固态核磁共振揭示白色念珠菌和耳念珠菌对棘白菌素类药物差异响应的细胞壁结构基础

本研究通过固态核磁共振技术，首次解析了耐药性耳念珠菌(C. auris)与白色念珠菌(C. albicans)在棘白菌素类药物作用下的细胞壁结构差异。研究人员发现两种真菌虽具有保守的几丁质-β-1,3-葡聚糖刚性核心结构，但对卡泊芬净的适应性响应存在显著差异：白色念珠菌通过细胞壁增厚和几丁质动态改变应对药物压力，而耳念珠菌则依赖β-1,6-葡聚糖上调维持完整性。该研究为开发针对多重耐药真菌的新型抗真菌策略提供了分子基础。

　　

侵袭性念珠菌病每年影响全球160万患者，死亡率高达40-75%，已成为免疫缺陷患者面临的重大健康威胁。随着棘白菌素类药物（echinocandins）耐药性的不断上升，特别是多重耐药耳念珠菌(Candida auris)的全球暴发，临床治疗面临严峻挑战。这种被世界卫生组织列为"关键病原体"的真菌，对现有三大类抗真菌药物（唑类、多烯类和棘白菌素类）均表现出不同程度的耐药性，其中对氟康唑的耐药率接近100%。更令人担忧的是，在COVID-19大流行期间，白色念珠菌(C. albicans)和耳念珠菌的共感染病例显著增加，凸显了深入理解其耐药机制的紧迫性。

佛罗里达州立大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，首次应用多维固态核磁共振(ssNMR)结合动态核极化(DNP)技术，在原子水平上解析了白色念珠菌和耳念珠菌的细胞壁结构差异及其对棘白菌素类药物的响应机制。这项研究揭示了两种重要病原真菌在相同药物压力下采取的不同生存策略，为开发针对耐药菌株的特异性治疗方案提供了新思路。

研究人员采用13C/15N同位素标记技术培养真菌细胞，通过质子检测固态NMR和DNP增强NMR获取高分辨率结构数据。关键实验技术包括：1)二维13C-13C相关光谱分析刚性多糖组分；2)水编辑光谱测定水合状态；3)弛豫时间测量评估分子动力学；4)基因编辑构建KRE6突变株；5)透射电镜观察细胞壁厚度变化。这些技术组合实现了对完整真菌细胞壁结构的原位解析。

细胞壁结构特征分析显示：
通过固态NMR揭示了两种念珠菌共有的双层细胞壁架构：内层由几丁质(Chitin)微纤维与β-1,3-葡聚糖(β-1,3-glucan)组成的刚性核心，外层为富含甘露聚糖(Mannan)的柔性基质。特别值得注意的是，研究发现β-1,3-葡聚糖存在三种构象异构体，其中与几丁质直接结合的类型(Bb)表现出独特的化学位移，打破了传统三螺旋结构模型。

药物诱导的细胞壁重塑：
卡泊芬净(caspofungin)处理后，白色念珠菌SC5314菌株细胞壁厚度增加32%（从140±11nm增至185±16nm），而耳念珠菌AR386菌株仅增加2.5%。分子水平上，两种菌株均表现出β-1,3-葡聚糖含量下降（白色念珠菌从94%降至47%，耳念珠菌从80%降至41%）和几丁质上调的典型补偿反应。然而，白色念珠菌的剩余β-1,3-葡聚糖保持水合状态(S/S₀=0.57→0.53)，而耳念珠菌则显著脱水(S/S₀=0.57→0.23)，这种差异反映了二者不同的应激策略。

动态特性差异：
微秒时间尺度的1H-T_1ρ弛豫测量显示，药物处理后白色念珠菌的β-1,3-葡聚糖动力学增加（15.3ms→8.6ms），几丁质刚性增强；而耳念珠菌的分子动态基本保持不变。DNP增强NMR进一步证实，耳念珠菌的刚性核心结构在药物压力下保持稳定，这种结构稳定性可能是其固有耐药性的重要因素。

β-1,6-葡聚糖的关键作用：
研究首次明确β-1,6-葡聚糖在耳念珠菌耐药中的核心地位。kre6a△突变株表现出对米卡芬净(micafungin)敏感性降低（MIC₅₀从0.25μg/mL升至0.5μg/mL），同时伴随FKS1（编码β-1,3-葡聚糖合成酶）表达上调。固态NMR显示突变株在药物压力下能通过β-1,6-葡聚糖上调（从19%增至34%）补偿β-1,3-葡聚糖缺失，而野生型白色念珠菌则缺乏这种补偿能力。

这项研究通过高分辨率固态NMR技术，首次在原子水平上绘制了耐药耳念珠菌与白色念珠菌的细胞壁结构差异图谱。研究发现虽然两种真菌共享保守的几丁质-β-葡聚糖核心架构，但对棘白菌素类药物的适应性响应存在显著分歧：白色念珠菌依赖细胞壁增厚和分子重排，而耳念珠菌则通过β-1,6-葡聚糖上调维持结构完整性。这些发现不仅解释了临床观察到的耳念珠菌固有耐药现象，更重要的是揭示了β-1,6-葡聚糖合成通路作为潜在治疗靶点的重要性。该研究为开发针对多重耐药真菌的精准治疗方案提供了分子基础，也为其他真菌病原体的耐药机制研究建立了新的技术范式。