZX7的分离和特性分析。vB_PmiM_ZX7的基因组分析显示60%的基因功能未知,即使是最相似的噬菌体(vB_Pmi_BCPPmi_001)也只有75%的序列覆盖率。vB_PmiM_ZX7不仅在体外表现出良好的抗菌能力,还证实了其去除生物膜的能力。与哌拉西林/他唑巴坦(TZP)相比,vB_PmiM_ZX7的生物膜去除效果提高了3.7倍。此外,vB_PmiM_ZX7在动物体内也显示出良好的安全性,进一步证明了其作为抗生素替代品的潜力。

部分内容

细菌菌株和噬菌体

本研究分离并鉴定了奇异变形杆菌 YV2和噬菌体vB_PmiM_ZX7。大肠杆菌 ATCC 25922、铜绿假单胞菌 PAO1以及奇异变形杆菌 AE5、AE6、AF2、AF5、AF6、AH、Prom21、Prom22、Prom28、Prom37、Prom41保存在我们的实验室中。

奇异变形杆菌

的分离和鉴定
从江苏省癌症医院收集的粪便样本溶解在磷酸盐缓冲液(PBS)中。混合后,使用无菌接种环将粪便溶液涂布在沙门氏菌-志贺氏菌(SS)琼脂上

烈性奇异变形杆菌 YV2的分离和鉴定

在选择性SS琼脂上,奇异变形杆菌沙门氏菌属细菌会分解含硫化合物,产生硫化氢(H2S),后者与培养基中的铁盐反应生成黑色的硫化亚铁(FeS)沉淀。基于这一特性,最初选择了四个产生黑色菌落的分离株(图1A)进行进一步分析。为了确认物种身份,对atpD管家基因(补充表S1)进行了PCR扩增,该基因是奇异变形杆菌特有的。

结论

成功分离并系统鉴定了感染奇异变形杆菌 YV2菌株的裂解性噬菌体vB_Pmi_ZX7。体外分析表明,vB_Pmi_ZX7在多种MDR 奇异变形杆菌分离株中表现出广泛的宿主范围,并且在多种环境条件下保持稳定,支持其潜在的治疗应用。基因组特征分析确认了其缺乏已知的毒力和抗生素抗性基因,与现有

资助

本研究得到了中国国家重点研发计划(2025YFC3408500)和江苏省研究生研究与实践创新计划(扬州大学)(项目编号:KYCX22_3552)的支持。

CRediT作者贡献声明

马文杰:正式分析、资金获取、研究、方法学、软件使用、可视化、初稿撰写。李萍:概念构思、数据管理、研究、方法学。周欣:概念构思、资金获取、项目管理、监督、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

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