利用微生物代谢产物抑制尿路病原菌脲酶活性：预防导管结壳的新策略

《Nature Communications》：Harnessing microbial-derived metabolites in the urinary tract to prevent infection induced catheter encrustation

本研究针对导管相关性尿路感染(CAUTI)中脲酶诱导的导管结壳难题，通过代谢组学分析发现7种微生物来源的脲酶抑制代谢物。其中D-咪唑乳酸展现非竞争性抑制、抗菌和抑制脲酶操纵子三重机制，与FDA已批准药物乙酰氧肟酸(AHA)联用可协同防止体外CAUTI模型中导管结壳，为改善抗菌治疗效果提供了新思路。

　　

在医院和长期护理机构中，导管相关性尿路感染(CAUTI)是最常见的医疗相关感染，每年导致数千例死亡。其中，奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)是CAUTI的主要病原体，其分泌的脲酶(urease)能分解尿液中的尿素产生氨，导致尿液碱化并形成尿路结石，造成导管阻塞并增加菌血症风险。目前唯一获得FDA批准的脲酶抑制剂乙酰氧肟酸(AHA)因严重副作用限制其临床应用，迫切需要新的脲酶抑制策略。

有趣的是，长期留置导管的患者尿路中往往存在多种微生物共存的现象。前期研究发现，不同菌种间通过分泌小分子物质相互调控脲酶活性——例如粪肠球菌(Enterococcus faecalis)增强而摩氏摩根菌(Morganella morganii)抑制奇异变形杆菌的脲酶活性。受此启发，研究人员在《Nature Communications》上发表的最新研究，通过系统性代谢组学分析揭示了7种微生物来源的脲酶抑制代谢物，并深入探索了其作用机制和治疗潜力。

研究人员主要运用了以下关键技术：全局非靶向代谢组学分析筛选候选代谢物；酶动力学实验评估抑制类型；实时定量PCR检测脲酶操纵子表达；体外膀胱模型模拟导管结壳过程；电感耦合等离子体光学发射光谱法分析离子沉淀。其中临床分离株来源于前瞻性队列研究的长期导管化护理院居民。

微生物代谢物通过直接相互作用抑制脲酶活性

通过比较6种调控菌株的细胞外代谢物，研究人员鉴定出31种候选分子，其中7种能稳定抑制奇异变形杆菌脲酶活性。酶动力学实验显示，组胺、亮氨酰甘氨酸、L-咪唑乳酸、咪唑和4-咪唑乙酸通过混合抑制机制作用于脲酶，而D-咪唑乳酸则表现为非竞争性抑制。值得注意的是，苯丙酮酸对细胞裂解液中的脲酶无抑制作用，表明其机制不依赖酶直接相互作用。

D-咪唑乳酸的多重抑制机制

D-咪唑乳酸是唯一同时具备抗菌活性和转录调控能力的代谢物。除直接抑制脲酶活性外，还能显著降低脲酶结构基因(ureABC)和镍掺入辅助亚基基因(ureEDF)的表达水平，提示其可能干扰尿素诱导的转录激活剂UreR功能。这种多靶点作用使其成为最具开发潜力的候选分子。

代谢物具有广谱抑菌活性

除奇异变形杆菌外，这些代谢物对摩氏摩根菌、斯氏普罗威登菌(Providencia stuartii)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)等多种脲酶阳性病原体均有效。特别值得注意的是，苯丙酮酸对MRSA脲酶抑制效果最佳，而D-咪唑乳酸对革兰阴性菌抑菌活性更强，提示不同代谢物可能具有菌种特异性优势。

协同作用增强治疗效果

研究人员发现组胺和4-咪唑乙酸与AHA联用能产生显著协同效应。在模拟CAUTI的体外膀胱模型中，1.25mM AHA与12.5mM组胺/4-咪唑乙酸组合能有效维持尿液pH值低于结晶临界点，减少钙离子沉淀达70%，并显著降低晶体生物膜形成。扫描电镜和能谱分析证实，处理组导管表面磷酸钙和鸟粪石结晶明显减少。

提高抗生素对生物膜的渗透性

最具临床意义的发现是，组胺与AHA联用能增强头孢曲松对已形成生物膜的杀菌效果。联合治疗使导管生物膜内细菌载量降低至与脲酶突变株相当水平，表明抑制脲酶活性可能改变生物膜物理结构，从而促进抗生素渗透。

这项研究首次系统揭示了微生物代谢网络中的天然脲酶抑制分子，为CAUTI防治提供了新思路。特别是D-咪唑乳酸的多重作用机制和组胺/AHA组合的协同效应，展现了通过调控微生物互作而非直接杀菌来干预感染进程的独特优势。尽管部分代谢物如组胺存在受体激活风险，4-咪唑乙酸具有神经活性，但通过结构优化有望获得更安全的衍生物。这种"以菌治菌"的策略不仅为导管结壳预防提供了新方案，也为其他多微生物感染疾病的干预开辟了新途径。未来在类器官模型和动物模型中的验证将加速这些天然分子向临床应用的转化。