氨苄西林或链霉素抗生素预处理差异化塑造小鼠沙门菌感染动力学及伴随的肠道炎症

《Gut Microbes》：Antibiotic pretreatment with ampicillin or streptomycin differentially shapes Salmonella infection kinetics and associated intestinal inflammation in mice

　　

鼠伤寒沙门菌（Salmonella enterica serovar Typhimurium，S. Tm）小鼠感染模型通常依赖抗生素预处理以破坏微生物组介导的定植抗性并实现可重复的感染。链霉素（streptomycin）是主要使用的抗生素，但替代预处理方案如氨苄西林（ampicillin）正被越来越多地采用，尤其用于减毒S. Tm突变体感染。然而，不同抗生素预处理对S. Tm感染动力学和宿主反应的影响仍缺乏系统表征。研究人员比较了链霉素与氨苄西林预处理小鼠的S. Tm感染结局。两种抗生素均支持相当的管腔定植，但氨苄西林预处理在S. Tm感染期间诱导更早、更强且更持续的肠道炎症和组织病理学改变。在无特定微生物（germ-free，GF）小鼠中这些差异消失，表明其为微生物组依赖机制，微生物组转移实验进一步支持该结论。独特的感染结局与抗生素特异性的微生物组组成改变相关，而靶向质谱分析管腔代谢物未揭示显著差别。显著的是，氨苄西林预处理伴随S. Tm早期TTSS-1（type III secretion system 1）表达升高，与上皮入侵增加一致。总之，研究结果表明抗生素预处理深刻塑造肠道环境，并与S. Tm毒力表达、宿主反应及感染动力学的差异相关。因此，抗生素预处理的选择是鼠类S. Tm感染模型中的关键变量。

研究背景与立项依据

鼠伤寒沙门菌（Salmonella enterica serovar Typhimurium，S. Tm）是研究肠道致病机制的经典模型，其感染依赖位于沙门菌致病岛（Salmonella pathogenicity islands，SPI）上的两套III型分泌系统（type III secretion system，TTSS）：TTSS-1介导肠上皮细胞入侵，TTSS-2支持胞内存活复制。实验小鼠因个体间微生物组差异导致S. Tm定植易感性可变，故常于口服攻毒前用大剂量抗生素预处理以绕过定植抗性（colonization resistance）。链霉素预处理模型过去二十年成为基石，其选择性清除专性厌氧共生菌、短暂扩张肠杆菌科等兼性厌氧菌，营造许可性环境。但在减毒S. Tm突变体（如SPI-2缺陷株S. Tm^SPI2）实验中，链霉素有时不能充分解除定植抗性，若未被识别会导致机制误读；此时研究者转向氨苄西林预处理。氨苄西林为广谱β-内酰胺类，覆盖革兰阳性及部分阴性菌，引发微生物多样性深度下降。尽管两药常用，但其对肠道环境及后续感染动态的功能性后果从未被系统定义。鉴于不同预处理方案所得结果常被放入同一概念框架解释，研究人员认为必须判定二者是功能等效还是本质不同，从而开展本研究，论文发表于《Gut Microbes》。

主要技术方法概览

研究人员采用SPF级C57BL/6背景野生型（WT）与Gasdermin D缺陷（GsdmD^?/?）小鼠、129S6/SvEvTac小鼠及无特定微生物（GF）WT小鼠，通过共笼实现GsdmD^?/?供体向GF受体微生物组转移；单剂口服链霉素（25 mg）或氨苄西林（20 mg）预处理24小时后，口服5×10⁷ CFU S. Tm^SPI2或S. Tm^WT攻毒，设1、4、18小时及1、4天终点；以粪便脂质运载蛋白-2（lipocalin-2，LCN2）ELISA、盲法H&E组织学评分、cecum组织CFU平板计数评估定植与炎症；用16S rRNA扩增子测序（V4区，dada2推断ASV）分析微生物组成，荧光显微计数SYTOX⁺菌密度；靶向LC-MS绝对定量短链脂肪酸（SCFA）、糖、氨基酸；构建PsicA-gfp报告质粒转入S. Tm^SPI2后流式检测8小时感染期TTSS-1表达；免疫荧光显微量化lamina propria内S. Tm-LPS⁺细胞数；统计采用Mann-Whitney U检验与Benjamini-Hochberg校正。

