《Research in Microbiology》：Dynamic exometabolomics reveals metabolic adaptations of
Staphylococcus epidermidis to pH-mimicking skin and bloodstream
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金黄色葡萄球菌表皮色（SE）的A/C和B克隆谱系菌株在不同pH（5.5和7.4）下的代谢适应性及致病性差异。通过监测生物量、培养基pH及外代谢组（1H-NMR），发现B菌株在血液pH下更高效利用碳源，其三羧酸循环（TCA）和氨基酸分解活性更高，同时耗竭培养基中的甲酸，而A/C菌株在皮肤pH下可能通过积累甲酸增强宿主侵袭力。两种菌株的TCA循环调控、嘌呤合成和谷氨酸摄取与生物膜形成（尤其是ICE25菌株的高黏附能力）显著相关，动态外代谢组学研究揭示了pH适应性对致病机制的影响。
埃莉萨贝特·莫拉伊斯（Elisabete Morais）|安娜·M·吉尔（Ana M. Gil）|玛丽亚·米拉加亚（Maria Miragaia）|路易斯·G·贡萨尔维斯（Luís G. Gon?alves）|安娜·V·科埃略（Ana V. Coelho）
安东尼奥·泽维尔化学与生物技术研究所（Instituto de Tecnologia Química e Biológica António Xavier），新里斯本大学（Universidade Nova de Lisboa），奥埃拉斯（Oeiras），葡萄牙
摘要
表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis，简称SE）是一种常见的人类皮肤定植菌，常导致与医疗设备相关的感染。SE菌群由两个克隆谱系A/C和B组成，具有不同的致病潜力。虽然已知SE在穿过宿主皮肤进入血液时pH值会发生变化，但这种pH变化对SE致病性的影响尚不完全清楚。了解SE如何应对pH值的变化将有助于设计有效的预防和治疗策略。为了研究代表性A/C和B菌株对pH值的代谢适应性，我们模拟了皮肤和血液的pH条件（5.5和7.4），并监测了生物量形成、培养基pH值以及代谢产物的变化。尽管两种菌株具有一些共同的代谢模式，但每种菌株在不同pH条件下仍表现出特异性。B菌株更适应利用多种碳源，在血液pH条件下其三羧酸循环（TCA循环）和氨基酸分解代谢更为活跃。在血液pH条件下，B菌株会消耗细胞外培养基中的甲酸，而A/C菌株的甲酸积累可能是一种入侵宿主的策略。对于这两种SE菌株而言，TCA循环的调节、嘌呤生物合成和谷氨酸的摄取可能与毒力相关，尤其是对于能够产生高粘附性生物膜的ICE25菌株而言。两种菌株对糖类的摄取和消耗模式相似，且似乎都受pH值的调控。对SE代谢产物的动态研究有助于理解其细胞内过程及其与毒力的关系。
引言
表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis，简称SE）是主要的皮肤定植菌，是与医疗设备使用相关的医院感染的主要原因[1][2]。最近的一项研究显示，2016年1月至2022年7月期间，美国罗切斯特梅奥诊所（Mayo Clinic Rochester）收治的患有单微生物凝固酶阴性葡萄球菌血液感染的成人中有80%为SE阳性[3]。此外，在比利时的一项全国性监测中，发现77%的SE感染对甲氧西林具有抗性[4]。这些事实表明，迫切需要更好地了解这种细菌的致病机制，以便更有效地预防和治疗相关感染。SE是一种机会性病原体，具有共生和致病性的双重特性[5][6]。SE菌株在系统发育上被分类为A/C或B谱系[7][8]。A/C谱系包含具有致病性和共生潜力的菌株，而B谱系主要由从定植个体中分离出的菌株组成[7][8]。尽管SE主要定植于人体皮肤和鼻孔，但它也可以存在于人体的其他微环境中[6]。在这些部位，细菌会暴露在不同的氧气、温度、盐度、脂质含量、渗透压和pH值等条件下[9]。当SE通过医疗设备进入血液时，也会经历不同的环境，这常常会引发感染过程。SE最重要的致病因子是其在非生物表面形成生物膜的能力[10][11]。然而，目前尚不清楚为什么属于A/C克隆谱系的SE菌株具有更高的致病潜力。Méric等人提出了一种机制，认为这是通过水平基因转移获得致病性决定因子从而适应入侵环境的结果[12]。目前还没有研究比较过属于A/C和B克隆谱系的SE菌株的代谢差异，仅有少数针对基因和蛋白质水平的研究报道了它们之间的差异。Yang等人发现两种蛋白质与致病性密切相关：一种激活RNAIII的蛋白质和与其积累相关的蛋白质（AAP）[13]。有趣的是，非同源基因与同源基因在编码表面蛋白方面的比例差异也可能与致病性有关[14]。此外，SE菌株特异性分泌的抗原和粘附素之间的差异也可能解释某些致病菌株的更高毒力[15]。
