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[转载]细菌如何交流和占地盘——细菌的群体感应和生物膜

已有 526 次阅读 2022-5-20 12:19 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

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有人在的地方就有江湖,这也同样适用于细菌。


单个细菌的行动往往只是徒劳,然而当它们在一起的时候,集体行动的能力令人刮目相看。


细菌使用化学物质作为它们的“语言”,使用化学通讯来区分自己的物种和其他物种。


实际上它们看不到,并不知道彼此在那里,但它们可以测量化学物质的浓度。


当这些化学物质的水平达到临界水平时,会向细胞内部传递一个信号,该信号会提醒每个细菌细胞及其他在附近的细菌同胞,告诉它们已达到“法定人数”。

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然后,整个细菌群作为一个大的、协调的群体,去执行单个细菌无法完成的任务


以上就是所谓的“ 群体感应 ”。


微生物细胞群体密度的增加使微生物之间的细胞间通讯成为可能,从而产生群体感应信号。


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生物发光、毒性因子产生、次级代谢产物产生、DNA摄取能力、生物膜形成等,这些都离不开群体感应。


如果有一两个细菌进入我们体内,它们释放出一些有毒物质或毒素,对于我们几乎没啥影响。


但是如果它们“略施计谋”,等待并计算自己的数量,等到大量细菌一起分泌毒素,攻击人体,那么就可能会压倒人的免疫系统


它们可以利用群体感应启动致病性。


干扰群体感应有可能阻止有害细菌的致病。当然,促进群体感应,特别是有益细菌,也可以使我们更健康,并可能产生有价值的药品和工业产品。


本文我们详细了解一下细菌世界里的各种故事,群体感应期间会发生什么,群体感应如何影响宿主,群体感应在生物膜的形成中发挥什么作用,与哪些疾病相关,该如何利用群体感应控制疾病从而利于人体健康。




01

群体感应具体是如何实现的


群体感应(简称QS)是细菌细胞与细胞之间的交流过程,涉及到细胞外信号分子自诱导剂(AIs)的产生、检测和响应。AIs使细菌能够感知和响应时间和连续环境,并通过改变基因表达来协调菌落的行为。


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doi: 10.3748/wjg.v27.i42.7247


说起群体感应,就要了解以下三个主要的信号分子。


1、 AHL (酰基高丝氨酸内酯Acyl-Homoserine Lactones)


【在革兰阴性菌中由AHL介导】


AHL是由合成酶复合物产生的,AHL可以通过膜自由扩散。AHL被其细胞内受体识别,复合物与靶基因调控元件结合。


许多革兰氏阴性细菌利用LuxI/LuxR型群体感应系统,产生一系列AHL信号,当与同源LuxR同源物结合时,这些信号可调节控制多种性状的基因的表达。LuxR同系物可与一系列AHL结合。

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图片来源:Wikimedia Commons


2、自诱导肽 AIP(Autoinducing Peptides)


【在革兰阳性菌中的由AIP介导】


在革兰氏阳性细菌中,群体感应通常由称为自动诱导肽(AIPs)的小分泌肽控制。AIP由核糖体作为前体肽合成,然后加工并主动运出细菌细胞


AIP传感涉及与细菌膜中的传感器激酶信号受体结合,然后使控制靶基因转录的细胞质反应调节器磷酸化。


AIP控制革兰氏阳性细菌的一系列细菌功能,包括枯草芽孢杆菌的产孢和能力,以及金黄色葡萄球菌的毒力


3、 AI-2(Autoinducer 2)


【 在革兰阴性菌和革兰阳性菌中均能由AI-2介导,细菌世界里的“通用语言”】


Al-2存在于一些革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌中。AI-2需要一种转运蛋白才能进出细胞。现在人们普遍认为,AI-2在革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌中都是一个重要的信号,但其信号活性仅限于具有特定AI-2受体的细菌。


AI-2控制多种细菌功能,包括哈维氏弧菌的发光和许多细菌的生物膜形成。


除了以上三种之外,当然也有其他一些信号分子,例如:



  • AI-3


研究人员从luxS/AI-2细菌性肠出血性大肠杆菌中纯化了一种假定的自诱导信号AI-3。进一步的研究证实,AI-3的合成独立于LuxS(AI-2合酶)。

AI-3是属于吡嗪酮家族的几种产物。苏氨酸脱氢酶(Tdh)介导的AI-3信号产生和氨基酰基tRNA合成酶相关的自发环化是两个基本反应。


不同细菌种类采用的主要群体感应系统

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doi.org/10.3390/microbiolres12040068




02

群体感应是肠道生态系统中的一个新角色


肠道是一个特别动态的环境,许多观点表明群体感应是肠道生态系统中的一个新角色。


微生物群具有极其稳定的结构。肠道微生物群的稳定性取决于群体感应。



▸在正常生理条件下,群体感应可能有助于肠道细菌的空间分布


肠道细菌分布和群体感应信号

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doi.org/10.3389/fmicb.2021.611413


回肠(小肠)中,乳酸杆菌变形杆菌是最丰富的细菌。大肠杆菌属于变形杆菌,通过AI-2、吲哚和AHL信号与其他细菌进行通信。


盲肠隐窝中,可以发现厚壁菌,包括梭状芽孢杆菌、乳酸杆菌、肠球菌、变形杆菌和放线杆菌。该区域可能存在AIP、AHL、吲哚、AI-2和AI-3


在近端结肠的远端,一条薄而致密的带(交错层)将细菌与上皮分离。近端结肠的交错层主要为毛螺菌科和瘤胃菌科。


从横结肠到直肠,粘液增加并分为两层。厚壁菌、拟杆菌、放线菌、变形菌和疣微菌门生活在松散的黏液层中。



▸肠道菌群如何利用群体感应来生存?


