植入物相关生物膜中金黄色葡萄球菌与大肠杆菌互作机制及治疗意义研究

本刊推荐：为应对人工关节置换术后多重微生物感染（PJI）的临床挑战，研究人员开展了关于植入物表面金黄色葡萄球菌（S. aureus）与大肠杆菌（E. coli）双物种生物膜互作机制的研究。研究发现大肠杆菌通过抑制金黄色葡萄球菌生物膜活性、改变其抗生素敏感性并触发应激基因表达重塑菌群动态，为优化多微生物PJI的靶向治疗提供了关键分子依据。

　　

在人工关节置换术（Total Joint Arthroplasty）日益普及的今天，假体周围感染（Periprosthetic Joint Infection, PJI）已成为最具破坏性的并发症，影响着全球数百万患者的康复进程。尽管金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是PJI中最常见的病原体，但近年的临床数据表明，高达6-40%的感染案例实则为多微生物感染（Polymicrobial Infections），其中革兰氏阴性菌（如大肠杆菌Escherichia coli）的参与显著加剧了临床治疗的复杂性。这类混合感染不仅携带多样化的抗生素耐药谱，还易在生物膜（Biofilm）中发生基因交换，催生多重耐药菌株，最终导致翻修手术失败率和患者死亡率的攀升。

然而，当前针对PJI的治疗方案（包括局部和全身抗生素给药）仍主要基于单物种感染模型设计，并未充分考虑多微生物生物膜中菌种间的相互作用。更严峻的是，常规培养诊断中约20%的假阴性率以及微生物间的竞争抑制效应，使得多微生物感染的发生率被严重低估。在这一背景下，理解植入物表面多物种生物膜的形成机制、种群动态和抗生素应答特性，成为优化PJI治疗策略的关键突破口。

为此，由麻省总医院Harris骨科实验室的Amita Sekar及Ebru Oral领衔的研究团队，在《npj Biofilms and Microbiomes》上发表了题为“Characterizing interactions of Staphylococcus aureus and Escherichia coli in dual-species implant-associated biofilms”的研究论文。该研究系统探究了甲氧西林敏感及耐药金黄色葡萄球菌（MSSA/MRSA）与大肠杆菌（EC）在植入物不锈钢表面形成的双物种生物膜，揭示了菌间互作对生物膜生长动力学、庆大霉素（Gentamicin）敏感性以及基因表达调控网络的深刻影响。

本研究主要采用体外生物膜培养模型（使用不锈钢植入物模拟物）、细菌活力定量（平板计数法与荧光Gram染色结合）、扫描电镜（SEM）与荧光显微镜成像、最低生物膜清除浓度（MBEC）测定以及实时定量PCR（qPCR）技术分析关键基因表达。其中临床MRSA菌株（Mu50; ATCC 700699）由罗德岛大学提供。

研究结果

E.coli影响植入物表面生物膜生长动态

通过6–48小时的时序监测发现，大肠杆菌（EC）的共存显著抑制了MSSA和MRSA在植入物表面的生物膜存活能力。在双物种培养中，MSSA的黏附活菌数下降超过3个对数单位，至48小时时几乎低于检测限；MRSA则在早期（6小时）出现短暂增殖，但在24小时后同样被强烈抑制。相反，EC的存活率在共存条件下大幅上升，至48小时时占据生物膜中86%–98%的活菌比例。此外，从双物种生物膜中回收的金黄色葡萄球菌呈现小菌落变异体（Small Colony Variants, SCVs）形态，暗示其代谢活性和抗生素耐受性的改变。

双物种互作调控生物膜结构特性

荧光显微成像显示，早期（6小时）生物膜中以金黄色葡萄球菌黏附为主，EC则零星分布；至24小时，两菌形成共聚集簇；48小时后EC完全占据主导。扫描电镜进一步揭示：EC在共存条件下形态发生改变——包括缩短的杆状结构、皱缩的表面以及生物膜鞘层的减少——表明其应对种间竞争的适应性响应。研究还注意到，金黄色葡萄球菌的基质蛋白可能促进了EC的早期黏附，但随着时间推移，EC显示出更强的植入物表面定植能力。

E.coli改变金黄色葡萄球菌对庆大霉素的敏感性

在单物种生物膜中，MSSA和MRSA对庆大霉素的MBEC分别为100–500 μg/mL和＞500 μg/mL。而与EC共存后，MSSA的MBEC显著降至＜10–25 μg/mL，提示其抗生素敏感性增强；相反，EC在双物种环境中的MBEC却明显上升。MRSA的庆大霉素敏感性在早期未发生显著变化，但在48小时建立的生物膜中，MBEC也从＞500 μg/mL降至200–500 μg/mL。这一结果表明菌间互作可物种特异性地调节抗生素耐受状态。

分子互作机制：基因表达的重编程

qPCR分析揭示，在6小时初始生物膜中，MSSA的应激响应（sigB, yjbH）、黏附（clfA, atl）及生物膜形成（icaA, icaD）基因均显著上调；而MRSA却出现同一组基因的下调，显示两株菌对EC存在的早期应答策略不同。至24小时，MSSA中基因表达整体受抑制，而MRSA的毒力基因（yjbH, clfA）及生物膜相关基因（icaA, icaD）反而上调。EC在共存环境下亦显示基因表达变化：其群体感应（sdiA）、DNA代谢（gyrA）及大肠杆菌素（clbA, clbB）相关基因均被激活，且在MRSA存在时反应更为强烈。

结论与讨论

本研究首次系统阐释了植入物表面金黄色葡萄球菌–大肠杆菌双物种生物膜的动态互作机制。EC通过竞争性抑制与分子信号干扰显著削弱了金黄色葡萄球菌的生物膜存活能力，并改变了其对抗生素的敏感性状态。表型变化（如SCV形成）和基因表达重编程（应激响应、毒力因子、群体感应通路）共同提示：菌间互作可驱动种群结构向EC优势态发展。

从临床角度看，该研究为多微生物PJI的治疗提供了新的思路：利用EC对金黄色葡萄球菌的抑制效应，或可开发基于竞争排斥的治疗策略；而MBEC数据的变化则提示我们需要针对混合感染优化抗生素给药方案，尤其是局部药物释放植入物的设计。此外，检测中发现的SCV表型和代谢改变也暗示了表型耐药（Antibiotic Tolerance）的形成，这可能是感染复发的潜在机制。

研究的局限性包括体外培养系统无法完全模拟体内关节腔低氧环境，以及依赖培养的方法可能低估了不可培养菌态（VBNC）的存在。未来研究需结合动物模型、动态培养系统以及转录组学手段进一步揭示互作机制。尽管如此，该工作无疑为理解植入物相关多微生物感染的生物学基础迈出了关键一步，也为靶向菌间互作的精准治疗策略奠定了理论基础。