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综述 | ISME: 细菌群落中抗菌素耐药性的生态学和进化

已有 115 次阅读 2021-5-15 14:21 |系统分类:论文交流


编译:独世,编辑:小菌菌、江舜尧。

原创微文,欢迎转发转载。



导读


越来越多的证据表明,细菌对抗生素的反应会严重受到其他微生物相互作用的影响。而在确定病原体对抗生素的敏感性时,通常不考虑这些相互作用。

本文认为对抗生素治疗的抗性和进化反应不仅仅是单个细菌物种的特征,而且还应作为包含病原体的微生物群落的新兴特性。我们概述了种间相互作用如何影响个体物种和群落对抗生素治疗的反应,以及这些反应如何影响选择的强度,从而可能改变耐药性发展的轨迹。

最后,本文确定了未来研究的关键领域,这将使人们对细菌群落中的抗生素耐药性有更完整的了解。文章强调指出,认识到生态环境,即病原体之间和群落内部发生的相互作用,可以帮助开发更有效的抗生素治疗方法。


论文ID


原名:Ecology and evolution of antimicrobial resistance in bacterial communities

译名:细菌群落中抗菌素耐药性的生态学和进化

期刊:The ISME Journal

IF:9.18

发表时间:2020.11

通讯作者:Michael J. Bottery

通讯作者单位:约克大学


主要内容



1 种间相互作用改变了细菌对抗生素的响应



种间相互作用可以对抗生素治疗的结果产生深远的影响。我们定义了三种主要方式,细菌群落或群落亚群可以通过种间相互作用而在抗生素暴露下幸存下来:

(1)集体抗药性,即群落内部的相互作用可增强其成员抵抗抗生素作用的能力,以及在抗生素暴露下继续生长,从而增加了群落的MIC;

(2)集体耐受性,即群落内的相互作用可以改变细胞状态,例如减缓新陈代谢,从而在不增加MIC的情况下暂时降低抗生素处理期间的细胞死亡速度;

(3)接触保护,即在群落中通过降低抗生素的有效浓度来保护其敏感成员的相互作用。这些定义并不矛盾;相互作用可能具有多种不同的影响,并且多种不同的机制可能在一个群落内同时发挥作用。

许多提供集体抗药性,耐受性或暴露保护的已知机制是密度依赖性的,通过灭活抗生素,形成生物膜和激活群体感应的响应来保护庞大密集的种群。尽管通常认为这种相互作用发生在相同(或密切相关)基因型的细胞之间,但在不同的多物种群落中,不同基因型或物种之间也可能发生相同的机制。例如,对尿道感染的多物种网络的分析表明,来自同一患者的临床分离株常常相互保护彼此免受抗生素的侵害,其保护作用与促进生长受益的种间相互作用相关。然而,多物种群落内的大多数相互作用都被认为具有竞争性,大多数成对互作导致群落生产力的净减少。通过暴露于抗生素而破坏群落内部复杂的相互作用网络,无论是合作还是竞争都将改变群落结构与其组成成员的生长和存活。

使抗生素失活的抗药性机制是广泛的,它对一些最广泛使用的抗生素,包括氨基糖苷,氯霉素和β-内酰胺类,提供了后天获得的抗性和内在抗性。这种抵抗机制可以被视为合作特征。抗生素失活酶的产生的好处不仅限于生产者,而是在整个群落中共享的。协同酶促灭活可通过降低抗生素的环境浓度(图1a)来提供暴露保护,该抗生素可被群落中相同和不同物种的敏感成员利用。例如,通过产生β-内酰胺酶的大肠杆菌对β-内酰胺抗生素的酶失活可以保护肠炎沙门氏菌血清鼠伤寒沙门氏菌免受通常会杀死它们的抗生素浓度的影响。据报道,从多种微生物感染中提取的大量临床样品中都存在β-内酰胺酶,这表明它们可能有助于感染对β-内酰胺抗生素的复原力。

可以通过生物膜的形成来提供集体抗药性,集体耐受性和对抗生素的暴露保护(图1b)。细菌生物膜包括以聚集体形式生长的细胞,并被胞外多糖,DNA和蛋白质的自分泌聚合物基质包围。生物膜通过限制抗生素向种群中的扩散并增加了由抗生素灭活提供的保护,为其成员提供暴露保护。此外,由于营养物和氧气的梯度导致生物膜中心的代谢活性降低,生物膜可诱导耐受的细胞状态,从而增加了种群中持久性细胞的比例。生物膜还可以通过改变先前存在的ARGs的表达来增加抗药性。与单物种生物膜相比,多物种生物膜之间的物种间相互作用可通过改变生物膜的空间结构,增加耐药机制的表达并允许单独表达的抗菌素防御来保护整个群落,从而进一步提高抗生素治疗期间细菌的存活率。然而,通过毒素分泌的基因型之间的竞争与通过使用黏附素和基质产生的空间捕获之间的竞争可能会限制生物膜内不同基因型的社会融合并消灭竞争物种。因此,竞争可能有助于使多种生物膜中的公共物品私有化,限制基因型之间的合作并破坏相互作用,从而增加群落在抗生素治疗中的生存能力。