根据已发表的研究,可以推断,盲肠和近端结肠的隐窝和横向皱襞中的聚集物的大小大于肠腔中的聚集物,在肠腔中,粪便不断被肠道运动挤压。生活在这里的厚壁菌可能会产生足够的群体感应信号,通过AI-2影响自己的群落以及邻近物种。


厚壁菌


约83.33%的厚壁菌含有LuxS蛋白直系同源物,这是一种产生AI-2的必要合成酶,而拟杆菌中仅在16.83%发现。这种AI-2生产能力的显著差异可能加强厚壁菌的竞争优势,使其能够支配盲肠和近端结肠。


拟杆菌


在拟杆菌中,B. thetaiotaomicron从膳食中植物多糖或无多糖的黏液聚糖中获取碳源。它们有很高的代谢能力,在粘液和管腔中同样复制自己。然而,由于缺乏LuxS直系同源物(KEGG碱基),它们发现很难与其他物种竞争,如梭状芽孢杆菌和乳酸杆菌等,它们利用AI-2形成生物膜或自我生长



▸同样是大肠杆菌,生活在粘液比管腔获取更多铁,这离不开群体感应AI-2


粘液驻留细菌和管腔共生细菌种类繁多,通常分布在不同的生态位中,营养素的利用方式不同


同样是大肠杆菌,它在外粘液中能够快速复制;而在肠腔中,由于有限的糖苷水解酶,大肠杆菌保持在固定相。


粘液是分离细菌和肠上皮的物理保护屏障,并不断更新。内粘液层周转迅速,最终转化为松散的外粘液层。外层通过肠道运动与结肠内容物一起排出。下一轮的食物伴随着潜在的粘液,使细菌重新定居。


AI-2分子调节生物膜的形成,并允许一些细菌(如双歧杆菌和乳酸杆菌)粘附和富集。在粘液周转期间,生活在粘液中的大肠杆菌细胞选择性增殖,而不是从管腔内容物中重新定居。


此外,AI-2信号与细菌的铁代谢调节有关,包括放线杆菌、弧菌和双歧杆菌。


研究表明,相对管腔而言,定植于粘液中的大肠杆菌可以利用更多的铁,这可能是由于在粘液中暴露更多的AI-2信号所致。


群体感应信号可能有助于共栖肠道细菌相互协作,增强抵抗入侵者定殖的能力,并通过调节某些物种的相对丰度来保持动态平衡。当然这是一个需要进一步探索的研究领域。




03

群体感应如何影响宿主?


在肠道这样一个网络化、复杂的生态系统中,宿主不断与数以万亿计菌群相互作用。 细菌的交流必须从一个大的角度来看待。群体感应如何影响宿主?


可以通过两种方式:直接或间接。


细菌和宿主之间通过群体感应分子的对话

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doi: 10.3748/wjg.v27.i42.7247



▸直接的方式:


群体感应分子可以通过与宿主细胞(如上皮细胞或免疫细胞)的直接接触(全箭头,左)影响宿主,如铜绿假单胞菌群体感应分子3-oxo-C12-HSL那样,它可以自由进入哺乳动物细胞。


▸间接的方式:


当达到细菌群落内的阈值浓度时,群体感应自动诱导剂会同步群体行为,如肠出血性大肠杆菌中的毒力和附着消除策略,从而间接影响宿主(上图虚线箭头,中间)。


此外,群体感应分子可以通过对具有不同代谢特性的其他细菌种群的影响,间接改变宿主(右虚线箭头)


细菌代谢改变有益的代谢产物,如短链脂肪酸和胆汁酸。通过调节肠道微生物群组成,群体感应可以通过促进有害或有益细菌间接影响肠道生理学。


例如,AI-2通过促进厚壁菌生长来调节失调菌群。体外和体内的一些研究描述了肠道病原体如何通过群体感应向共生体发出信号,并触发毒素、毒力因子和生物膜的表达。


此外,AI-3控制使肠出血性大肠杆菌通过附着和清除过程引起损伤的基因。


以上是群体感应影响宿主的途径。接下来我们来看,肠道细菌的群体感应给宿主带来的影响具体表现在哪些方面?


目前研究其对宿主的影响,主要包括屏障功能、炎症过程、致癌作用这三方面。



群体感应分子对肠上皮屏障功能的影响


群体感应分子对肠上皮屏障功能不同参数的影响

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doi: 10.3748/wjg.v27.i42.7247


铜绿假单胞菌群体感应分子3-oxo-C12-HSL诱导多种细胞类型的凋亡,包括上皮细胞,促进肠道屏障的破坏。此外,3-oxo-C12-HSL破坏紧密连接,从而导致细胞旁通透性增加,并影响粘蛋白的产生。而3-oxo-C12:2-HSL和色氨酸代谢物吲哚保护紧密连接。


与OCTN2结合的枯草芽孢杆菌CSF也通过激活HSP27信号来减少细胞死亡,从而促进肠道屏障的完整性


群体感应分子对肠道屏障功能和免疫反应的影响

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doi: 10.3748/wjg.v27.i42.7247


3-oxo-C12-HSL刺激中性粒细胞的化学吸引和吞噬并诱导细胞死亡,其对免疫细胞的促炎或抗炎作用更为复杂。



群体感应分子对免疫反应的影响


除了对肠道屏障的作用外,群体感应分子在肠道免疫室的不同因子也产生作用,该免疫室参与与上皮室的复杂串扰,以维持对肠腔内容物的适当免疫反应。


群体感应分子对不同细胞类型炎症的影响

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doi: 10.3748/wjg.v27.i42.7247


自体诱导剂AI-2和AI-3通过分别诱导免疫介质TNSF9和白细胞介素(IL-8)的表达,对巨噬细胞产生促炎作用,而3-oxo-C12:2-HSL可减少上皮细胞产生IL-8。


