环境胁迫对耐药大肠杆菌生长影响的分子机制研究

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细菌耐药性已成为威胁全球人类和动物健康的重要公共安全问题,减少抗菌药物使用(减抗)是当前WHO提出的降低细菌耐药性最重要策略,其理论是基于耐药性细菌在无药环境中会增加适应性代价,降低生存竞争力,从而逐渐被敏感菌取代,使区域细菌对药物的敏感性得以恢复。本研究以猪源多重耐药大肠杆菌QL15和大肠杆菌标准菌株ATCC25922为研究对象,采用生长曲线和竞争试验探究了不同环境因子胁迫下多重耐药大肠杆菌的生长状况和适应性,考察环境胁迫因子对耐药菌形态结构和耐药基因的影响,通过重测序变异位点分析和荧光定量PCR检测外排泵及外膜孔道蛋白的变化,揭示环境胁迫因子对耐药大肠杆菌生存竞争力的影响及其分子机制,为探究“减抗”加速多重耐药菌种群对抗菌药物敏感性恢复的理论提供支撑。研究结果如下:(1)从大型养猪场分离获得大肠杆菌(QL15)为高水平的多重耐药菌,可耐7大类共14种抗菌药,对恩诺沙星和大观霉素的耐药水平最高,为标准最低抑菌浓度的32倍,氟苯尼考和磺胺异恶唑最低(约1倍)。(2)QL15含有aac(3)-IV、cmlA、ompC、ompF、acrA、tolC、emrB、emrD、tetA、blaTEM、acrB、sugE、mdtL、sul2和sul3 15种耐药相关基因,其中外排泵相关耐药基因8种,外膜孔道蛋白相关耐药基因3种,因此该菌的多重耐药性与外排泵和外膜孔道蛋白机制密切相关。此外,QL15和ATCC25922均为生物被膜阴性菌株,不具备产生物被膜能力。(3)QL15的生长曲线结果表明,在独立培养条件下,在0.1%碳源、0.5%碳源、1%碳源&0.1%氮源、0.05%氮源、0.01%氮源、pH5、pH6、pH8、20℃和42℃中的生长状况均优于敏感菌ATCC25922,在3.5%NaCl、6%NaCl、pH9、1/4 LB、1/8 LB和1/16 LB中长势稍差于敏感菌;在混合培养条件下,0.1%C、0.5%C、1%C&0.1%N、0.05%N、0.01%N、pH5、pH6、pH8、20℃、42℃、3.5%NaCl和6%NaCl中QL15的相对适应性高于敏感菌,且高于独立培养结果,但在pH9、1/4 LB、1/8 LB和1/16 LB中则处于竞争劣势。在6%NaCl条件下QL15的菌体表面形貌变化不大,表明其耐盐能力较强。(4)以ATCC25922为参考基因组,测得QL15多种功能蛋白组分发生变异,其中细胞壁与细胞膜等生物膜相关基因突变位点最多,其突变可能对耐药菌适应较多种环境胁迫产生积极影响。QL15耐药基因在不同环境胁迫因子下存在表达差异,其中emrB、acrB、tolC和ompC多为表达下调,而ompF在盐胁迫、酸碱胁迫、全营养胁迫和高低温胁迫下均为表达上调,因此ompF基因的高表达可能有利于细菌在上述胁迫条件的生长。结论:在无药压力条件下,多重耐药大肠杆菌QL15除在pH9、LB稀释条件下处于竞争劣势外,在碳源、氮源、酸碱、高低温和盐胁迫下均具有比敏感菌更强的适应性,此结果与耐药菌在无药环境下适应性比敏感菌低的传统理论相悖离。QL15具有多种与耐药相关的外排泵与外膜孔道蛋白基因,且生物膜相关功能基因InDel位点居多,其多重耐药性与外排泵和外膜孔道蛋白密切相关,推测ompF基因在不同环境因子胁迫下高表达可能是提高该菌生存竞争力的原因。因此,对于具备外排泵和外膜孔道蛋白介导耐药机制的耐药菌能否通过“减抗”来恢复其对抗菌药物的敏感性,还需进行更深入的研究。
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