【文献速递】抗菌药物给药的时机决定细菌耐药基因编码质粒的传播

研究背景

质粒是细菌间转移抗菌药物耐药性的主要载体。这项研究主要探求是否有一个最佳的时间点使用抗菌药物，以减少在细菌繁殖期发生新的耐药基因通过质粒进行传播。本研究使用施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）作为研究工具，分为携带编码氯霉素耐药的可接合质粒pAR145的供体(称为质粒供体菌株)和不携带质粒的受体(称为潜在受体菌株)。研究中，在不同的时间点使用抗菌药物，发现质粒转移和接合子繁殖与抗菌药物给药时间有单模态关系（unimodal relationships），并在给药中间时间达到最大值；这些单模态关系是质粒转移和丢失概率之间相互作用的结果。本研究对微生物群落中编码抗菌药物耐药基因质粒的转移和扩散，提供动态性分析以及识别出抗菌药物给药时点是重要决定因素。

研究结果

#01

在没有氯霉素的情况下，pAR145负荷下降

研究观察到在没有氯霉素的情况下，携带pAR145会产生适应成本，这导致pAR145供体细胞逐渐被潜在的受体细胞取代(图1)，导致范围扩大期间绿/红比值增加。

图1 没有氯霉素时pAR145范围扩增的动力学图 a图中，pAR145供体细胞呈红色，潜在的受体细胞呈绿色；b图中，混合指数；c图中， pAR145载量；d图中，绿色(潜在受体细胞)与红色(pAR145供体细胞)像素的比值与膨胀半径的关系，这里的膨胀半径是指从边缘(1500μm)开始到最终边界边缘(4000μm)。图不同颜色的数据点对应不同独立复制的测量值（6个）

#02

给药时间决定接合子的增殖

本研究在范围扩增实验开始后0 - 108小时之间的13个时间点（分别为:0、2、4、6、12、24、36、48、60、72、84、96和108小时）添加氯霉素，氯霉素暴露总时间为7天。与研究预期相反，研究者观察到氯霉素给药后7日，接合子频率与添加氯霉素时间之间存在单模态关系 (图2a,2b)；并发现随着给药时间的延长，接合子频率增加，最大值发生在范围扩大开始后12小时给药时(图2d)。同时本研究认为空间混合是pAR145转移的决定因素，研究发现空间混合也与抗菌药物给药时间呈单模态关系(图2c)。

图2 范围扩增开始后氯霉素给药时机对pAR145扩散的影响。

#03

单个接合子细胞的局部增殖

为了验证接合子细胞数量的增加是由于产生了更多的接合子细胞(水平转移)，还是单个转接合子细胞的增殖（克隆扩增），研究使用Cell Modeller框架进行了基于个体的计算模拟。研究表明转接合子频率的增加在很大程度上与单个转接合子的局部增殖相关（图3）。

图3 范围扩增期间的接合子动力学。

讨论

该研究将实验与基于单个细菌的计算模型相结合，发现了在抗菌药物给药期间，携带抗菌药物耐药基因的质粒向供体细胞的扩散达到峰值，并发现供体和受体之间的质粒的传播，是通过在在空间混合模式下大量接触以达到达到最大化；同时该研究结果进一步表明抗菌药物给药的时机，对于控制抗菌药物耐药的异质性很重要。本研究结果可以帮助我们从机制上理解编码耐药基因的质粒在定植微生物群落之间的传播，同时本研究认为了解抗菌药物给药时间与抗菌药物耐药传播之间的关系很重要，这对于理解抗菌药物耐药发生至关重要。

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