肺炎克雷伯菌外膜囊泡通过mRNA转录组促进生物膜形成

《BMC Microbiology》：Outer membrane vesicles derived from Klebsiella pneumoniae enhance biofilm formation and are enriched in biofilm-associated mRNAs

摘要

背景

肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）的生物膜是抗生素耐药性和致病性的关键因素。外膜囊泡（OMVs）是革兰阴性菌产生的纳米级囊泡结构，已被证明参与肺炎克雷伯菌的生理学和发病机制的多个方面。然而，关于肺炎克雷伯菌外膜囊泡在生物膜调控中的具体作用仍存在重大的知识空白。因此，本研究旨在探讨外膜囊泡对生物膜形成的影响，并阐明外膜囊泡促进生物膜发育的潜在机制。

方法与结果

本研究系统性地考察了来源于具有不同生物膜形成能力的经典肺炎克雷伯菌（cKP）和高毒力肺炎克雷伯菌（hvKP）菌株的浮游态外膜囊泡（pOMVs）和生物膜态外膜囊泡（bOMVs）的特性、生物膜促进能力以及mRNA转录组谱。采用超速离心、动态光散射和透射电子显微镜证实肺炎克雷伯菌在浮游态和生物膜态均能产生外膜囊泡。生物膜态外膜囊泡的产量和直径均显著高于浮游态外膜囊泡。高毒力肺炎克雷伯菌（NTUH-K2044）产生的囊泡最为丰富，且具有更明显的双层膜结构。结晶紫染色、扫描电子显微镜和活/死染色实验表明，添加外源性外膜囊泡（尤其是生物膜态外膜囊泡）以剂量依赖的方式增加了生物膜生物量、细菌黏附、基质完整性和细菌活力。这些效应可被外膜囊泡抑制剂GW4869消除。此外，外膜囊泡的mRNA测序揭示了大量编码群体感应（QS）系统、菌毛、脂多糖（LPS）、荚膜多糖（CPS）、外排泵、铁代谢蛋白和双组分系统组分的转录本，所有这些均为公认的生物膜发育调控因子。至关重要的是，参与II型群体感应系统AI-2生物合成的基因在来源于生物膜态肺炎克雷伯菌的外膜囊泡中显著富集。

结论

本研究表明，来源于肺炎克雷伯菌的外膜囊泡能够增强生物膜形成和基质完整性，并携带大量与生物膜相关的mRNA。这些发现提示外膜囊泡mRNA转录本与肺炎克雷伯菌的生物膜调控之间存在潜在联系。这一先前未被认识到的生物膜形成作用突出了外膜囊泡可能作为治疗肺炎克雷伯菌所致生物膜感染的有前景的治疗靶点。