镁与乳酸生物利用度调控产肠毒素大肠杆菌生物膜形成及其致病机制研究

这篇研究揭示了产肠毒素大肠杆菌（ETEC）通过感知肠道镁离子（Mg2+）和乳酸（lactate）浓度动态调控生物膜（biofilm）形成的新机制。研究发现，高浓度Mg2+（10 mM）和乳酸协同促进ETEC生物膜形成，显著增强其对肠上皮细胞的黏附能力和胃酸耐受性，而传统定植因子（CFA/I）表达被抑制。通过扫描电镜（SEM）和小鼠模型证实，生物膜态ETEC毒力更强，为疫苗开发提供了新靶点。

　　

镁限制诱导多种ETEC菌株的CFA/I表达

经典理论认为产肠毒素大肠杆菌（ETEC）依赖质粒编码的定植因子（CFs）黏附肠道上皮，但靶向CFs的疫苗保护力有限。研究团队前期发现，热稳定肠毒素（ST）会降低肠道镁离子浓度（从7.2 mM降至2 mM），而低镁条件可诱导ETEC H10407及其临床分离株（如300202、300252）的CFA/I菌毛高表达。通过无镁CFA琼脂培养和蛋白质印迹验证，镁限制是CFA/I表达的共性调控因素。

镁依赖性ETEC生物膜的结构与功能特性

在化学限定培养基4AA-lactate中，Mg²⁺浓度（0.25-10 mM）与ETEC生物膜形成呈正相关。扫描电镜显示，10 mM Mg²⁺条件下，细菌被包裹于富含蛋白质和DNA的胞外基质中，而蛋白酶K（≥8 μg/mL）或DNase I（10 μg/mL）处理可破坏生物膜。值得注意的是，生物膜态ETEC的CFA/I表达量显著低于浮游态，但其对T84肠上皮细胞的黏附能力反而增强2-3倍，暗示存在非CF依赖的黏附机制。

乳酸作为碳源的关键作用

乳酸是ETEC生物膜形成的另一关键因素。在4AA培养基中，乳酸缺失或替换为葡萄糖时，即使高镁条件也无法形成生物膜。这与肠道内乳酸浓度梯度（小肠高达50-100 mM）相吻合，提示ETEC可能通过感知宿主代谢产物选择生存策略。有趣的是，生物膜态ETEC对pH 2.8胃酸环境的耐受性显著提升（存活率较浮游态高10倍），但对过氧化氢（H₂O₂）的敏感性无差异。

动物模型验证生物膜致病优势

在链霉素预处理小鼠模型中，生物膜态ETEC在小肠定植量比浮游态高1个数量级。新生儿攻毒实验进一步显示，生物膜接种组死亡率显著升高（P<0.01）。电镜观察到生物膜ETEC密集黏附于肠绒毛表面，而浮游态细菌则难以检出。这些结果与霍乱弧菌（Vibrio cholerae）的生物膜致病模式相似，但ETEC的调控网络可能涉及PhoPQ双组分系统——基因组分析发现CFA/I操纵子上游存在保守的Pho框序列（5′-TTTTGATTTATTATTGA-3′）。

讨论：环境信号与疫苗设计新思路

研究揭示了ETEC通过镁-乳酸轴调控生物膜形成的生态适应性：ST毒素降低肠道镁浓度以诱导CFs表达，而高镁环境则启动生物膜程序。这种"双模式"黏附策略可能解释临床分离株的异质性。鉴于生物膜基质含保守抗原（如curli纤维、纤维素），针对生物膜组分的疫苗设计或可弥补CF疫苗的局限性。未来需解析乳酸受体LldR等信号通路如何与PhoPQ交叉调控，以及多菌种生物膜对ETEC致病的影响。