密度依赖性反馈调控β-内酰胺酶突变体传播：实验观察与种群动态模型

本研究揭示了β-内酰胺酶突变体（TEM-19/TEM-52）在头孢噻肟（CTX）压力下的竞争动态，通过调控营养水平改变细胞密度，首次量化了生态-进化反馈（eco-evolutionary feedback）对耐药性传播的抑制作用。模型预测与实验数据高度吻合，证明高密度种群中抗生素降解会形成"交叉保护窗口"，促使敏感菌株与耐药菌株（MICTEM-19=1.0μg/mL vs MICTEM-52=4096μg/mL）稳定共存，为临床耐药性防控提供了新视角。

　　

引言

抗生素耐药性已成为全球健康威胁，其中β-内酰胺酶介导的耐药机制尤为突出。传统研究多关注单一突变效应，却忽略了耐药菌降解抗生素产生的生态反馈会反向影响自身选择优势。本研究选取临床常见的TEM-19（低活性）和TEM-52（高活性）β-内酰胺酶突变体，通过精确调控甘油浓度（0.2%-2%）改变细胞密度，系统解析了头孢噻肟（CTX）浓度与种群动态的互作机制。

结果

密度与抗生素浓度共同调控突变体共存
实验显示，在50μg/mL CTX下，随着甘油浓度从0.2%升至2%，耐药株TEM-52比例从92%降至43%。低CTX浓度（12.5-25μg/mL）时，甘油影响微弱，耐药株稳定在21%左右。值得注意的是，当初始耐药株占比仅10%时，低密度条件（0.2%甘油）会导致敏感株灭绝，揭示"超调效应"的存在。通过Yurtsev方法计算平衡频率，证实CTX与甘油存在显著交互作用（χ²=7.86, P=0.005）。

生理学模型精准预测竞争动态
基于独立测量的生长参数构建的种群模型显示：耐药株TEM-52的最大降解速率（3.10×10^-4μg·cell^-1·h^-1）虽低于敏感株（6.69×10^-4μg·cell^-1·h^-1），但其对CTX的高亲和力（K_M差异）使其在实际环境中占据优势。模型成功预测到高CTX浓度促进耐药株，而高细胞密度（通过延长生长周期）有利于敏感株的规律。

连续培养验证临床相关性
模拟临床间歇给药（100μg/mL CTX脉冲）发现，在恒定营养输入下，敏感株与耐药株呈现周期性振荡：耐药株在抗生素脉冲后短暂扩增，降解CTX至亚抑制浓度后，敏感株随即复苏。这种动态平衡强烈依赖于培养密度，证实生态反馈在真实治疗场景中的普适性。

讨论

研究突破了传统MIC预测的局限性，首次揭示β-内酰胺酶突变体的传播受"密度-降解-选择"三元反馈调控。敏感株TEM-19的存活关键取决于耐药株降解CTX的速率与自身死亡速率（1.54h^-1）的博弈。该发现对理解生物膜等复杂环境中的耐药进化具有启示意义，但需注意模型未考虑 compensatory突变等其他耐药机制的影响。

材料与方法

实验采用携带pBAD322T质粒的E. coli BW27783菌株，通过流式细胞术（MACSQuant10）追踪YFP/BFP标记菌株比例。CTX降解速率通过改良的琼脂扩散法测定，结合时间杀灭实验确定死亡动力学参数。所有统计分析在R 3.6.1中完成，采用广义线性模型评估变量交互作用。

这项研究为耐药性管理提供了新范式：通过调控微环境密度可能延缓高活性β-内酰胺酶突变体的临床传播，而整合降解动力学的预测模型将成为进化医学的重要工具。