所有这些群体感应分子如何在生理环境中穿过肠道屏障和/或到达体内免疫细胞仍有待澄清。



群体感应分子对致癌作用的影响


越来越多的证据表明,肠道微生物群失调在大肠癌的发展中起着重要作用。条件致病菌较多促进肠道炎症,这是大肠癌发病的驱动因素之一。


一些驱动病原体,如脆弱拟杆菌,可以促进强烈的Th17炎症反应。这种促炎微环境可能有利于条件致病菌(如梭杆菌属)的定植。因此,梭杆菌优势生物膜与人类结直肠癌相关。


总之,这些发现支持多微生物相互作用细胞间通讯可能在大肠癌的发展中发挥重要作用。然而,在大肠癌期间,细菌如何与自身和宿主进行沟通仍不清楚。


最近的研究,为群体感应分子AI-2在大肠癌细胞间通讯中的作用提供了新的见解。


首先,与人类大肠癌周围正常组织相比,肿瘤中的AI-2浓度增加。根据CRC TNM(肿瘤结节和转移)评分,这些水平也与疾病的进展相关。


CD4-TnAi的表达与肿瘤细胞的免疫反应呈负相关。


在分子水平上,已证明AI-2通过TNFSF9信号通路诱导U987衍生巨噬细胞的体外M1极化。


这些发现表明,AI-2可能是与免疫肿瘤微环境相关的一个重要因素,并阐明了群体感应系统在大肠癌发展和进展中的作用。


有趣的是,哺乳动物上皮细胞能够产生模拟AI-2效应的AI-2类似分子,这说明了细菌-宿主串扰的复杂性。因此,更好地了解参与肿瘤发生的群体感应分子,可能是提高我们对大肠癌发生机制的认识的一个机会。


以上是群体感应对宿主的影响,那么对于群体感应的影响,宿主有没有什么回应?下面章节我们继续来看。




04

宿主通过群体感应影响细菌


宿主细胞除了受到细菌群体感应分子的调控外,还通过反击对群体感应信号作出反应。


肠上皮细胞分泌模拟AI-2的信号类似物


当受细菌衍生的可溶性分子影响时,肠上皮细胞可以分泌模拟AI-2的信号类似物,从而影响肠道细菌。当缺乏AI-2信号产生的LuxS突变株与从结肠组织分离的上皮细胞共培养时,发现通常由AI-2诱导的lsr基因转录增加。这归因于肠上皮细胞生产的AI-2模拟物。


此外,这些信号与上皮紧密连接损伤有关。上述结果表明,宿主衍生的AI-2模拟物可能与肠道细菌粘附和上皮屏障破坏有关


宿主分泌的分子可以被细菌利用,作为肠道微环境中的群体感应信号


儿茶酚胺等宿主激素可促进细菌生长。Epi/NE可由群体感应系统的QseC受体感知。最近的研究表明,其他肾上腺素能受体包括QseE和CpxA在内,它们与 QseC 在系统发育图谱上存在显着差异,它们也充当受体发挥作用。


1-辛酰基-rac-甘油(OCL),一种在哺乳动物胃肠道中含量丰富的单酰甘油,形成三酰甘油,并作为化学伴侣稳定大肠杆菌中的SdiA,使其具有基础活性。


脂肪酸抑制生物膜,影响群体感应


脂肪酸(FAs)广泛存在于各种生物体中,其化学结构与扩散信号因子(DSF)家族相似。一些革兰氏细菌将DSF用作生物膜形成和毒力的群体感应信号。FAs与DSFs相似,可抑制细菌生物膜或其他群体感应依赖性基因的表达并影响AHL和AI-2信号转导


常见的人体病原体,包括伯克霍尔德菌、铜绿假单胞菌、弧菌、幽门螺杆菌和沙门氏菌,都利用DSF。其中一些药物专门针对胃肠系统。在小肠缺乏物理屏障的情况下,化学屏障在分离小肠中的细菌和上皮细胞,从而保护宿主免受病原体感染方面起着关键作用。胆汁中的FAs还可以模拟群体感应信号来调节细菌生物膜的形成。


以上是细菌通过群体感应和宿主之间的互相交流,具体到疾病中,这些交流是怎么运作的?



05

病理条件下肠道细菌通讯的变化


铜绿假单胞菌是一种作用于人体组织的条件致病菌。它通过三个主要的群体感应系统起作用,包括两个AHL依赖的LuxI/LuxR型系统和一个假单胞菌喹诺酮类信号(PQS)系统


铜绿假单胞菌利用AHL信号家族中的N-3-氧代-十二烷基-高丝氨酸内酯(3O-C12-HSL)和N-丁基-L-高丝氨酸内酯(C4-HSL)控制300多个基因,其中许多基因参与毒力调节。PQS系统与生物膜的形成有关。


当铜绿假单胞菌感染人体时,上述群体感应信号与人体细胞相互作用,导致包括中性粒细胞、巨噬细胞以及上皮细胞在内的免疫细胞发生生理和功能变化


与缺乏AHL产生的突变铜绿假单胞菌菌株相比,含有3O-C12-HSL和C4-HSL的野生型菌株促进巨噬细胞吞噬。3O-C12-HSL导致细胞体积增加,这与水通道蛋白9(AQP9)的上调有关,AQP9是炎症性肠病(IBD)的一种慢性炎症标记物


▸ IBD


研究分析了健康受试者和出现炎症发作或病情缓解不足的IBD患者的粪便。使用液相色谱法和质谱法检测这些样品中的AHL。


在AHL中,3-oxo-C12:2健康组中显著富集,与伴有FLARE的IBD患者相比,IBD缓解组中含量更高。与3-oxo-C12(3O-C12-HSL)不同,3-oxo-C12:2可以减少IL-1β刺激的肠上皮细胞中IL-8的分泌,但对上皮细胞旁通透性没有影响(图2)。


