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为解决抗生素耐药背景下对抗产气荚膜梭菌感染的难题，吉林大学研究人员开展 IXN 对产气荚膜梭菌 TFP 作用的研究。结果发现 IXN 可抑制 TFP 功能，对感染治疗有效。推荐科研读者阅读，探索天然化合物抗菌新路径。
在自然界中，有一种名为产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens，简称C. perfringens）的细菌，它可是个 “大麻烦”。这是一种革兰氏阳性、厌氧且耐氧的杆菌，在我们生活的环境里广泛分布，土壤、污水、人和动物的胃肠道，甚至腐烂的有机物中都能找到它的身影。
产气荚膜梭菌会引发多种严重疾病，对人类和动物的生命健康造成极大威胁。在人类身上，它能导致气性坏疽、食物中毒、坏死性小肠结肠炎等病症。其中，气性坏疽还分为自发性坏疽和创伤性坏疽，前者大多由产气荚膜梭菌引起，后者常因开放性损伤感染，死亡率高达 80% 。在畜牧业中，它会让牛羊马等家畜患上气性坏疽和肠毒血症，给养殖产业带来巨大损失。产气荚膜梭菌之所以这么 “厉害”，是因为它能分泌多种细胞外毒素（目前已发现 13 种不同毒素），这些毒素就像 “小炸弹”，会破坏宿主的小肠黏膜，要是侵入肌肉组织或疏松结缔组织，还会引发气性坏疽，导致组织坏死、产生气体，后期还可能出现休克和器官衰竭，死亡率预估超过 50%。
面对产气荚膜梭菌带来的种种危害，传统的抗生素治疗却陷入了困境。随着抗生素的广泛使用，细菌逐渐产生了耐药性，几乎对所有常用抗生素都有了抵抗力。这意味着未来人类在面对细菌感染时，可能会陷入无药可用的绝境。所以，开发新的抗菌策略或药物迫在眉睫。
在这样的背景下，吉林大学的研究人员一直在努力寻找解决办法。他们在《BMC Microbiology》期刊上发表了题为 “Isoxanthohumol inhibits the function of type IV pili in Clostridium perfringens and protects against gas gangrene in mice” 的论文。经过一系列研究，他们发现一种名为异黄腐酚（isoxanthohumol，IXN）的天然化合物，它有望成为对抗产气荚膜梭菌的 “秘密武器”。IXN 是从中国西北和西南地区生长的啤酒花（Humulus lupulus Linn）植物中提取的，此前研究发现它具有抗炎、抗氧化应激、调节脂质代谢和抗感染等多种生物学特性，但它对产气荚膜梭菌的 IV 型菌毛（Type IV pili，TFP）的抑制作用及机制尚未被揭示。研究人员通过实验证实，IXN 可以抑制产气荚膜梭菌 TFP 的功能，下调 TFP 编码基因和双组分调节基因的表达，并且在小鼠气性坏疽模型实验中，IXN 展现出良好的治疗效果。这一发现为开发新的抗菌药物提供了重要方向，也为解决抗生素耐药问题带来了新的希望。
为了探究 IXN 对产气荚膜梭菌的作用，研究人员采用了多种关键技术方法。他们运用了滑动运动实验，观察 IXN 对细菌在固体培养基表面滑动能力的影响；通过生物膜形成实验，了解 IXN 如何影响细菌形成生物膜的能力；借助细胞黏附实验，研究 IXN 对细菌黏附宿主细胞能力的作用；利用透射电子显微镜（TEM）观察细菌菌毛的形态变化；采用基因转录分析和蛋白质免疫印迹（Western blot）技术，检测相关基因和蛋白的表达情况；还建立了小鼠气性坏疽模型，评估 IXN 在动物体内的治疗效果。
下面我们来详细看看研究人员都有哪些重要发现。
- IXN 抑制 TFP 介导的滑动运动：TFP 在产气荚膜梭菌的滑动运动中起着关键作用。研究人员以产气荚膜梭菌 ATCC13124 为研究对象，对天然化合物进行筛选。他们发现，当 IXN 浓度达到 8μg/mL 时，就能抑制细菌的滑动运动。进一步测量不同浓度 IXN 处理后的细菌滑动运动直径，结果证实 IXN 确实能显著抑制产气荚膜梭菌的滑动运动。这就像是给细菌的 “小脚” 穿上了沉重的鞋子，让它们在固体培养基上难以自由滑动。
