综述：由代谢物驱动的细菌持续存在状态的重新编程：克服抗生素耐受性的机制与治疗机会

《Early Human Development》：Metabolite-driven reprogramming of bacterial persisters: Mechanisms and therapeutic opportunities for overcoming antibiotic tolerance

细菌持久者代谢重编程逆转抗生素耐受机制及临床转化挑战研究 持久者代谢抑制与抗生素耐受关联，外源代谢物（糖类/脂类/核苷酸衍生物）通过代谢重编程逆转耐药，突破传统抗生素失效瓶颈，但存在生物利用度、代谢物特异性及耐药性演化等临床转化障碍。

　　细菌耐药性（AMR）是全球面临的一个严峻挑战，其发展主要受到抗生素滥用和过度使用的推动，这加速了主要病原体的耐药性进化。据估计，到2050年，因耐药细菌导致的死亡人数将超过1.69亿。在耐药性出现之前，许多细菌群体已经表现出增强的抗生素耐受性。这种耐受性不同于耐药突变，后者通过增加最低抑菌浓度（MIC）来抵抗抗生素，而耐受性突变则降低细菌的杀灭速率，同时不改变MIC。因此，耐药性使细菌能够在标准微生物学检测中看似敏感的情况下，仍然存活于抗菌药物暴露中。耐受性被认为是广泛存在于多种细菌物种中的现象，包括大肠杆菌（E. coli）、铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）、结核分枝杆菌（M. tuberculosis）、沙门氏菌（S. enterica）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）等。已有研究表明，从尿路感染中分离的大肠杆菌菌株和从扁桃体炎中分离的溶血性链球菌（S. pyogenes）菌株，其重复感染往往由与初始感染相同的遗传型菌株引起。这些发现表明，导致复发的细菌并未在抗生素治疗期间被完全清除。

抗生素耐受性的机制是多方面的，其中生物膜的形成是主要原因之一。生物膜是由细菌自身产生的胞外基质包裹的结构化群体，抗生素难以穿透生物膜，通常只能杀死表面的代谢活跃细胞，而深层的休眠细胞则被保护。这些存活下来的细菌可以迅速通过表面附着重新建立生物膜。此外，许多抗生素作用于活跃的代谢过程，因此生物膜内部代谢活动的空间异质性可以形成对药物具有抵抗力的微环境。生物膜内的营养限制进一步降低了生长速率，促进了耐受性的发展。

细菌耐久细胞（persisters）是一类处于休眠或代谢静止状态的亚群，表现出极高的抗生素耐受性。与耐药菌株不同，耐久细胞在遗传上仍然敏感，但通过其改变的生理状态逃避杀灭。它们既可以在生物膜中发现，也可以作为代谢不活跃的游离细胞存在。由于代谢活动低下，针对活跃代谢过程的抗生素，尤其是涉及DNA或RNA合成的抗生素，对它们的效果有限。即使在高浓度抗生素环境下，耐久细胞也可以存活，并在药物去除后恢复生长，重新获得对药物的敏感性。最近的临床研究越来越强调耐久细胞的表型异质性及其在慢性和复发性感染中的核心作用。

在揭示耐久细胞形成分子机制方面取得了显著进展。这些机制包括毒素-抗毒素（TA）模块、(p)ppGpp介导的严格反应、活性氧（ROS）诱导的应激反应、SOS反应以及群体感应（QS）系统。然而，耐久细胞的稀有性、表型多样性以及代谢休眠状态仍然阻碍了有效靶向干预措施的发展。传统的抗生素单一治疗策略往往效果不佳，因为许多药物依赖于活跃的代谢靶点，而这些靶点在耐久细胞中被失活。此外，长期药物暴露可能加速耐药性的进化。由于抗生素疗效与细胞代谢状态密切相关，因此在不同条件下，微生物的活性比药物浓度更能预测其抗菌效果。

本综述总结了通过代谢重编程克服耐久细胞休眠障碍的新兴策略。通过重新激活关键代谢过程，这些方法可以重新使耐久细胞对抗生素杀灭敏感。这种间接的“唤醒与杀灭”策略绕过了传统治疗方法对休眠靶点无效的局限，并利用现有的抗生素库来延缓耐药性的产生。

耐久细胞形成机制的研究表明，当压力被移除后，耐久细胞可以再生，并通常仍然对相同的压力因素敏感。重要的是，它们的抗生素耐受性不仅仅是因为生长停滞，而是与它们的代谢状态密切相关，包括代谢活动的降低和能量消耗的减少。这种代谢转变受到多个系统的严格调控，包括TA模块、(p)ppGpp介导的严格反应等。这些机制共同作用，使得耐久细胞能够在不利环境中存活，并且在抗生素治疗中表现出特殊的耐受性。