此外,3-oxo-C12:2水平与粪杆菌、类球梭状芽孢杆菌和细梭状芽孢杆菌的较高计数呈正相关。这些细菌种类很罕见,属于厚壁菌,尤其是普拉梭菌F.prausnitzii。事实上,一项早期研究报告称,口服活的 F.prausnitzii 或其上清液可降低2,4,6-三硝基苯磺酸(TNBS)结肠炎的严重程度。F.prausnitzii的抗炎作用部分是由于其分泌的代谢物阻止IL-8的产生


▸艰难梭菌感染(CDI)


与CDI阴性腹泻患者相比,艰难梭菌感染(CDI)患者的粪便中含有高水平的吲哚和艰难梭菌毒素诱导的群体感应信号肽。这表明艰难梭菌利用群体感应信号调节其在胃肠道的感染,并且该群体感应信号与吲哚的产生有关。


然而,艰难梭菌缺乏色氨酸酶基因,这有助于吲哚的生成。随后的研究结果表明,艰难梭菌可能利用毒素诱导的群体感应信号来调节吲哚产生菌的相对丰度,并为其生存创造有利的环境。


同时,共生肠道细菌的吲哚耐受性低于艰难梭菌,共生肠道细菌的恢复将受到抑制,从而为艰难梭菌的定植和扩张提供更有利的环境


理论上,AHL仍然是使用群体感应中的天然分子调节微生物群组成和肠道炎症的良好候选方法AHL信号可能涉及有助于控制肠道炎症的不同途径,例如抑制NF-κB、调节、抑制MAPK激活、增加调节性T细胞诱导、减少促炎细胞因子和调节上皮屏障中的连接复合物。


事实上,使用群体感应分子可以在代谢和炎症疾病中的肠道生态系统紊乱的两个组成部分(肠道微生物群和宿主反应)中发挥作用。基于AHL的群体感应已经作为治疗应用存在,用于动态控制革兰氏阴性菌群,尤其是在传染病中。其他群体感应分子可以扩展为潜在的临床治疗方法,用于治疗与肠道微生物群相关的疾病,尤其是涉及生物膜形成和抗生素耐药性相关。


当然以上只是从群体感应的角度来了解其与疾病之间的关联,我们知道,疾病的发生发展不止这些因素,还包括其他的,比如说致病菌生物膜的存在,会使某些致病菌难以清除,与疾病的发生有关。


为什么生物膜的存在会使某些致病菌难以清除?我们前面阐述的群体感应与生物膜是不是类似?它们之间又有什么样的联系?


下一章节我们继续了解。




06

群体感应系统对生物膜生成的调控作用


在了解群体感应与生物膜的关联之前,我们先了解一下生物膜是什么?


生物膜是粘附在表面上的细胞外基质,由核酸、蛋白质、多糖和脂质的复合物组成。


约 80% 导致慢性感染的细菌都能产生生物膜,它是一种重要的毒力机制,可诱导对抗菌剂的耐药性逃避宿主免疫系统


许多细菌物种,包括病原菌都能产生生物膜,金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌等,它们通过产生生物膜,变得对细胞外应激条件更具抵抗力,更能生存下去,所以生物膜是微生物的一种有用的适应


它们更好的生存能力对人类来说可不是好事,一般来说,生物膜内的微生物比以单细胞存在时更难根除。这主要是由于生物膜相关的细胞外网络、代谢休眠和其他潜在机制介导的耐受性。


参与生物膜形成的细菌种类及其生物效应的例子

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doi: 10.15190/d.2019.13


生物膜是怎么形成的?


形成生物膜的细菌嵌入在由细胞外聚合物(EPS)构成的自生黏液基质中。这种生长模式可以改变细菌的生物学和生理特性,如繁殖、生长、基因转录率和对抗生素的耐药性。


生物膜的形成需要五个成熟阶段


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doi.org/10.3390/microbiolres12040068

小蓝点和大蓝点代表抗生素浓度不同的区域(表示存在梯度),灰色区域是细菌可以在低浓度抗生素下存活的“避难所”,有利于产生耐药性。


(i) 浮游细菌在表面的初始附着(可逆)


(ii)产生和分泌EPS和/或其他对接方式,以及驱动从可逆到不可逆的过渡附着的特定粘附素(例如,鞭毛、自转运蛋白、菌毛、卷曲纤维和F型结合菌毛)


(iii)作为超级细胞结构的生物膜结构的早熟


(iv)微菌落的晚熟和进化为成熟生物膜


(v) 细胞从生物膜上分离并分散到周围环境中


所有这些过程都受到不同细胞间信号分子的严格调控,这些信号分子负责种群密度依赖的基因表达,这些基因表达会深刻影响生物膜的形成过程。


生物膜的成熟与细胞外聚合物物质的积累并行。最后一步涉及到细菌菌株从微菌落分离,可能导致在不同位置形成一个新的生物膜菌落


以上我们可以看到,群体感应和生物膜形成是细菌的两种群体行为。



群体感应 & 生物膜形成



  • 群体感应是通过细胞间自我诱导物的信号传递来检测细菌密度的能力;

  • 生物膜是细胞的聚集。



由于生物膜聚集体中的细胞非常相似,并通过自生的细胞外基质相互连接,因此生物膜代表了与群体感应相关的生态环境


一些研究表明,群体感应信号分子在革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的生物膜形成中起着重要作用。


