趋化因子通过靶向阴离子磷脂杀灭细菌且不引发耐药性的机制研究

本研究针对抗生素耐药性这一全球公共卫生挑战，揭示了趋化因子(chemokines)通过特异性结合细菌膜阴离子磷脂(CL/PG)发挥快速杀菌作用的分子机制。研究发现CL结合能力决定趋化因子的抗菌活性，且该作用不诱导细菌耐药性，为开发新型抗菌药物提供了重要靶点。

　　

随着抗生素的广泛使用和新型抗生素研发滞后，耐药菌感染已成为全球公共卫生的重大威胁。据统计，2019年多重耐药菌直接导致127万人死亡，其中大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)的耐药株最为致命。传统抗生素主要通过抑制蛋白质合成或细胞壁合成发挥作用，细菌容易通过靶点突变产生耐药性。而宿主防御肽(AMPs)通过破坏细菌膜结构发挥快速杀菌作用，被认为不易诱导耐药性，但其具体机制尚未完全阐明。

在这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究中，研究人员发现人类趋化因子(chemokines)家族中部分成员具有显著的直接抗菌活性。这些具有双重功能的免疫分子不仅能够招募免疫细胞，还能像专业抗菌肽(AMPs)一样杀灭细菌。特别值得注意的是，与常规抗生素不同，细菌在长期接触趋化因子压力下不会产生耐药性，这为解决日益严峻的抗生素耐药问题提供了新思路。

研究采用多种关键技术方法：通过生物层干涉技术(BLI)分析趋化因子与不同磷脂的结合特性；利用荧光激活细胞分选(FACS)和共聚焦显微镜观察趋化因子与细菌的结合定位；采用薄层色谱(TLC)分析细菌膜磷脂组成；通过小角X射线散射(SAXS)研究膜结构变化；建立体外耐药性诱导实验评估细菌进化压力响应。

"只有结合阴离子磷脂的趋化因子具有抗菌活性"部分揭示，在测试的10种人类趋化因子中，CCL11、CCL19、CCL20、CCL21、CXCL9和CXCL6种能结合心磷脂(CL)和磷脂酰甘油(PG)的趋化因子均显示抗菌活性，而4种不能结合这些磷脂的趋化因子则无抗菌作用。BLI实验证实抗菌趋化因子能特异性结合模拟E. coli和S. aureus膜组成的脂质体。

"抗菌趋化因子通过共同的阴离子磷脂富集膜域结合细菌"部分发现，荧光标记的抗菌趋化因子CXCL9、CXCL11和CCL20能结合E. coli，且结合可被其他抗菌趋化因子竞争抑制。超分辨显微镜显示这些趋化因子集中在细菌极部CL/PG富集区域，与阴离子磷脂染料NAO-630共定位。

"含阴离子磷脂的脂质体保护细菌免受抗菌趋化因子杀伤"部分证明，含CL或PG的脂质体能剂量依赖性地中和CXCL11和CCL20对E. coli和S. aureus的杀菌作用，而含PE的脂质体无此效果。竞争实验显示CL/PG脂质体可阻断趋化因子与细菌结合。

"CL缺陷细菌对抗菌趋化因子更具抗性"部分使用CL合成酶缺失的E. coli突变株BKT12，发现尽管其PG含量增加，但对CXCL9和CCL20的敏感性显著低于野生型。时间杀伤实验显示CL缺陷菌株的生长抑制延迟2小时，膜通透性降低3-5倍。

"CL促进抗菌趋化因子的快速抑菌和杀菌作用"部分通过FACS动态监测发现，1.2 μM CXCL9能在20分钟内抑制野生型E. coli生长，而CL缺陷菌株要到2小时后才显现生长抑制。高剂量(4.8 μM)CXCL9对野生型的直接杀灭率(30%)显著高于CL缺陷株(6%)。

"抗菌趋化因子裂解含阴离子磷脂的膜结构"部分的SAXS分析显示，CXCL11能在PG/PE脂质体诱导形成负高斯曲率(NGC)膜结构，预示跨膜孔形成。钙黄绿素泄漏实验证实，CL的存在使PE/PG/CL脂质体对趋化因子介导的裂解更敏感。

"细菌无法对抗菌趋化因子产生耐药性"部分的14天耐药诱导实验显示，E. coli在亚抑菌浓度CCL20压力下MIC保持稳定(20 μM)，而对照抗生素氨苄青霉素(Amp)和四环素(Tet)的MIC分别增加16倍和8倍。获得的Amp和Tet耐药株仍对CCL20敏感。

这项研究首次系统阐明了趋化因子抗菌活性的分子基础，证明其通过靶向细菌膜必需组分CL/PG发挥快速杀菌作用。由于CL是细菌存活必需且高度保守的膜成分，针对该靶点的抗菌策略有望克服现有抗生素的耐药性问题。研究发现趋化因子能在不引起耐药性的前提下有效杀灭已对常规抗生素耐药的菌株，为开发新一代"抗耐药性"抗菌药物提供了理论依据和候选分子。此外，该研究还揭示了宿主先天免疫系统中趋化因子的双重功能机制，为理解免疫防御系统的进化提供了新视角。