多組學(xué)揭秘Bi-MOF光聲技術(shù)可實現(xiàn)感染早期診斷

步驟1：野生型和抗生素（甲氧西林）耐受型（金黃色葡萄球）菌中的H₂S水平；
步驟2：Bi-MOF表征及其作為細(xì)菌感染光聲成像（PAI）探針的研究；
步驟3：Bi-MOF增強(qiáng)了甲氧西林對耐受型菌株的殺菌效果，并通過降低胞內(nèi)H₂S水平防止其產(chǎn)生；

步驟4：多組學(xué)分析揭示Bi-MOF作用的潛在機(jī)制；
步驟5：Bi-MOF在體內(nèi)感染早期檢測中的應(yīng)用；
​​​步驟6：Bi-MOF在耐受型菌株誘導(dǎo)的小鼠皮下感染模型中可協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林的治療效果并抑制感染復(fù)發(fā)。
 

研究結(jié)果

1.  野生型和抗生素（甲氧西林）耐受型（金黃色葡萄球）菌中的H₂S水平

通過循環(huán)抗生素暴露演化法，研究人員基于野生型MRSA獲得了耐甲氧西林MRSA (ATCC 25923) ，以下簡稱（抗生素）耐受型菌株。用H₂S熒光探針和pb(ac)2檢測法測定野生型和耐受型菌株的細(xì)胞內(nèi)H₂S水平。結(jié)果表明，耐受型菌株的H₂S水平高于野生型 (圖1D-F)。胞內(nèi)H₂S定量分析顯示，耐受型菌株的胞內(nèi)H₂S水平顯著高于野生型(圖1E)。這些結(jié)果表明，在耐受型菌株中，H₂S發(fā)生上調(diào)。
 

圖1 耐甲氧西林MRSA對甲氧西林耐受性演變和胞內(nèi)H₂S水平提高

 

2. Bi-MOF表征及其作為細(xì)菌感染PAI探針的研究

未經(jīng)處理的MRSA接種物經(jīng)過Bi-MOF處理12 h后，顏色由淺黃色變?yōu)楹谏�（圖2D），通過PAI信號測試，證實Bi-MOF可以作為細(xì)菌感染檢測探針(圖2E-F)。結(jié)合XRD譜圖和透射電鏡觀察的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Bi-MOF與胞內(nèi)H₂S反應(yīng)形成Bi₂S₃,其在激光照射下可發(fā)出PAI信號(圖2H-G)。因此，Bi-MOF可作為細(xì)菌感染的PA檢測探針。
 

圖2 Bi-MOF相關(guān)表征及其作為體外細(xì)菌感染光聲(PA)診斷探針的性能

 

3.  Bi-MOF增強(qiáng)了甲氧西林對耐受型菌株的殺菌效果，并通過降低胞內(nèi)H₂S水平防止其產(chǎn)生

通過兩種獨(dú)立的方法研究了在正常和抗生素應(yīng)激條件下，Bi-MOF對耐受菌H₂S的影響。結(jié)果證實，無論是在正常狀態(tài)下還是在抗生素壓力下，Bi-MOF治療都有效地下調(diào)了耐甲氧西林MRSA的細(xì)胞內(nèi)H₂S水平。隨后，又通過其他檢測發(fā)現(xiàn)Bi-MOF能使耐受菌對甲氧西林敏感（圖3E-G），并協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林對耐受菌株的殺菌作用（圖3I）。

圖3 Bi-MOF抑制細(xì)胞內(nèi)H₂S水平，協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林對耐受菌的根除效果

 

4. 多組學(xué)分析揭示Bi-MOF作用的潛在機(jī)制

基于蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的多組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)Bi-MOF處理導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的蛋白毒性應(yīng)激、能量動員和硫代謝，同時下調(diào)了與毒力因子和細(xì)胞壁合成相關(guān)的基因。這些潛在的機(jī)制，可能共同有助于增強(qiáng)甲氧西林對耐甲氧西林MRSA的殺菌效果（圖4）。
 

圖4 Bi-MOF處理耐甲氧西林MRSA的多組學(xué)分析

 

5. Bi-MOF在體內(nèi)感染早期檢測中的應(yīng)用

研究探索了Bi-MOF在活體小鼠皮下感染模型中的診斷性能。對小鼠進(jìn)行PAI檢測，結(jié)果顯示Bi-MOF處理小鼠創(chuàng)面區(qū)域皮下腔內(nèi)PAI信號強(qiáng)度呈時間依賴性升高，實時生成良好的對比圖像（圖5A-C）。該結(jié)果表明Bi-MOF與內(nèi)源性細(xì)菌H₂S反應(yīng)生成Bi₂S₃，在激光刺激下產(chǎn)生滿意的PAI信號。綜上，Bi-MOF可作為一種具有空間信息的細(xì)菌感染實時精確檢測工具。

圖5 Bi-MOF通過激光觸發(fā)光聲(PA)成像實現(xiàn)了感染的實時原位診斷

 

6. Bi-MOF在耐受型菌株誘導(dǎo)的小鼠皮下感染模型中可協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林的治療效果并抑制感染復(fù)發(fā)

通過建立耐甲氧西林MRSA皮下感染的小鼠模型，分別用甲氧西林單獨(dú)或聯(lián)合Bi-MOF進(jìn)行5天的抗生素治療，檢測其體內(nèi)治療效果，其后再觀察一周，檢查感染是否再次發(fā)生。通過監(jiān)測創(chuàng)面活菌載量、H₂S水平等檢測發(fā)現(xiàn)，甲氧西林的短期抗生素治療促使耐受菌感染的短暫抑制，但不能完全根除，導(dǎo)致感染復(fù)發(fā)。Bi-MOF作為抗生素增強(qiáng)劑，與甲氧西林協(xié)同作用，有效根除創(chuàng)面內(nèi)的耐受菌，促進(jìn)創(chuàng)面愈合，緩解炎癥浸潤（圖6）。
 

圖6 Bi-MOF協(xié)同增強(qiáng)甲氧西林對耐甲氧西林MRSA的根除效果
 

 小編小結(jié)

本研究合成了一種靶向耐受MRSA的治療性抗生素增強(qiáng)劑，通過體內(nèi)外實驗證實，其可有效下調(diào)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)H₂S水平，根除耐甲氧西林MRSA感染，防止感染復(fù)發(fā)。此外，又通過多組學(xué)分析深入揭示了Bi-MOF治療耐受菌的全景和其抗菌作用背后的詳細(xì)機(jī)制。