S. oralis 34 产生的AI-2信号分子已被证明是口腔链球菌34 和Antinomyces naeslundii T14V 形成生物膜所必需的。AI-2介导的群体感应也参与大肠杆菌生物膜的形成、运动基因的调节、鞭毛的合成和趋化性。


乳糖可诱导蜡样芽孢杆菌生物膜,观察到AI-2产生的乳糖以剂量依赖性方式增加。而其他研究表明,添加外源AI-2可以削弱金黄色葡萄球菌生物膜的形成。


低浓度的AI-2可以促进猪链球菌生物膜的形成,但高浓度的AI-2显示出抑制作用。


细菌生物膜的形成是一个动态的分层过程。粘附在宿主表面是细菌生物膜形成的第一个也是关键的阶段。细菌通常有两种粘附表面的方式:


(i)通过外膜粘附蛋白与宿主表面结合;

(ii)胞外多糖(EPS)对宿主表面的粘附,如多糖细胞间粘附(PIA)。



群体感应如何影响生物膜生成


以目前研究较多的铜绿假单胞菌为例,我们具体来看群体感应对生物膜形成的影响。


铜绿假单胞菌的群体感应非常复杂,可以由转录调节器(MvaT和RsaL)、转录后调节器(RsmA)、σ因子因子(RpoN和RPO)甚至其他群体感应系统(PQS系统)进行调节。


在LasI/LasR-RhlI/RhlR系统调节的功能中,有几种与生物膜形成相关的毒力因子,如鼠李糖脂、凝集素和铁载体。鼠李糖脂被证明是维持生物膜聚集所必需的,它影响一种称为“聚集”的表面运动,这种运动与生物膜的形成有关。


LecA和LecB是两种依赖群体感应的碳水化合物结合凝集素,已被证明会影响生物膜的形成,突变菌株无法形成成熟的生物膜。


群体感应控制的铁载体,如吡啶不能产生这种影响生物膜聚集体形成的铁螯合剂。


与野生型铜绿假单胞菌形成的生物膜聚集性大的特点不同,lasI突变株产生的生物膜结构均匀,结构平坦,多层细胞密集。


在生物膜形成过程中,PQS群体感应系统负责增加细胞外DNA(eDNA)的产生eDNA可与基质中带正电的EPS相互作用,产生生物膜。在PQS缺陷突变体中,生物膜聚集体不能充分发育。


因此,铜绿假单胞菌的三个群体感应调节系统可以影响生物膜的形成,并具有一定的促进作用。


微生物感染群体感应介导的生物膜密切相关,群体感应信号分子参与各种细菌生物膜的形成、成熟和功能调节。那么,治疗微生物生物膜相关的感染可以从群体感应入手,群体感应抑制可作为对抗生物膜感染的有效工具。




07

群体感应抑制剂对生物膜的影响


通常,群体感应可通过以下三种方式受到抑制:


(1) 延迟或阻断群体感应信号分子的产生(细菌利用QSI阻断AIs);


(2) 使用QSMs同系物阻断受体。例如,从革兰氏阴性菌Rheinhemiera aquimaris QSI02中获得的活性二酮哌嗪环(Trp-Ser),不仅可以降低由QS调节的紫罗兰素的生物合成能力(67%),还可以降低弹性蛋白酶活性、铜绿假单胞菌生物合成和PAO1的生物膜形成能力。可能是环(Trp-Ser)比通常的革兰氏阴性信号分子(AHLs)更容易与lasR受体结合;


(3) 在氧化压力下,群体感应信号分子的酶降解,例如通过酰化酶和乳糖酶降解类似于AHL的群体感应信号更有效。这些策略已被证明是降低细菌致病性和生物膜的有效方法,有可能提高细菌对抗生素和噬菌体等抗菌剂的敏感性


群体感应抑制剂影响生物膜的形成

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doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109742


以上是群体感应通过影响生物膜生成来阻止细菌感染,其他只要能干扰群体感应的物质,也可以作为微生物感染的治疗方式。




08

群体感应作为微生物感染的前瞻性治疗靶点


通过靶向细菌群体感应系统,可以开发新的治疗策略。


与健康人相比,大肠腺瘤和结直肠癌(CRC)患者的结肠粘膜和粪便中观察到更高的AI-2水平。重要的是,发现AI-2浓度随着大肠癌的进展而增加,这表明其有可能成为大肠癌临床筛查的新标志物


另一项关于烧伤部位感染的最新研究集中于铜绿假单胞菌群体感应系统。烧伤常伴有肠道菌群失调、肠道完整性受损、免疫失调和细菌肠外移位。铜绿假单胞菌是烧伤后感染的主要病原体。其毒性产物可延长肠道功能障碍,加重全身感染。


研究人员观察到,在使用MvfR拮抗剂抑制MvfR转录因子后(一种控制该菌株毒力的重要群体感应相关转录调节因子),肠道功能障碍得到改善,铜绿假单胞菌传播减少


事实上,抗菌治疗策略已经开始从使用抗生素扩展到开发基于群体感应系统的抑制剂,如抗毒性抗生物膜。这些抑制剂或类似物内源性存在于细菌或真核细胞中。


一个例子是鼠尾草酸,它是金黄色葡萄球菌群体感应系统的一种特殊抑制剂。它存在于迷迭香叶中,可以在低浓度下抑制Agr表达和金黄色葡萄球菌毒力


综上,这些研究指出了难治的传染病药物开发的新潜力。下面列举一些小分子物质,通过干扰细菌群体感应系统,从而达到抑制致病菌的效果




09

作用于细菌群体感应系统的中药单体


1.黄酮类


具有酚类结构的黄酮类化合物有槲皮素、山柰酚、黄芩素等。黄酮类单体对细菌群体感应和生物膜均显示出抑制活性


研究表明,这是由于黄酮类骨架中存在的两个羟基基团,阻止LasR/RhlR受体与信号分子的结合,从而抑制群体感应系统。


▸槲皮素 


槲皮素是一种天然存在的黄酮醇,普遍存在于蔬菜和水果中。64μg/mL槲皮素显著抑制铜绿假单胞菌生物膜的形成,并且当槲皮素的浓度为16μg/mL时与阿奇霉素浓度为32 μg/mL具有相同效应的生物被膜抑制作用。