研究结果（按原文小标题浓缩）

氨苄西林预处理在S. Tm^SPI2感染中较链霉素引发更强肠道炎症（跨两种宿主基因型）

WT与GsdmD^?/?小鼠预处理后感染S. Tm^SPI2 4天。两药管腔定植相当，但氨苄西林组粪便LCN2更早达峰（1天约10⁴ ng/g）且维持，链霉素组WC57BL/6仅约10³ ng/g，GsdmD^?/?链霉素组4天仅~200 ng/g；氨苄西林组cecum组织病理学评分显著更高，该表型在129S6背景中复现，且GsdmD^?/?放大效应更明显。

抗生素依赖的S. Tm^SPI2感染表型独立于宿主GSDMD状态

GsdmD^+/?与GsdmD^?/?同窝比较显示GSDMD缺陷不改变抗生素间差异；GF WT经与GsdmD^?/?共笼获微生物组后再预处理感染，表型与供体一致；GF小鼠直接两药预处理感染则无差异。结论：表型非宿主基因型驱动，而为微生物组依赖。

氨苄西林或链霉素预处理形成独特微生物组轮廓

预处理1天后总菌密度均降10-20倍，α多样性均降，但PCoA分群清晰：未处理以Bacteroidota（72%）为主，链霉素富集Actinobacteriota、Desulfobacterota及Coriobacteriales、Oscillospirales；氨苄西林富集Firmicutes（91%）、Erysipelotrichales、Clostridiales vadinBB60组。绝对丰度推算显示两药间Firmicutes/Bacteroidota/Proteobacteria总量近似，但链霉素保住Desulfobacterota、扩Actinobacteriota，氨苄西林削Verrucomicrobiota。

预处理对感染前肠道代谢物的影响

预处理1天基线LCN2均低于检测限；两药均使acetate/butyrate/propionate降至检测限下，氨基酸普遍上升且组间无差，糖类中arabinose（~21倍中位升）、glucose、fructose、mannose、xylose及gluconate在氨苄西林组略高，lactate在链霉素组略高，但FDR校正后均无显著代谢物差异。

氨苄西林预处理小鼠感染早期（8小时）S. Tm^SPI2的TTSS-1表达升高

8小时流式显示氨苄西林组粪便/cecum S. Tm载量更高，GFP⁺（PsicA驱动）比例显著高，TTSS-1⁺绝对数约4倍于链霉素组；1天感染时lamina propria的S. Tm-LPS⁺细胞数约10倍升高，LCN2高~100倍，组织学评分达4天水平。改用TTSS-1/2双缺株S. Tm^ΔinvGΔssaV则炎症不升，证明确系TTSS-1依赖。

抗生素依赖炎症效应在S. Tm^WT感染中保持

WT C57BL/6感染S. Tm^WT 18小时及1天，粪便载量两组相当，但氨苄西林组LCN2持续显著高于链霉素组，表明该效应不限于减毒株或特定基因型。

讨论与结论翻译

研究人员在讨论中指出，链霉素（氨基糖苷类）与氨苄西林（β-内酰胺类）虽均杀菌并同等降低总菌密度，但因分类特异性作用选出不同残存群落，而感染结局并非由多样性或密度本身、而由特定留存分类群决定；链霉素残存群落（如Coriobacteriales、Oscillospirales）可能通过营养竞争或抑制毒力表达弱化炎症，氨苄西林富集的Erysipelotrichales与Clostridiales vadinBB60关联促炎环境。SCFA在两药下均近消失，排除其直接介导TTSS-1差异；氨苄西林组略高的arabinose等糖虽体外可抑TTSS-1，但体内证据显示其通过加速种群扩张间接伴高TTSS-1信号，研究人员未断言其为直接激活子。宿主直向效应被GF实验与基线LCN2否定。感染后期链霉素组S. Tm^SPI2载荷下降伴微生物组恢复迹象，氨苄西林组维持载荷与炎症，除炎症阻断恢复外，氨苄西林对关键共生竞争者清除更彻底或改变黏液等宿主因子亦为可能。研究人员结论译文如下：本研究比较链霉素与氨苄西林预处理对小鼠S. Tm感染的影响，发现预处理抗生素的选择关键性塑造感染结局；两方案均破除定植抗性并支持管腔定植，但伴生感染动力学、病原体行为与宿主反应各异——氨苄西林预处理诱发强且持续的炎症，链霉素预处理反应温和；该差异跨C57BL/6与129S6/SvEvTac背景、跨S. Tm^SPI2与S. Tm^WT、独立于GSDMD而链于微生物组特异性偏移（GF小鼠无差异）；氨苄西林关联早期TTSS-1高表达与黏膜入侵增强；靶向代谢轮廓仅现细微差别。因此特定预处理抗生素可根本性塑造肠感染动态，不同方案结果不可不经语境直接比对，抗生素选择是肠道感染模型的关键实验变量，须匹配生物学问题。