鞭毛运动与黏液环境共同调控铜绿假单胞菌在慢性肺部感染中的聚集介导抗生素耐受机制

这篇研究揭示了铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）在黏液阻塞性气道疾病（MADs）中通过鞭毛运动（flagellar motility）调控细菌聚集（aggregation）从而产生抗生素耐受（antibiotic tolerance）的关键机制。研究发现鞭毛 stator 系统 MotAB/MotCD 的差异功能、中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）对鞭毛的降解作用，以及 fliC 基因的组成型表达（constitutive expression）均可显著影响细菌在2%粘蛋白（mucin）模拟环境中的聚集形态和耐受表型，为临床慢性感染治疗提供了新靶点。

　　

鞭毛运动与黏液环境共同塑造细菌聚集表型

在模拟黏液阻塞性气道疾病（MADs）的合成CF黏液培养基（SCFM2）中，随着粘蛋白浓度从0%增至2%（wt/vol），铜绿假单胞菌标准株mPAO1的聚集体积显著增加，同时其对妥布霉素（300 μg/mL）的耐受性提升10倍以上。值得注意的是，1%粘蛋白浓度即可促使细菌从浮游状态向聚集态转变，而2%浓度则主要扩大已有聚集体的体积。通过3D共聚焦显微镜结合Imaris软件分析，证实>5 μm³
的聚集体与抗生素耐受呈正相关。

鞭毛缺失突变体的表型验证

敲除鞭毛蛋白编码基因fliC的突变体在2%粘蛋白环境中表现出更显著的聚集表型——聚集体中值体积达WT的2.3倍，且浮游生物量比例降至不足5%。这种现象在临床分离株Paer17和Paer35中同样得到验证。有趣的是，鞭毛钩蛋白flgE缺失突变体也呈现类似表型，而通过ΦCTX位点回补fliC基因可完全恢复WT表型。免疫印迹证实这些突变体均不表达FliC蛋白，且软琼脂运动实验显示其完全丧失运动能力。

双stator系统的差异化功能

研究首次揭示了鞭毛马达双stator系统MotAB/MotCD在黏液环境中的独特作用：

• ΔmotCD和双敲除ΔmotABCD菌株在2%粘蛋白中运动细胞比例降至10%以下（WT为16%），聚集体体积增加1.8倍，对妥布霉素、美罗培南和头孢他啶/阿维巴坦的耐受性显著增强
• 相反，ΔmotAB菌株运动细胞比例提升至24%，聚集体体积减少40%，且对妥布霉素更敏感
• 单细胞追踪显示，ΔmotAB菌株在粘蛋白环境中运动轨迹长度增加，而ΔmotCD则运动稳定性下降

鞭毛表达的精准调控机制

通过构建IPTG诱导的组成型fliC表达菌株，发现100 μM IPTG处理可使细菌运动细胞比例激增至35%，聚集体形成能力下降60%，同时妥布霉素杀灭效率提升5倍。这表明鞭毛蛋白的动态调控对细菌逃逸粘蛋白网络束缚至关重要。值得注意的是，低浓度IPTG（10 μM）诱导时仍可观察到耐受性增强，提示fliC表达水平与聚集表型存在剂量效应。

宿主免疫因子的意外作用

疾病相关浓度（150 μg/mL）的中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）处理使WT菌株运动细胞比例降低40%，同时促进聚集并增强抗生素耐受。值得注意的是：

• oprF缺失突变体对NE处理不敏感
• fliC突变体在NE处理下未表现额外耐受性增强
• 在1%粘蛋白条件下，NE的促耐受效应更为显著

这些发现说明NE通过特异性降解鞭毛（而非其他靶点如OprF）来驱动耐受表型。

临床转化意义

该研究为MADs患者慢性感染治疗提供新思路：

1. 靶向鞭毛stator系统的MotCD特异性抑制剂可能增强抗生素疗效
2. NE抑制剂（如brensocatib）或可阻断耐受性进化
3. 调控fliC表达的化合物有望成为"抗聚集"疗法
4. 黏液浓度监测可预测治疗响应

研究还揭示临床分离株的鞭毛运动异质性可能解释治疗响应差异，为个性化治疗提供理论基础。