PCR显示lasI、 lasR、rhlI 和 rhlR等群体感应相关基因与相关毒力因子基因的mRNA表达水平均显著降低


利用计算机分子对接技术,观察到槲皮素与LasR受体蛋白通过竞争性结合方式与LasR受体蛋白进行结合,且槲皮素比信号化合物结合更为牢固。


▸山柰酚


研究显示,64 μg/mL山奈酚对生物膜形成的抑制率为 80%,粘附降低约75%,说明山柰酚可影响生物被膜形成的粘附阶段


柚皮素、山柰酚和槲皮素均显著抑制信号分子诱导的生物发光,槲皮素和柚皮素哈维氏弧菌生物膜的形成有抑制作用。


▸黄芩素 


研究了40种中药及天然来源的黄酮化合物,对耐药鲍曼不动杆菌菌株的体外抑菌作用和生物膜形成能力的影响,结果显示黄芩素和汉黄芩苷具有良好的抑菌效果。


其最低抑菌浓度(MIC)分别为0.0625和0.125 mg/mL, 黄芩素对鲍曼不动杆菌生物膜的形成具有明显抑制作用。


32、64 μg/mL黄芩素下调群体感应系统调节因子agrA、RNAIII和sarA等基因的mRNA表达水平,明显抑制生物膜的形成。


2. 苯甲酸衍生物


有研究报道,一些苯甲酸衍生物如没食子酸、香草酸、肉桂酸等可通过群体感应系统调节细菌的致病性和毒力。 


▸肉桂酸


亚MIC的肉桂酸(CA)显著影响细菌的群集运动和生物被膜完整性, 减少EPS的产生。CA对LasR和RhlR受体均有拮抗作用,从而影响细菌群体感应活性。 


▸没食子酸 


Luis等研究结果显示,4 μg/mL的没食子酸可使金黄色葡萄球菌菌株的生物膜形成减少约40%。Srivastava等研究结果表明,没食子酸、香草酸等 中药单体的合成衍生物可抑制群体感应系统和生物膜的形成。


3. 萜类化合物


萜类化合物是甲戊二羟酸衍生的一类化合物。从植物中提取的萜类化合物有香芹酚、丁香酚、芳樟醇,甘草次酸、熊果酸和白桦脂酸等。


▸香芹酚 


百里香精油中含有较高的单萜类化合物香芹酚和麝香草酚,可抑制紫色杆菌的紫色菌素产生。亚MIC的香芹酚和麝香草酚可以显著减少紫色杆菌CV026中信号分子的产生。 


L-香芹酮是一种单萜,是传统香料植物的主要成分。亚MIC的L-香芹酮可显著减少蜂房嗜血杆菌在聚丙烯和锌表面形成生物膜。


▸丁香酚 


丁香酚可以显著降低紫色杆菌CV026中的紫色菌素生成;亚MIC的丁香酚可抑制铜绿假单胞菌弹性蛋白酶、绿脓菌素的产生和生物膜的形成。


将丁香酚转化为纳米乳状态后对群体感应的抑制显著增强,亚MIC的丁香酚纳米乳剂对紫色杆菌中的紫色菌素生成可抑制约50%


Joshi等通过分子对接技术将丁香酚与高丝氨酸内酯合成酶(ExpR)和调节蛋白(ExpI)进行对接,观察到丁香酚与受体蛋白的对接效果优于呋喃酮C-30等已知的抑制剂,因此推断丁香酚的作用机制可能是通过与ExpI/ExpR蛋白的结合,抑制信号分子的产生。


▸芳樟醇


芳樟醇具有显著的抗菌活性,MIC值在2 μg/mL~8 μg/mL之间;亚MIC的芳樟醇对紫色杆菌的群体感应系统有抑制作用。此外,芳樟醇可以减少鲍曼不动杆菌生物膜的形成和降低其粘附性。


4. 香豆素类


100 μg/mL香豆素及其衍生物能够显著抑制紫色杆菌CV026的紫色菌素产生和铜绿假单胞菌生物膜的形成;在7种香豆素衍生化合物中,含6,7二羟基和7-羟基的化合物对生物膜形成的抑制活性更强。


5. 生物碱类


▸小檗碱 


小檗碱亦称黄连素,是中药黄连抗菌作用的主要有效成分。1/2MIC和1/4MIC小檗碱显著下调大肠杆菌群体感应系统相关基因luxS、pfS、hflX、ftsQ和ftsE,对生物膜的形成表现出明显的抑制作用。扫描电镜结果显示,菌株经处理后,粘附性下降,菌体形态也发生改变。


▸苦参碱 


苦参碱明显抑制大肠杆菌群体感应系统;2.56 mg/mL苦参碱能显著降低大肠杆菌的LuxS 、 sdiA等群体感应相关基因和生物被膜相关基因的mRNA表达水平;在对大肠杆菌外膜蛋白ompA基因和群体感应基因表达的双重抑制作用下,使细菌不易产生聚集和粘附


除上述提及的中药单体外,硫类化合物、苯丙素类化合物和单宁类等中药单体均具有群体感应抑制作用。


作用于细菌群体感应系统的中药单体的抗细菌感染,与传 统的抗菌中药相比具有剂量明确、副作用少等特点。


但是,中药单体抗细菌感染的研究主要局限于体外实验,研究方式过于单一,具体作用机制的研究还不够深入,研究多集中在观察与验证上;但细菌感染机制是复杂的,中药单体的作用机制也是多样性的,因此需要更进一步研究。


