镉暴露通过肠道菌群代谢重编程降低抗生素疗效的机制研究

这篇研究揭示了环境重金属镉（Cd）通过改变肠道菌群组成（如Butyricicoccus等核心共生菌减少）和降低内源性代谢物DL-甲羟戊内酯（DL-mevalonolactone）水平，导致金黄色葡萄球菌（S. aureus）代谢休眠和抗生素耐受性增强。研究结合小鼠模型、多组学分析和功能验证，首次阐明镉暴露通过"菌群-代谢物-细菌代谢激活"轴削弱抗生素清除效果，为环境暴露相关感染治疗失败提供了新机制和潜在干预靶点（如补充DL-mevalonolactone可逆转耐受性）。

　　

1 Introduction

抗生素虽仍是细菌感染治疗基石，但过度使用导致临床失败率攀升，其中表型耐受（antibiotic tolerance）现象比基因耐药（resistance）更难检测和干预。环境应激源如重金属镉（Cd）与感染易感性相关，但其对抗生素疗效的影响尚未阐明。镉作为全球性污染物，在工业化地区土壤浓度百年间增长50-100%，通过食物链富集可引发心血管疾病、肾功能不全和免疫抑制。单细胞转录组学显示镉暴露会减少CD14⁺单核细胞亚群，削弱细菌清除能力，但其是否直接干扰抗生素作用仍属未知。

2 Results

2.1 慢性镉暴露降低抗生素体内清除效果

通过12周1 mg/L CdCl₂饮水建立小鼠模型，ICP-MS检测显示肺（16.1倍）、肝（12.3倍）和肾（8.7倍）镉积累最显著。感染S. aureus Newman后，环丙沙星（ciprofloxacin）在对照组使器官菌载降低100倍，而镉暴露组几乎无下降。

2.2 肠道菌群组成改变是关键因素

菌群移植实验证实：镉暴露小鼠的菌群移植组虽不增加感染负担，但显著降低抗生素疗效。16S rDNA测序显示镉暴露导致菌群α多样性（Chao/Shannon指数）下降，核心共生菌如产丁酸的Butyricicoccus、Clostridia UCG-014等8个属丰度显著降低。

2.3 DL-mevalonolactone水平与菌群改变共变

非靶向代谢组学发现742上调和758下调代谢物，KEGG富集于有机酸和脂代谢通路。Spearman相关性分析显示血清DL-mevalonolactone（甲羟戊酸途径代谢物）与6种共生菌（如Butyricicoccus）呈强正相关，其水平在镉暴露组显著降低。

2.4 DL-mevalonolactone通过激活代谢缓解耐受

该代谢物单独MIC值达8 mM，与环丙沙星无体外协同（FIC指数>0.5），但能剂量依赖性减少S. aureus持久菌（persisters）形成（500 μM时最显著）并增强抗生素清除。转录组学揭示其上调能量代谢基因（如ABC转运体varF/varG和精氨酸合成通路argB/C/F/H/J），同时下调毒力因子（coa、norB等）。ATP检测证实其可提升休眠菌能量水平，逆转代谢静止状态。

3 Discussion

本研究首次建立"镉暴露-菌群失调-DL-mevalonolactone减少-细菌代谢休眠-抗生素耐受"的完整机制链条。但需注意实验仅用雌性小鼠（因镉代谢性别差异），未来需验证雄性数据。DL-mevalonolactone作为HMGCR通路代谢物，已有研究证实其口服安全性（如改善他汀类肌病），本研究为其抗感染应用提供新视角。

4 Materials and methods

采用雌性C57BL/6小鼠（6周龄），通过饮水CdCl₂暴露12周。菌群移植前用抗生素鸡尾酒预处理1周。代谢组学采用UHPLC-Orbitrap MS，转录组用Illumina HiseqTM测序。ATP检测采用酶标法测定340 nm吸光度变化。统计采用GraphPad Prism 9.5进行t检验或Wilcoxon检验。

该研究为环境重金属暴露导致的抗生素治疗失败提供了机制解释和潜在解决方案，凸显了"环境-微生物组-宿主"互作在感染防治中的重要性。