生物膜的许多工作都集中在囊性纤维化(CF)患者肺内的种间相互作用上,在这种情况下,多种生物膜的形成很普遍。在混合生物膜中,铜绿假单胞菌可引起金黄色葡萄球菌的代谢转变,从而降低其生长并为金黄色葡萄球菌提供对万古霉素的保护。相应地,金黄色葡萄球菌可以通过增加聚集和改变CF模型系统中的生物膜结构来增强铜绿假单胞菌对妥布霉素的耐受性。然而,抗生素对多种生物膜的活性似乎取决于群落组成和抗生素处理,细菌组合的某些组合降低了抗生素的杀灭率,而另一些则没有效果。生物膜内的相互作用是否促进或限制抗生素抗性或耐受性可能取决于相互作用的模式,即直接细胞接触与可扩散分子,因为群落的物理性质改变了细胞与细胞接触和扩散速率的可能性。

细菌分泌各种各样的化合物,从群体感应中涉及的信号分子到毒力和竞争中涉及的外毒素。群落内的分泌产物可直接改变基因表达,代谢过程和共存细菌物种的生长动力学,从而改变其在抗生素暴露下的生存能力(图1c)。例如,通过大肠杆菌分泌吲哚的种间信号传导激活了恶臭假单胞菌中吲哚依赖性的多药外排泵的表达,而假单胞菌本身不能产生吲哚,从而导致恶臭假单胞菌的抗性水平升高。同样,嗜麦芽窄食单胞菌是一种革兰氏阴性细菌,在细菌性肺部感染期间经常与铜绿假单胞菌同时出现,可以扩散信号因子的分泌,改变铜绿假单胞菌的生物膜结构,并刺激提供对阳离子抗菌肽抵抗力的蛋白质的合成,如多粘菌素。除细胞串扰外,外毒素(可能是为了抑制竞争者的生长而产生的)可以促进竞争性细菌物种向抗生素耐受性生理状态的转变。例如,铜绿假单胞菌通过分泌2-庚基-4-羟基喹啉-N-氧化物来诱导高耐受性的金黄色葡萄球菌小菌落变体,通过抑制电子传输链,从而大大减慢了金黄色葡萄球菌的生长速度。鉴于细菌分泌产物的多样性和多物种群落的复杂性,我们很可能还没有完全了解这些分泌物如何改变抗生素抗性和耐受性。

由于代谢需求的重叠和空间的限制,在混合细菌群落中普遍存在通过干扰或利用进行竞争性相互作用的情况。通过抗生素暴露而破坏或改变种间竞争或合作的强度,可以通过使原本无法获得的资源可供群落其他成员利用而改变群落结构。群落结构的这些变化可能会改变其组成成员抵抗抗生素暴露的能力。啤酒多物种生物膜的抗生素处理以竞争相互作用为主导,由于抑制了种群中高度竞争的物种,导致竞争水平降低。这提高了原本被抑制的种群的生长状况,进而提高了这些物种的抗生素耐受性,这可能是由于集体耐受机制的密度依赖性所致。在实验性细菌群落中观察到了相似的结果,其中抗生素治疗使群落成员的耐受性略有提高。相反,交叉喂养的相互影响会导致一个群落内多个物种之间相互依存。因此,将交叉供养网络中所有成员的抗生素敏感性降低到联盟中最弱成员的抗生素敏感性(图1d)。综上,这些发现表明个体和群落对抗生素暴露的反应方式取决于复杂的互作网络,包括社会剥削、合作、竞争和沟通。

 


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图1 群落相互作用以及耐药基因型会影响对抗生素暴露的反应。在所有面板中,细胞生长状态均以阴影线(无法生长)或固体填充物(能够生长)表示。a使抗生素失活的抗性细菌降低了局部抗生素的浓度,为周围的敏感物种提供了防护。这受益于种群的密度和空间结构,以及抗生素的扩散速率和灭活速率。b一些物种无法独立地形成生物膜,但能够通过参与其他物种已建立的生物膜而获得更高的抗生素耐受性。c接收到分泌的信号分子(例如吲哚和DSF)可以通过增加抗性基因的表达在其他易感种群中引发抗生素抗性状态。d如果抗性物种的生长依赖于易感群落成员的分泌物的交叉喂养,那么依赖交叉喂养网络可能会对抗性物种有害。在这种情况下,对抗生素的耐受性会降低到最易感的群落成员的水平,因为由于杀死抗生素而导致交叉进食的相互作用丧失(白色虚线虚线),因此,由于必需资源的丧失,耐药菌无法生长。