此外,大部分中药单体通常在较高的浓度发挥抗菌或抗毒力作用,这也增加了产生毒性的风险并且在体内也难以达到有效的浓度,对其进行适当的结构修饰合成中药单体衍生物则表现出对群体感应活性抑制更高,同时降低了药物浓度,这为后续抗菌药物研发提供新的思路。  




10

中药单体联合抗菌药物对细菌耐药及群体感应系统的影响


由于目前临床常规使用的抗菌药物不足以对抗耐药性细菌感染,因此抗菌药物与中药单体联合用药是提高耐药细菌感染疗效的新策略。


小檗碱与亚胺培南和美罗培南联用时89%表现为协同抗菌作用;黄芩苷联合替加环素则100%协同抗菌作。


姜黄素降低头孢他啶和环丙沙星的MIC;姜黄素和头孢他啶组合具有协同抗菌效应,姜黄素和环丙沙星组合具有相加效应。


头孢他啶单独和与姜黄素联合使用时,群体感应系统的lasR基因的mRNA表达水平显著降低。


文献报道,阿奇霉素具有群体感应拮抗活性,2 μg/mL阿奇霉素可能通过影响自身诱导分子的合成,抑制铜绿假单胞菌PAO1的群体感应并能减少毒力因子的产生。1/4和1/16MIC的阿奇霉素、庆大霉素和姜黄素单独和联合用药均可显著降低生物膜形成能力。


阿奇霉素单独和与姜黄素联合作用时,lasR基因的表达水平显著下降。阿奇霉素单独给药和与姜黄素联合给药使群体感应系统的rhlI基因的mRNA表达分别降低60%和67%.


头孢吡肟、头孢他啶和亚胺培南等抗菌药物具有群体感应抑制活性。


亚MIC的阿奇霉素、美罗培南、头孢吡肟和哌拉西林/他唑巴坦对群体感应依赖性毒力因子的影响,结果所有菌株的群体感应依赖性毒力因子(如生物被膜、绿脓

菌素、蛋白酶、溶血素和DNase生成)均明显降低。


亚MIC多西环素显著降低紫色杆菌的紫色菌素产量(70%),4 μg/mL多西环素显著抑制生物被膜的生成

(72.8%),并显著降低铜绿假单胞菌的弹性蛋白酶(67.2%)、绿脓菌素(69.1%)产量以及群集运动(74%) 。


亚MIC红霉素对紫色杆菌群体感应系统的抑制率为84%,红霉素抑制群体感应的机制可能是与AbaI自身诱导剂合成酶结合而阻止信号分子合成。


许多中药单体通过作用于细菌群体感应系统而发挥抗感染作用;当与抗菌药物联合应用于细菌感染,不仅可产生协同抗菌协同抗群体感应作用,还能提高抗感染的疗效、降低单一药物的剂量、减少不良反应,逆转细菌的耐药性。


将群体感应抑制剂中药单体与抗菌药物联合应用,成为恢复抗菌药物对细菌敏感性的一种新策略。中药单体种类繁多,抗感染作用机制复杂多样,还需要对其更深入研究,为临床多重耐药菌引起的感染提供新的治疗药物。


除中药外,益生菌也能作为群体感应的干扰剂,通过群体感应来预防病原体定植和黏膜感染


另一方面,对于益生菌,我们更多的是希望延长它们在肠道中的停留时间并最大限度地发挥益生菌的作用。


生物膜的形成依赖于粘附、自聚集和共聚集作为细菌的重要特征。益生菌最理想的特性是其良好的粘附性,可延长它们在肠道中的停留时间,从而有效增强屏障功能,维持肠上皮稳态,增加黏液分泌、改善肠蠕动来保护或治疗肠道疾病。




11

益生菌作为对群体感应的干扰剂


益生菌对肠道菌群和宿主生理具有恢复或保护作用,例如,在存在生态失调或微生物群受到干扰的情况下,缓解胃肠道症状。


IBD患者菌落生物膜的平均密度比健康人高100倍。核梭杆菌以侵袭性生物膜的形式引起肠道疾病。同时,在感染CRC和IBD的邻近健康组织中也出现了成熟的生物膜。


生物膜可能是肠道疾病的早期预警信号。在某种程度上,生物膜提供了一个保护性环境,促进宿主防御机制的逃避,并进一步加剧疾病。虽然抗生素可以去除大多数有害细菌的生物膜,但生物膜在慢性伤口愈合过程中可以快速再生,表明生物膜中存在持久性细胞。


厚的多微生物致病性粘膜生物膜的生长标志着健康微生物群和疾病微生物群之间的过渡。


大肠杆菌Nissle 1917具有良好的生物膜形成能力,其生物膜形成能力强于肠致病性大肠杆菌(EPEC)和肠毒性大肠杆菌(ETEC),并在生物膜形成过程中与这些菌株竞争。因此,大肠杆菌Nissle 1917可作为一种益生菌用于治疗各种肠道疾病


双歧杆菌


双歧杆菌是人类健康中最重要的益生菌之一,具有LuxS/AI-2 群体感应系统,产生包括AI-2在内的群体感应信号分子,并促进生物膜的形成


添加碳水化合物后,双歧杆菌中AI-2的生成量正增加至89.45%。对感染产志贺毒素大肠杆菌(STEC)O157:H7的小鼠施用短双歧杆菌,通过产生高浓度的乙酸(56 mM)抑制STEC的Stx毒素表达,显示出强大的抗感染活性


乳酸杆菌


植物乳杆菌中也存在LuxS/AI-2 群体感应系统和细菌素的产生,植物乳杆菌是一种控制一些重要区域(如肠道和阴道)微生态平衡的益生菌,在保持食品质量方面也有实际应用。


