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机制“挖掘机”|中南大学陈利玉团队蛋白组两篇文章,深入揭示纳米银抗菌机制

已有 514 次阅读 2020-9-15 17:15 |系统分类:科研笔记| 纳米银抗菌, 蛋白质组学

铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)是最常见的革兰氏阴性杆菌,也是最常见的机会致病菌之一。它很容易在肺部或烧伤伤口感染的患者中发现,并且是一些植入医疗设备(如导管)中的主要定植细菌。开发新的高效、安全、广谱抗菌药物是防治铜绿假单胞菌感染的迫切需要。

纳米银(AgNPs)颗粒是一种新型的广谱抗菌剂,且其对哺乳动物细胞显示出低细胞毒性,受到了广泛的关注。研究发现AgNPs对多药耐药铜绿假单胞菌具有抗菌活性【1】,但相关研究很少。此外,AgNPs对多药耐药细菌的抗微生物机制仍然是个谜。

蛋白质组学能够帮助我们全面了解细胞或组织中蛋白质丰度、互作和翻译后修饰等信息,是研究生命活动分子机制的重要技术手段。中南大学基础医学院陈利玉团队与景杰生物合作,运用串联质谱(TMT)标记的定量蛋白质组学方法,深入揭示了AgNPs通过诱导氧化应激、破坏生物膜,从而发挥对多药耐药铜绿假单胞菌抗菌活性的分子机制。研究成果分别发表在生物医学专业期刊International Journal of NanomedicineJournal of Proteome Research上。

纳米银对多药耐药铜绿假单胞菌的抗菌作用及机制研究

Antibacterial activity and mechanism of silver nanoparticles against multidrug-resistantPseudomonas aeruginosa

样本策略:AgNPs处理临床分离的多药耐药铜绿假单胞菌

质谱策略:TMT标记蛋白组定量

为了研究AgNPs对临床分离的多药耐药铜绿假单胞菌的抗菌活性及机制,该研究团队用透射电镜观察了细菌在AgNPs作用下的形态结构变化,并运用TMT标记的定量蛋白质组学方法深入分析了AgNPs处理对细菌蛋白表达的影响。研究共鉴定到3,247个蛋白质,与对照组相比,AgNPs处理后170种蛋白质上调,366种蛋白质下调。

AgNPs处理多药耐药铜绿假单胞菌蛋白组分析

GO富集分析表明,参与活性氧代谢、氧化应激和氧化还原过程的蛋白质表达显著增高,而与合成、代谢过程、氨基化合物和大分子物质有关的蛋白质显著下降。进一步研究表明,AgNPs能有效地杀灭多药耐药铜绿假单胞菌,其主要机制是氧化和抗氧化过程失衡,未能消除细菌体内过量的活性氧,造成脂质过氧化和DNA、核糖体的损伤,从而导致大分子合成减少,细胞死亡。

原文链接:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6396885/

银纳米颗粒对抗多药耐药铜绿假单胞菌生物膜的作用机制

Quantitative proteomics reveals the mechanism of silver nanoparticles against multidrug-resistantPseudomonas aeruginosa biofilm

样本策略:AgNPs处理临床分离的多药耐药铜绿假单胞菌膜蛋白

质谱策略:TMT标记蛋白组定量

铜绿假单胞菌主要有四种耐药机制:①产生抗生素灭活酶或修饰酶;②通过改变抗菌药物作用的靶位,以逃避抗菌药物的抗菌作用;③膜屏障与主动外排作用,以限制药物到达其作用靶位;④形成生物膜,使抗菌药物不能有效地到达作用部位。生物膜形成是其中重要的机制。此外,AgNPs释放Ag+通过与细菌细胞膜和细胞壁成分的相互作用发挥强大的抗菌作用,这是AgNPs毒性的重要机制之一。

那么AgNPs是否通过作用于生物膜发挥对多药耐药铜绿假单胞菌的抑制作用?该研究团队在前期研究基础上,进一步运用TMT蛋白质组学分析了AgNPs对铜绿假单胞菌中生物膜蛋白表达的影响。结果发现,AgNPs处理后,317种蛋白质上调,324种蛋白质下调。GO富集分析表明,上调蛋白富集在“抗氧化活性”、转运蛋白活性”等条目中,而下调蛋白富集在“电子载体活性”,“核糖体的结构成分”等条目中。多数鞭毛蛋白、菌毛蛋白和生物膜的趋化性相关蛋白在AgNPs处理的生物膜中下调。

研究示意图

研究进一步证实,AgNPs通过诱发强烈的氧化应激反应、破坏铁稳态,增加ROS的产生,导致低氧应激反应等多种机制抑制了铜绿假单胞菌生物膜的产生,抑制细菌的粘附和运动,从而导致细菌死亡。研究为阐明银纳米颗粒对抗生物膜的机理提供了新的见解。

AgNPs对铜绿假单胞菌生物膜的机制模型

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jproteome.0c00114

总 结

综上所述,该研究团队首先验证了AgNPs能有效杀灭多药耐药铜绿假单胞菌,在铜绿假单胞菌浮游阶段,AgNPs就能引发氧化和抗氧化过程失衡,造成脂质过氧化和DNA、核糖体的损伤,从而导致大分子合成减少,细胞死亡。第二篇文章则在前期的基础上,进一步研究了铜绿假单胞菌形成生物膜之后AgNPs的抑菌机制,AgNPs通过诱发强烈的氧化应激反应、破坏铁稳态,增加ROS的产生,导致低氧应激反应等多种机制抑制了铜绿假单胞菌生物膜形成。

研究同样表明了蛋白质组学,包括蛋白质修饰组学在机制挖掘上的独特价值,两篇文章都采用蛋白质组学获取文章的主要数据,以组学数据为线索结合一系列功能实验,针对性解答组学数据与表型相关联的机制,深入地挖掘了AgNPs对多药耐药铜绿假单胞菌的抗菌机制,为后续研究指明了方向。

参考文献:

1. Salomoni R., et al., 2017. Antibacterial effect of silver nanoparticles in Pseudomonas aeruginosa.Nanotechnol Sci Appl.

2. Liao S, et al., 2019. Antibacterial activity and mechanism of silver nanoparticles against multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa. International Journal of Nanomedicine.

3. Zhang Y, et al., 2020. Quantitative proteomics reveals the mechanism of silver nanoparticles against multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa biofilms. Journal of Proteome Research.

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