- IXN 对产气荚膜梭菌的生长无影响：为了弄清楚 IXN 抑制细菌滑动运动的机制，研究人员测定了 IXN 的最低抑菌浓度（MIC），并绘制了细菌的生长曲线。结果显示，即使 IXN 浓度高达 64μg/mL，对产气荚膜梭菌的生长也没有明显影响，其 MIC 值为 128μg/mL。这表明 IXN 抑制细菌滑动运动并不是通过杀菌或抑菌的方式，而是另有 “蹊跷”。
- IXN 抑制 TFP 依赖的生物膜形成：在自然环境中，大多数细菌以生物膜的形式存在，而 TFP 介导的滑动运动有助于生物膜的形成。研究人员通过结晶紫染色法评估 IXN 对产气荚膜梭菌生物膜形成的影响。结果发现，当 IXN 浓度为 8μg/mL 时，就能显著抑制生物膜的形成；浓度达到 16μg/mL 时，生物膜形成率下降了 40%。而且，生物膜减少的同时，上清液中浮游细菌的数量增加了。在过氧化氢（H?O?）的刺激下，IXN 处理组的生物膜和浮游细菌数量都显著减少，这说明 IXN 让细菌在面对氧化刺激时变得更加 “脆弱”。
- IXN 抑制 TFP 介导的产气荚膜梭菌对 Caco-2 细胞的黏附：TFP 在产气荚膜梭菌黏附和侵入宿主细胞的过程中发挥着重要作用。研究人员首先检测了 IXN 对 Caco-2 细胞的细胞毒性，结果表明在 4 - 64μg/mL 的浓度范围内，IXN 对 Caco-2 细胞没有明显的细胞毒性。接着，他们进行黏附实验，发现当 IXN 浓度为 16μg/mL 时，细菌的黏附率降低到了 31%。这意味着 IXN 就像一把 “小刷子”，把试图黏附在细胞上的细菌给 “刷” 了下来。
- IXN 下调 TFP 相关基因的转录水平：研究人员利用透射电子显微镜观察细菌菌毛的形态，发现对照组细菌表面粗糙，有大量菌毛，而 IXN 处理组细菌表面的菌毛明显减少。通过 RT - PCR 检测 TFP 相关基因的转录水平，结果显示 IXN 显著下调了相关基因的表达，其中对pilC基因的抑制作用最为明显，不过pilD基因的表达略有上调。此外，IXN 还能降低产气荚膜梭菌双组分调节基因及其下游基因的表达，通过蛋白质免疫印迹实验也证实了 IXN 能降低 PilA 蛋白的表达，进而影响 TFP 的活性。
- IXN 保护感染产气荚膜梭菌的小鼠：在小鼠实验中，研究人员通过肌肉注射产气荚膜梭菌诱导小鼠患上气性坏疽。在生存实验中，WT + IXN 组的小鼠在 12 小时内的存活率达到 100%，24 小时内为 40%，虽然最终在 60 小时内全部死亡，但相比未处理的 WT 组，存活时间明显延长。从眼部病理变化来看，WT 组小鼠的左腿肌肉出现不同程度的黑色坏死，而 WT + IXN 组只是有明显肿胀，没有出现黑色坏死的症状。组织病理学检测发现，WT 组感染细菌后，组织中有大量白细胞浸润，呈现典型的病理损伤，而 IXN 处理组几乎没有明显的病理损伤。细菌载量检测结果显示，WT + IXN 组组织中的细菌数量明显低于 WT 组，这表明 IXN 能够减少细菌在宿主组织中的存活。
综合这些研究结果，IXN 作为一种源自啤酒花的天然化合物，对产气荚膜梭菌 TFP 及其相关基因的转录有着显著的抑制作用。它不仅能抑制 TFP 介导的滑动运动、生物膜形成和细胞黏附，还不会影响细菌的生长，也没有明显的细胞毒性。在小鼠气性坏疽模型中，IXN 能延长小鼠的存活时间，提高存活率，减轻大腿肌肉组织的病理损伤，减少细菌在肌肉中的定植。
不过，这项研究也存在一些局限性。IXN 的水溶性较差，这可能会影响它的吸收效率和生物利用度，未来需要对其溶解度和剂型进行改进。而且，目前对 IXN 的副作用和毒性了解还不够，后续研究需要更全面地评估这些问题。但即便如此，IXN 作为一种来源广泛、性质稳定的天然化合物，在对抗耐药菌感染方面展现出了巨大的潜力，为新型抗菌药物的研发提供了新的方向，有望在未来的临床治疗中发挥重要作用，帮助人类对抗产气荚膜梭菌等病原菌的感染。相信随着研究的不断深入，IXN 的更多奥秘将被揭开，为人类和动物的健康保驾护航。
