转向海洋以应对抗生素耐药性

研究人员发现一种海洋微生物可能有助于抑制病原体生物膜的形成

早在1945年抗生素首次问世时,耐药性这个概念虽然存在,但并未被认为是一种重大威胁。在过去的七十年里,这种观点发生了巨大的变化。如今,抗生素耐药性已成为对人类健康构成最大威胁的因素之一。

虽然耐药性的自然发生是过程的一部分,但这个过程可以在生物膜的基质中得到促进。这些细菌的微小菌落为将抗生素稀释至亚致死水平提供了绝佳的环境。在此过程中,单个细胞可以进化出耐受化学物质存在的机制。如果任其发展,耐受性最终可能发展为对任何浓度的完全耐药性。

然而,去除生物膜并非易事。它们在分子层面是高度稳定的结构,并且具有很强的粘附性。去除它们需要某种形式的物理操作,例如超声处理,或化学方法,例如酶和消毒。虽然这在实验室中有用,但在临床环境中,这些选择通常是不可行的。

在医疗环境中识别生物膜控制措施一直是二十多年来研究的目标。探索涉及多种化学选择以及改进的物理破坏技术。然而,收效甚微。本质上,要找到一种可行的对抗这些自然结构的方法,可能需要一种自然的解决方案。

寻找天然化学物质的势头始于十多年前,尽管环境不是诊所,而是海洋。生物膜也与海洋结构的污损有关。2000年,来自海洋细菌的多种天然产物以某种方式降低了生物膜形成的潜力。不久之后,在2004年,一种来自海生地衣的代谢物,称为地衣酚酸,也显示出杀灭生物膜的活性。这为生物膜控制开辟了一个新方向,海洋成为抗生物膜选择的潜在永恒来源。

现在,又有一类海洋化学物质可以加入其中。上周,一个国际研究小组发表了他们在一种属于抗生素历史上最古老属之一的海洋细菌中发现一种新型生物膜抑制剂的报告,该属为链霉菌。正如他们发现的那样,该物种具有前所未见的控制生物膜的机制。

研究小组考察了从哥斯达黎加 Gandoca Manzanillo 地区的 Punta Mona 岛采集的海洋沉积物。在实验室中培养这些细菌,然后测试它们对一种产生生物膜的细菌——鲍曼不动杆菌(Acinetobacter baumannii)——的效果。这种细菌以引起医疗相关感染的能力而闻名。一旦他们发现一种能够抑制生物膜的物种,他们就着手鉴定活性分子。

在收集的细菌中,发现了一种相对较新的物种——哥斯达黎加链霉菌(Streptomyces gandocaensis),并对其进行了进一步分析。使用一种突变掉抗生物膜活性的技术,研究小组能够锁定执行此作用的一组分子。它们是对环境压力源反应产生的微小次级代谢产物。与该物种一样,这些分子也是新颖的,研究小组决定将它们命名为 Cahuitamycins(据推测是为了纪念哥斯达黎加的 Cahuita 地区)。

起初,发现了三种天然的 Cahuitamycins,分别命名为 A、B 和 C。当进行测试以确定哪种最有效时,A 和 C 的效果最好。然而,通过对实验室衍生的菌株进行一些突变分析,又产生了另外两种分子的变体,D 和 E。D 类似物的抑制活性比天然分子高出近两倍。

对作者来说,C 和 D 在应用于医疗领域方面都显示出最佳潜力。这些 Cahuitamycins 可以用作各种医疗器械的涂层,例如导管,以帮助确保不形成生物膜。这可以提高安全医疗干预的可能性,并减少因感染引起的并发症的机会。

除了发现 Cahuitamycins 之外,这项研究还为那些寻找抗生素和抗生物膜分子的研究人员提供了对未来的展望。正如预期的那样,从世界海洋中寻找具有极大的收益。海床上可能隐藏着无数等待被发现的可能性。但更重要的是,一旦找到合适的生物体,它们就可以在实验室中进行进一步的分析和突变研究,以发现更有效的类似物。

虽然使用突变菌株的想法听起来可能令人不安,但在讨论医学发现时,这种做法并不新鲜。在化学领域,这类改变是开发新型药物的基础。唯一的区别是,与化学的合成途径不同,这些改变是完全自然的。此外,由于它们是在细菌内进行的,规模化生产可能更容易,因为大规模生产的唯一要求是更大的培养容器。

 

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自青少年时期起,Jason Tetro就把实验室视为他的第二个家。他在微生物学和免疫学方面的经验使他涉足多个领域,包括血液传播、食品和水病原体;环境微生物学;消毒和防腐;以及SARS、禽流感和寨卡病毒等新兴病原体。他目前是圭尔夫大学的访问科学家。在公众中,Jason更广为人知的名字是“The Germ Guy”(细菌 guy),他经常在媒体上以其有时非传统的视角解读科学。Jason著有两本书:《The Germ Code》(2014年入围年度科学图书奖)和《The Germ Files》(曾连续几周登上全国畅销书榜)。他还合编了《The Human Microbiome Handbook》(人类微生物组手册),该书从学术角度探讨了微生物对人类健康的影响。他住在多伦多。

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