 

2 生态环境会影响抗菌素耐药性的选择

多物种群落如何改变其成员对AMR的选择?该问题的答案取决于相关群落的成员以及它们之间发生的特定相互作用。群落中存在多种竞争,包括竞争、剥削,偏利共生和互惠共生,每种互作都有可能根据其成员的抵抗机制改变选择的力量。因此,与单个物种种群相比,群落内的AMR进化可能以不同的速率发生,从而导致不同程度的抗药性,或与不同的成本水平相关。相互作用物种的存在可以通过改变选择的突变和分子机制来进一步影响新生抗性的进化轨迹。

以前关于ARGs进化动力学的研究主要集中在单一物种种群内的抗性和敏感菌株。这些研究表明,积极选择抗药性细菌所需的抗生素浓度(最低选择浓度,MSC)远低于其敏感细菌的MIC。MSC处的低抗生素浓度可能对敏感菌株没有致死性,但是它们降低了敏感细胞的生长速度,足以抵消与掩盖耐药性相关的固有成本。因此,低水平的抗生素可能已经选择增加种群中抗生素抗性细胞的丰度(图2a/b)。很少有实验研究比较在不存在和存在其他竞争细菌的情况下,抗生素耐药性菌株和敏感菌株对抗生素选择的反应。Klümper等研究表明,源自猪粪的复杂的多物种厌氧菌群落可以提高选择嵌入该菌群的抗性大肠杆菌菌株所需的抗生素浓度。从机制上讲,MSC的增加是由群落保护敏感的大肠杆菌菌株引起的(图2d)(如先前在单个物种种群中协同抗生素灭活所显示),或者是由于竞争导致与抗性相关的成本增加(图2c),而敏感菌株的MIC没有变化。更普遍地说,这些结果与以前的研究结果一致,后者表明竞争可以限制细菌的适应性,从而支持了细菌与细菌之间的拮抗作用可能会限制群落中抗生素耐药性演变的观点

群落内部的相互作用会增加其敏感成员在抗生素暴露期间存活的可能性,这也会改变群落内ARGs的选择动态。当抗性菌株为群落中其他敏感菌株提供保护时,抗性MSC可能会增加(图2d)。这是因为敏感菌株在相对较高的抗生素浓度下将能胜过耐药菌株。然而,抗性的选择动态通常取决于群落提供的保护的性质。当通过单一抗性物种提供保护时,例如通过抗生素灭活的暴露保护,这种抗性基因型的选择将遵循负频率依赖性。当耐药菌株少见时,暴露防护将优先针对耐药基因型。随着抗性菌株变得更加普遍,暴露保护将与群落中较大比例的敏感成员共享,因此抗性基因型的相对适应性将降低。此外,如果保护是由单个关键物种提供的,则保护可能更容易受到随机事件和保护物种的密度波动的影响。相反,如果通过群落中存在的多种物种或群落的物理特性(例如生物膜基质)提供保护,则由于群落中“保护”存在相对较高的功能冗余,集体抗药性和耐药性可能会更稳定。因此,集体抗药性和集体耐受性的生态稳定性可能会改变抗生素暴露的时间,从而改变选择抗药性的时间范围。抗生素的失活可能会导致瞬时和短暂的抗生素暴露,从而导致生态变化而不是进化时间尺度上的变化,也就是说,群落中不同物种的组成和频率的变化类似于生态干扰的影响。相比之下,增加抗生素耐受性的种间相互作用可能会延长亚抑制浓度下的抗生素暴露时间,从而使新生突变积累起来,从而可以进行选择[(与通常在种群内常规遗传变异上起作用的> MIC选择相反),图2e]。因此,群落可以改变抗性进化的轨迹,允许逐步产生低效、低成本的抗性突变,从而共同提供高水平的抗性(图2f)。在肠炎链球菌的抗性在亚MIC选择过程中观察到了相似的结果,这导致了分子水平上多种不同抗性机制的改变,包括核糖体RNA靶标的改变,抗生素摄取的减少和抗生素修饰酶的诱导。

复杂微生物群落固有的种间竞争也可以提高耐药成本的重要性,这可能有利于选择低成本抗生素耐药性突变,或者增加补偿性突变克服相关耐药性成本的可能性。当比较浮游生物和生物膜生活方式之间的抗性进化时,已经观察到了成本与抗性之间相似的权衡取舍,生物膜的成员获得了低成本突变,与浮游生物生长过程中获得的抗性突变相比,它们提供了较低的抗性水平。此外,最近的研究表明,在竞争者的存在下,细菌对噬菌体的抗性进化可以从更昂贵的表面受体介导的抗性改变为更便宜的基于CRISPR的抗性。虽然抗生素和噬菌体的耐药性不能直接比较,但两者都是由多种不同的机制介导的,成本的大小各不相同,因此它们的进化轨迹可能会因竞争者的存在而受到类似影响。需要更多的实验研究来更好地理解物种互作的多种方式可能影响微生物群落中抗生素抗性的进化。