调节耐久细胞的代谢状态对于药物作用具有重要意义。代谢产物深刻影响微生物的生理状态、能量流动和应激反应，不仅影响生长，也影响在不利条件下的生存能力。在细菌中，这些代谢产物可以大致分为四类：初级代谢产物，包括氨基酸、核苷酸和生长必需的中心碳中间体；次级代谢产物，如抗生素、色素和铁载体，通常介导不同物种之间的相互作用；能量代谢相关产物，它们对细菌的生存和功能至关重要；以及一些其他代谢产物，如有机酸、脂类等，它们在细菌代谢中发挥辅助作用。这些代谢产物通过不同的方式影响细菌的代谢状态，从而在耐久细胞的唤醒过程中发挥关键作用。

代谢产物可以促进耐久细胞的代谢活动。细菌的代谢速率与杀菌抗生素的效果呈正相关。换句话说，杀菌抗生素通常对代谢活跃的细菌群体最为有效。许多研究表明，各种代谢产物可以刺激或破坏耐久细胞所表现出的代谢休眠机制，从而增强特定抗生素的杀灭效果。例如，一些代谢产物可以恢复耐久细胞的质子动力势（PMF），使其重新激活代谢过程，进而提高抗生素的渗透性和杀灭能力。这种代谢重编程策略为克服耐久细胞的抗生素耐受性提供了新的思路。

代谢产物辅助的“唤醒与杀灭”策略在临床应用中面临一定的挑战。代谢产物能够显著恢复耐久细胞的呼吸和能量代谢，这是代谢产物辅助策略的核心生物学原理。Allison等人的开创性研究证明了代谢产物在体外和小鼠模型中可以增强氨基糖苷类抗生素的吸收和杀菌活性，但如何在复杂的感染微环境中维持有效的局部浓度仍然是未解决的问题。目前，研究人员正在探索如何通过优化代谢产物的递送方式和作用靶点，提高其在实际临床中的应用效果。此外，代谢产物的种类和浓度对耐久细胞的唤醒效果具有重要影响，因此需要进一步研究不同代谢产物对耐久细胞的具体作用机制。

尽管代谢产物辅助策略在实验室研究中显示出潜力，但在临床转化过程中仍然存在许多障碍。首先，代谢产物的种类繁多，不同种类的代谢产物对耐久细胞的作用机制可能存在差异，因此需要筛选出最有效的代谢产物组合。其次，代谢产物在复杂感染微环境中的稳定性较差，容易被降解或代谢，影响其生物利用度。此外，代谢产物的剂量和作用时间也需要精确调控，以确保其能够有效激活耐久细胞，同时避免对宿主细胞的毒性。最后，代谢产物辅助策略需要与现有的抗生素治疗方案相结合，以提高整体的治疗效果。因此，研究人员正在开发新的技术，如纳米载体、靶向递送系统等，以提高代谢产物在体内的稳定性和靶向性。

代谢产物辅助策略的未来前景广阔。随着对耐久细胞形成机制的深入研究，研究人员可以更精确地设计代谢产物的种类和作用方式，以提高其对耐久细胞的唤醒效果。此外，结合基因工程和合成生物学技术，可以开发出新型的代谢产物，以增强其对耐久细胞的特异性作用。这些技术的应用有望提高抗生素的疗效，减少耐药性的产生，并为慢性感染的治疗提供新的思路。未来，研究人员还应关注代谢产物辅助策略在不同病原体中的适用性，以及其在不同感染环境中的效果差异。通过进一步研究和优化，代谢产物辅助策略有望成为克服抗生素耐受性的有效手段，为新一代抗感染治疗策略的发展奠定基础。

综上所述，细菌在代谢休眠状态下的持久性对感染的清除和抗生素治疗的长期成功构成了关键挑战。本综述围绕一个核心科学问题展开：外源性代谢产物是否能够重新编程细菌的代谢状态，从而逆转药物耐受性并提高抗生素的杀菌效果。通过系统总结“代谢激活—抗生素再敏感化”的最新进展，本综述旨在为未来的抗感染治疗策略提供科学依据和技术支持。研究发现，代谢产物的引入可以显著提高抗生素对耐久细胞的杀灭效果，这为开发新的抗感染策略提供了重要的理论基础和实践指导。未来，研究人员应进一步探索代谢产物的作用机制，优化其递送方式，并结合多种治疗手段，以提高其在实际临床中的应用效果。通过这些努力，代谢产物辅助策略有望成为克服抗生素耐受性的有效手段，为慢性感染的治疗提供新的希望。