进化轨迹决定关键病原菌中基于交叉敏感性的抗生素治疗策略可行性

《Communications Biology》：Evolutionary trajectories determine feasibility of collateral sensitivity-based antibiotic treatment strategies in critical bacterial pathogens

本研究针对抗生素耐药性严峻挑战，探讨了基于交叉敏感性（CS）的治疗策略在六大关键病原菌中的临床应用潜力。研究人员通过基因工程和实验进化发现，大肠杆菌中临床相关耐药突变并未导致CS，但鉴定了三类新型环丙沙星耐药突变可引发多重抗生素CS。值得注意的是，铜绿假单胞菌在进化过程中持续表现出CS特征，提示其作为CS靶向治疗的理想模型。该研究为精准抗生素治疗方案设计提供了重要理论依据。

　　

当细菌在抗生素的压力下不断进化，人类与病原菌之间的军备竞赛已进入白热化阶段。全球每年因抗生素耐药性导致的死亡人数预计到2050年将突破1000万，这一严峻形势迫使科学家寻找新的治疗策略。在众多创新方案中，"交叉敏感性"（Collateral Sensitivity, CS）现象尤为引人注目——当细菌对一种抗生素产生耐药性时，反而会对另一种药物变得更加敏感。这种"此消彼长"的特性为设计交替或联合用药方案提供了新思路。

然而，实验室中观察到的CS现象是否真的能应用于临床？这个问题一直困扰着研究人员。以往的研究多使用实验室驯化的菌株，其基因突变可能与临床分离株存在显著差异。更重要的是，实验条件如种群大小、传代次数等会极大影响进化轨迹，导致不同突变类型的富集。瑞典乌普萨拉大学的Gerrit Brandis团队意识到，必须系统评估CS的临床相关性，才能推动这一策略从实验室走向病床。

研究人员选取了世界卫生组织列出的六大关键病原菌：大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌。他们采用了一种双管齐下的策略：一方面通过基因工程构建携带临床常见耐药突变的工程菌株；另一方面通过实验进化模拟自然条件下的耐药性发展过程。

关键技术方法包括：基因编辑技术构建临床相关突变株；多条件实验进化（不同培养体积和药物浓度梯度）；全基因组测序分析突变谱；表型筛选（23种抗生素的敏感性测试）；适应性代价评估（生长速率测定和补偿进化实验）；临床菌株基因组大数据分析（835株大肠杆菌临床分离株）。

Clinically relevant resistance mutations do not result in collateral sensitivity in E. coli

研究团队首先构建了13株携带临床常见耐药突变的大肠杆菌MG1655，包括gyrA、parC（氟喹诺酮类耐药）、rpsL（链霉素耐药）、rpoB（利福平耐药）等基因突变，以及nfsA、nfsB、acrR、marR、soxR等基因缺失。通过测试这些菌株对23种抗生素的敏感性，发现耐药和交叉耐药很常见，但仅发现两例弱CS现象。即使构建了64株包含六种临床相关环丙沙星耐药突变所有组合的菌株，也未检测到对庆大霉素的CS。这表明以往研究中观察到的CS可能并非由这些临床常见突变引起。

Collateral sensitivity develops during ciprofloxacin resistance evolution in E. coli

接下来，研究人员在六种不同条件下（三种培养体积和两种药物浓度递增方案）进化环丙沙星耐药性。在150株终点分离株中，29%表现出对庆大霉素的CS。全基因组测序显示，具有CS的菌株携带更多遗传变异（平均4.3个 vs 3.2个）。重要的是，CS与临床相关耐药基因（gyrA、parC等）的突变无相关性，而是与guaA、metG、mnmA、sspA、tusC和yheO基因的失活或功能降低相关。

Mutations in guaA, metG, mnmA, sspA, and tusC cause complex collateral sensitivity and resistance profiles

通过构建单基因缺失株，研究人员证实guaA、mnmA、sspA和tusC的缺失确实导致对庆大霉素的CS。有趣的是，这些突变还产生了复杂的抗生素敏感性谱：ΔguaA增加对18种抗生素的敏感性和对2种抗生素的耐药性；ΔmnmA和ΔtusC增加对11种抗生素的敏感性和对1种抗生素的耐药性；ΔsspA增加对4种抗生素的敏感性和对5种抗生素的耐药性。这表明存在不同的分子机制。

The stringent response is not involved in the development of collateral sensitivity to gentamicin in E. coli

由于某些突变可能影响tRNA充电效率，进而激活严谨反应（stringent response），团队测试了relA和dksA基因缺失对CS的影响。结果显示，严谨反应并不参与CS的发展，这表明存在其他机制介导这一现象。

No evidence for clinical relevance of mutations that cause collateral sensitivity in E. coli

对临床菌株的分析显示，在835株大肠杆菌临床分离株中，cipR（环丙沙星耐药）和cipS（敏感）组之间，guaA、metG、mnmA、sspA和tusC基因的突变频率无显著差异。此外，具有CS的菌株生长适应性显著降低，且在100代无药传代后CS表型经常丢失。这些发现解释了为什么这些突变在临床环境中不被选择。

Critical bacterial pathogens exhibit distinct collateral responses during ciprofloxacin resistance evolution

在不同病原菌中，CS的表现存在显著差异：肺炎克雷伯菌无变化；鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌仅在最小进化体积中偶尔出现CS；鲍曼不动杆菌反而出现交叉耐药；而铜绿假单胞菌在所有测试条件下均一致表现出CS。

Collateral responses in P. aeruginosa isolates are restricted to mutations in efflux related genes

对铜绿假单胞菌的深入分析发现，CS主要与外排泵调控基因nfxB和mexR的突变相关，这些突变导致的生长缺陷比大肠杆菌温和，且临床相关性更高。

研究结论强调，CS的治疗潜力高度依赖于进化轨迹的可行性。在大肠杆菌中，导致CS的突变伴随显著的适应性代价，且临床相关性低；而在铜绿假单胞菌中，高频突变（如nfxB失活）与临床相关耐药机制（MexCD-OprJ外排泵过表达）的结合，使其成为CS策略的理想候选。该研究为理解抗生素耐药性进化的复杂性提供了新视角，并为针对不同病原菌制定个性化治疗策略奠定了基础。