此外，关于SE菌株的代谢研究非常有限，目前获得的信息仅能反映其代谢的静态情况，无法全面展示细菌生长过程中的动态变化。然而，已有研究表明，某些环境压力因素会抑制三羧酸循环（TCA循环），使中间代谢产物重新定向用于多糖细胞间粘附素（PIA）的合成，而多糖是生物膜的关键成分[16][17]。
最近，通过细胞蛋白组学和代谢组学研究，我们描述了属于A/C和B谱系的菌株如何适应模拟皮肤和血液pH条件的环境（处于对数生长期中期）[18]（数据尚未发表）。因此，我们假设每种代表性菌株对不同pH值的适应也会导致其代谢产物谱型的差异，这反映了不同的细胞内代谢过程[18]。因此，对代谢产物的研究将提供补充信息，有助于理解培养基pH值对表皮葡萄球菌菌株致病能力的影响。特别是，这可能有助于识别某些菌株在pH 7.4条件下引发感染或 在皮肤pH条件下增殖的代谢物或机制。我们选择了A/C谱系（ICE25菌株）和B谱系（19N菌株）的代表性菌株，并在模拟皮肤和血液pH值的条件下进行培养。在细胞生长过程中监测了光密度、培养基pH值以及代谢产物的核磁共振（NMR）谱型。了解SE A/C或B菌株如何适应非生物因素（如培养基pH值）对于揭示这种细菌的双重特性至关重要[5][6]。
方法
所用方法的详细信息请参见补充信息文件。
结果与讨论
为了研究19N菌株（属于B谱系）和ICE25菌株（属于A/C谱系）在皮肤（pH 5.5）和血液（pH 7.4）条件下的动态代谢适应性，我们使用1H-NMR分析了它们的细胞外代谢产物。出乎意料的是，在数据分析过程中，我们发现接种前（t0h）两种培养基（pH 5.5和pH 7.4）之间的20种代谢产物的浓度存在显著差异，变化范围从-80%到70%（见补充图S1）。
结论
感染过程中，宿主和病原体之间存在相互作用，这会导致它们的代谢发生调整[40]。据我们所知，这是首次报道在皮肤和血液这两种关键生物环境中，对属于A/C和B克隆谱系的SE菌株进行比较代谢动力学的研究。图6总结了主要的研究结果。
作者贡献声明
安娜·瓦雷拉·科埃略（Ana Varela Coelho）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源管理，项目管理，方法学研究，资金申请，数据分析，概念构思。路易斯·G·贡萨尔维斯（Luís G. Gon?alves）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法学研究，数据分析，概念构思。埃莉萨贝特·莫拉伊斯（Elisabete Morais）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，数据分析，概念构思。
数据可用性声明
资助
本研究得到了SymbNET的支持，该项目由欧盟“地平线2020”（Horizon 2020）研究与创新计划资助，资助协议编号为952537，资助方为FCT - 科学与技术基金会（FCT - Funda??o para a Ciência e a Tecnologia），通过MOSTMICRO-ITQB研发单元（DOI 10.54499/UIDB/04612/2020；DOI 10.54499/UIDP/04612/2020）和LS4FUTURE联合实验室（DOI 10.54499/LA/P/0087/2020），以及CICECO-阿威罗材料研究所（CICECO-Aveiro Institute of Materials）项目（UIDB/50011/2020）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有财务或非财务利益冲突。