一些病原体对植物乳杆菌群体淬灭系统敏感(例如,铜绿假单胞菌PAO1/ATCC 27853,耐甲氧西林金黄色葡萄球菌ATCC 43300),该系统对金黄色葡萄球菌的生物膜形成和铜绿假单胞菌的绿脓菌素生成表现出最大的活性。


用铜绿假单胞菌感染小鼠烧伤皮肤模型,并用植物乳杆菌上清液处理。结果显示,感染后5、10和15天,铜绿假单胞菌在皮肤、肝脏和脾脏中的定植受到抑制,这表明局部益生菌给药已经阻止了病原体的血液传播。


体内研究表明,不同益生菌(例如干酪乳杆菌酪蛋白亚种ATCC 393、乳乳杆菌罗伊氏亚种ATCC 23272、植物乳杆菌植物亚种ATCC 14917和唾液乳杆菌ATCC 11741)对口腔病原体变形链球菌具有抗链球菌活性。


研究人员开发了一种牛奶模型,以研究LAB的抗李斯特菌活性(抗单核细胞增生李斯特菌),使用具有AI-2分子的沙克乳杆菌Lactobacillussakei和植物乳杆菌


群体感应系统可能在生物膜的组织、形成和成熟阶段发挥关键作用;因此,它可以被视为开发新型抗菌剂的一个有吸引力的目标。


乳酸菌菌株——QS拮抗剂

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doi.org/10.3390/microorganisms10020350




结 语 


细菌群体感应和生物膜领域的研究迅速扩大,群体感应在细菌行为中发挥着关键作用,通过细菌-宿主串扰影响感染状态和疾病发展。目前很多临床难以治疗的感染或疾病与细菌的群体感应和生物膜形成有关。大多数病原菌病理反应受群体感应系统的调控。生物膜细菌通过屏障作用、群体感应系统、抗免疫清除机制、特殊的生长特性及独特的微环境、生物膜耐药基因开启等机制形成耐药,造成临床耐药菌株增多,给临床治疗带来严重困难。


上述我们可以看到,利用各种群体感应抑制剂或干扰病原菌群体感应的药物进行治疗,是一种合理且有前景的策略。例如通过群体感应靶向剂调节细菌 群体感应信号传导是控制细菌毒力因子产生和生物膜形成的有效策略。这种新型的非抗生素疗法可以抑制致病基因的表达,预防感染,降低细菌细胞耐药性的风险,近年来得到了广泛的应用。


还可以考虑群体感应分子作为菌群失调相关慢性疾病(如IBD或CRC)的可靠生物标志物。已证明,肠道生态系统中某些AI-1 群体感应分子的存在与细菌群大小直接相关。AHL可以代表细菌水平群体的生物标记物,作为菌群失调的放大镜


此外,在腺瘤向结肠直肠转移和大肠癌进展期间,AI-2浓度增加。这为使用群体感应系统作为慢性病预防和随访的生物标志物开辟了前景。




主要参考文献


Coquant G, Aguanno D, Pham S, Grellier N, Thenet S, Carrière V, Grill JP, Seksik P. Gossip in the gut: Quorum sensing, a new player in the host-microbiota interactions. World J Gastroenterol. 2021 Nov 14;27(42):7247-7270. doi: 10.3748/wjg.v27.i42.7247. PMID: 34876787; PMCID: PMC8611211.

Deng Z, Luo XM, Liu J, Wang H. Quorum Sensing, Biofilm, and Intestinal Mucosal Barrier: Involvement the Role of Probiotic. Front Cell Infect Microbiol. 2020 Sep 25;10:538077. doi: 10.3389/fcimb.2020.538077. PMID: 33102249; PMCID: PMC7546212.

Meroni, G.; Panelli, S.; Zuccotti, G.; Bandi, C.; Drago, L.; Pistone, D. Probiotics as Therapeutic Tools against Pathogenic Biofilms: Have We Found the Perfect Weapon? Microbiol. Res. 2021, 12, 916-937. doi.org/10.3390/microbiolres12040068

Li J, Zhao X. Effects of quorum sensing on the biofilm formation and viable but non-culturable state. Food Res Int. 2020 Nov;137:109742. doi: 10.1016/j.foodres.2020.109742. Epub 2020 Sep 22. PMID: 33233307.

Prazdnova, E.V.; Gorovtsov, A.V.; Vasilchenko, N.G.; Kulikov, M.P.; Statsenko, V.N.; Bogdanova, A.A.; Refeld, A.G.; Brislavskiy, Y.A.; Chistyakov, V.A.; Chikindas, M.L. Quorum-Sensing Inhibition by Gram-Positive Bacteria. Microorganisms 2022, 10, 350. doi.org/10.3390/microorganisms10020350

Wu L, Luo Y. Bacterial Quorum-Sensing Systems and Their Role in Intestinal Bacteria-Host Crosstalk. Front Microbiol. 2021 Jan 28;12:611413. doi: 10.3389/fmicb.2021.611413. PMID: 33584614; PMCID: PMC7876071.

曾利,凌保东.作用于细菌群体感应系统的抗菌中药单体[J].中国药理学与毒理学杂志,2021,35(10):802-803

Preda VG, Săndulescu O. Communication is the key: biofilms, quorum sensing, formation and prevention. Discoveries (Craiova). 2019 Sep 30;7(3):e100. doi: 10.15190/d.2019.13. PMID: 32309618; PMCID: PMC7086079.

Jiang Q, Chen J, Yang C, Yin Y, Yao K. Quorum Sensing: A Prospective Therapeutic Target for Bacterial Diseases. Biomed Res Int. 2019 Apr 4;2019:2015978. doi: 10.1155/2019/2015978. PMID: 31080810; PMCID: PMC6475571.


本文转自:谷禾健康



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