 


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图2 抗生素浓度对生长速率的不同影响的适应性和选择后果。a “等基因”菌株纯培养中的理论最大生长速率仅在对抗生素的抗性或敏感性上有所不同。阴影区域表示各幅图(b–d)中抗生素浓度的范围,这些浓度用于探索竞争结果,并基于这些相对增长率显示最小选择性浓度(MSC)。b MSC定义为耐药菌株的生长速率超过敏感菌株的生长速率(相对适应度> 1)的抗生素浓度。c,d在一个群落中,可以通过两种基本机制来增加MSC。一种是增加的抗药性成本,这可能是由于对养分的竞争加剧所致(c),另一种是对敏感菌株的抗生素作用降低,这可能是由于群落保护而引起(d)。e,f新生抵抗突变的出现可以通过群落保护来改变。e在缺乏保护性群落的情况下,MIC上方的抗生素暴露会影响遗传状况,常常选择单个高抗性、高成本的突变。e提供暴露防护的群落可能会将已实现的抗生素暴露降低至亚MIC以下水平,从而允许依次累积低成本、低抗性突变,这些突变共同提供高水平抗性,例如通过上位性。面板内的字母(S,R,A,AB等)代表选择性扫描期间不同突变的积累。

 

3 种间相互作用对抗生素治疗成功的意义

尽管已知在多种微生物感染期间,物种的病原体和体内微生物群(例如在口腔或胃肠道中发现的微生物)之间的种间相互作用会改变抗生素治疗的结果,但这些相互作用通常被忽略。例如,依靠对单一培养物中病原体的抗生素敏感性进行测试可能会混淆我们为临床干预选择最合适的抗生素的能力,因为这些测试可能无法可靠地反映群落规模的反应。事实上,体外抗生素敏感性并不总是能成功治疗多种微生物感染,因为疾病是由多种相互作用的病原体引起的。实际上,单个物种对群落内抗生素治疗的反应可能与单独反应相反:敏感物种能够生长,而耐受物种在抗生素存在下会受到抑制。鉴于许多需要长期反复进行抗生素治疗的慢性感染(例如CF肺、泌尿道和糖尿病伤口的感染)是由微生物群落引起的,因此必须要开始考虑细菌群落的组成是如何调节疾病的严重程度以及抗生素治疗的成功。

与培养无关的方法,例如16S rRNA测序和鸟枪宏基因组学,使我们可以详细地了解感染期间的微生物群组成。这些方法可以追踪CF患者随时间、跨感染类型以及在抗生素治疗期间的群落结构和物种丰富度,使我们了解了艰难梭菌感染期间宿主的菌群反应,并直接鉴定了多菌性尿路、骨骼和关节感染中的耐药基因。随着我们在微生物群落中鉴定和追踪耐药性决定因素的能力不断提高,使用临床宏基因组学设计个性化药物治疗方案的前景越来越有吸引力。尽管取得了上述进展,但在确定哪些物种在微生物群落中相互作用以及它们如何改变疾病进程和抗菌治疗的结果方面,我们仍然面临重大挑战。在大多数情况下微生物感染过程中或重要的病原体与居民共生群落之间的特定相互作用仍然未知。要将多物种的相互作用纳入未来的处理设计中,不仅需要识别存在的物种,还需要识别它们之间的相互作用。


如何将对微生物生态学知识的了解转化为更有效的多种微生物感染治疗方法?对在微生物感染期间存在的微生物分类群以及它们之间的相互作用的详细和个性化理解,可能有助于产生新的抗生素耐药性方法。使抗生素失活的抗药性机制已成为抑制性化合物的目标,例如将β-内酰胺与β-内酰胺酶抑制剂共同处理,这种治疗方法通常用于克服病原病原菌株中抗药性的发展。此外,这些干预措施可能有效地对抗了保护病原体不受治疗的多物种群落其他成员的合作性抗生素灭活机制。然而,尚不清楚群落如何影响对酶抑制剂的抗性进化。其他合作性毒力特性(例如EPS生产)也容易受到干扰;抑制肠道链球菌EPS产生并结合抗生素治疗是降低集体耐受性并降低体外耐药性进化可能性的进化上稳健的策略。此类针对多种微生物生物膜内合作特性的干预措施的效力尚待研究。随着我们对形成细菌群落内集体耐受性的相互作用网络的复杂性更深入的了解,可能会发现针对提高耐受性的相互作用破坏的更多组合方法。




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