D-氨基酸调控囊性纤维化环境下铜绿假单胞菌生物膜形成及群体感应分子的机制研究

本研究针对囊性纤维化(CF)患者肺部铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)感染难以治疗的难题，通过模拟CF环境(SCFM3培养基)，探究了6种D-氨基酸对PAO1和FRD1菌株生物膜形成及群体感应(QS)分子的调控作用。研究发现D-天冬氨酸(D-Asp)显著抑制生物膜形成并降低QS分子水平，而D-谷氨酸(D-Glu)和D-丝氨酸(D-Ser)则呈现促进作用。通过质谱成像(MSI)技术证实D-Asp可减少肺组织感染模型中毒力因子分泌，为CF感染治疗提供了新策略。

　　

囊性纤维化(CF)患者长期面临铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)感染的威胁，这种细菌通过形成生物膜(biofilm)和分泌毒力因子逃避免疫攻击，导致抗生素治疗失败。更棘手的是，CF患者肺部特殊的化学环境（如酸性pH和黏液积聚）进一步加剧了感染复杂性。传统研究多在LB等富营养培养基中进行，难以真实模拟CF病理环境。为此，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的研究团队在《Scientific Reports》发表突破性研究，首次在模拟CF环境的合成培养基(SCFM3)中，系统评估了D-氨基酸对铜绿假单胞菌生物膜和群体感应(quorum sensing, QS)的调控作用。

研究采用细胞计数、结晶紫染色、离体肺组织培养结合质谱成像(MSI)等技术。通过比较PAO1（实验室标准株）和FRD1（CF临床分离株）在6种D-氨基酸（D-Ala、D-Asp、D-Glu、D-Pro、D-Ser、D-Tyr）处理下的表型差异，结合MSI空间代谢组学分析肺组织中毒力分子分布。

D-氨基酸对细菌生长的影响

在SCFM3培养基中，D-Asp处理48小时后使PAO1菌落数显著降低（但仍高于临床感染阈值10⁶ CFU/mL），而FRD1对D-氨基酸的敏感性较低，仅在D-Pro处理24小时后出现生长促进。

生物膜生物量的调控

D-Asp表现出最强的生物膜抑制效果（PAO1降低54.7%，FRD1降低85.5%），而D-Glu则使两种菌株生物膜增加69%。值得注意的是，D-Tyr在CF环境下未显示文献报道的生物膜分散作用，凸显环境条件对D-氨基酸功能的影响。

群体感应分子与毒力因子

MSI分析揭示D-Asp显著降低QS分子PQS（2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone）和鼠李糖脂(Rha-Rha-C₂₀)的丰度，而D-Ser处理组中这些分子水平升高。酸性条件下（pH 6.5），D-Asp的抗生物膜效果被部分抵消，这与CF患者气道表面液体(ASL)的酸性特征相关。

性别差异的意外发现

在雌性大鼠肺组织中，D-Asp反而促进QS分子积累，与雄性组织表现相反。这一现象可能与雌激素增强铜绿假单胞菌毒力的报道相呼应，为CF女性患者预后较差提供了潜在解释。

该研究首次证实D-Asp在CF模拟环境中通过干扰QS信号抑制生物膜形成，且其效果受pH和宿主性别调控。尽管离体模型存在局限性，但研究为开发针对CF肺部感染的"抗生物膜-抗生素"联合疗法提供了新思路。特别是D-Asp与L-Asp的拮抗效应提示，未来治疗需考虑氨基酸代谢平衡。这些发现不仅拓展了对D-氨基酸生物学功能的认识，也为克服细菌耐药性开辟了创新路径。