來源：【中國科學院】

持留菌（persisters）能夠在緻死濃度的抗生素環境中存活，并在停藥後恢複生長繁殖，是慢性感染和感染複發的重要原因，但其代謝特性難以捉摸。近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所與香港大學合作，開發單細胞拉曼光譜技術，在單菌體精度揭示了持留菌的代謝特征。相關研究成果發表在《微生物學前沿》（Frontiers in Microbiology）上。

“持留”（persistence）現象在微生物世界中普遍存在。在抗生素或其他環境條件的脅迫下，一個微生物群體中的極小部分成員，會進入“停止生長但保留一定代謝活性”的休眠狀态，從而度過極端環境的脅迫。在抗生素用藥期間産生的持留菌，往往在診斷和治療中成為“漏網之魚”，将在停藥後恢複生長繁殖，導緻感染複發和慢性感染。在臨床抗感染用藥與藥物開發中，如何識别與表征持留菌是業界關注的關鍵問題。

單細胞拉曼光譜能夠表征細胞的底物代謝、産物合成、藥敏性、環境應激反應等關鍵代謝功能。研究小組利用單細胞拉曼光譜剖析了大腸杆菌（Escherichia coli）細胞群體在氨苄西林（一種臨床常用的廣譜抗生素）作用下的應激反應，發現了大腸杆菌持留菌的三個特性：第一，在藥物刺激後和早期複蘇過程中，與同期未經藥物刺激的大腸杆菌（非持留狀态）相比，持留菌的單細胞拉曼光譜全譜存在顯著差異，有助于識别持留狀态的細菌單細胞。第二，基于重水飼喂單細胞拉曼光譜技術，通過監測細菌群體應激抗生素的代謝活性變化，發現在總共長達8小時藥物應激過程中，在藥物處理4個小時後，持留菌的代謝活性顯著高于同期的非持留狀态細胞（未經藥物刺激）。在持留菌細胞内，脂質、多糖和多數與蛋白質相關的拉曼信号（除酰胺外）均有所增強，表明持留菌比同期的非持留狀态細胞更快地積累了更多的儲能物質。這些持留菌細胞的核酸含量明顯降低，表明盡管其代謝活性較高，持留菌進入分裂周期的過程受到顯著抑制。第三，通過人工模拟一個完整的抗生素用藥過程（藥物處理4小時，停藥培養4小時），發現停止用藥後的4小時内，即持留菌“複蘇階段”的早期，持留菌始終保持恒定的代謝速率。然而，該代謝速率卻顯著低于對照組（繼續用藥）中的持留菌，且低于同期的非持留狀态細胞（未經藥物處理）。下一步，研究将深入挖掘持留菌在複蘇階段這些代謝特征的分子機制。

上述成果有助于探究微生物持留現象的産生和持留菌複蘇的機制，并為進一步開發持留菌診斷技術提供了重要線索。結合單細胞研究中心研制的臨床單細胞拉曼藥敏快檢儀（CAST-R）和單細胞拉曼分選-測序-培養系統（RACS-Seq/Culture），該合作團隊将進一步開發新方法，深化細菌-藥物互作機制研究，為臨床抗生素精準使用提供科學依據。

研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目、中科院STS計劃區域重點項目、香港研究資助局、香港大學明德教授席基金的支持。

論文鍊接

單細胞拉曼光譜可“揪出”留菌，并在單菌體精度揭示其代謝特征

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