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表征及其作為細菌感染光聲成像（PAI）探針的研究；
步驟3：Bi-MOF增強了甲氧西林對耐受型菌株的殺菌效果，并通過降低胞內H₂S水平防止其產生；

步驟4：多組學分析揭示Bi-MOF作用的潛在機制；
步驟5：Bi-MOF在體內感染早期檢測中的應用；
​​​步驟6：Bi-MOF在耐受型菌株誘導的小鼠皮下感染模型中可協同增強甲氧西林的治療效果并抑制感染復發。
 

研究結果

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胞內H₂S水平。結果表明，耐受型菌株的H₂S水平高于野生型 (圖1D-F)。胞內H₂S定量分析顯示，耐受型菌株的胞內H₂S水平顯著高于野生型(圖1E)。這些結果表明，在耐受型菌株中，H₂S發生上調。
 

圖1 耐甲氧西林MRSA對甲氧西林耐受性演變和胞內H₂S水平提高

 

2. Bi-MOF表征及其作為細菌感染PAI探針的研究

未經處理的MRSA接種物經過Bi-MOF處理12 h后，顏色由淺黃色變為黑色（圖2D），通過PAI信號測試，證實Bi-MOF可以作為細菌感染檢測探針(圖2E-F)。結合XRD譜圖和透射電鏡觀察的結果發現，Bi-MOF與胞內H₂S反應形成Bi₂S₃,其在激光照射下可發出PAI信號(圖2H-G)。因此，Bi-MOF可作為細菌感染的PA檢測探針。
 

圖2 Bi-MOF相關表征及其作為體外細菌感染光聲(PA)診斷探針的性能

 

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

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

圖3 Bi-MOF抑制細胞內H₂S水平，協同增強甲氧西林對耐受菌的根除效果

 

4. 多組學分析揭示Bi-MOF作用的潛在機制

基于蛋白質組學和代謝組學的多組學分析，發現Bi-MOF處理導致細胞內發生強烈的蛋白毒性應激、能量動員和硫代謝，同時下調了與毒力因子和細胞壁合成相關的基因。這些潛在的機制，可能共同有助于增強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的多組學分析

 

5. Bi-MOF在體內感染早期檢測中的應用

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

圖5 Bi-MOF通過激光觸發光聲(PA)成像實現了感染的實時原位診斷

 

6. Bi-MOF在耐受型菌株誘導的小鼠皮下感染模型中可協同增強甲氧西林的治療效果并抑制感染復發

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或聯合Bi-MOF進行5天的抗生素治療，檢測其體內治療效果，其后再觀察一周，檢查感染是否再次發生。通過監測創面活菌載量、H₂S水平等檢測發現，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，導致感染復發。Bi-MOF作為抗生素增強劑，與甲氧西林協同作用，有效根除創面內的耐受菌，促進創面愈合，緩解炎癥浸潤（圖6）。
 

圖6 Bi-MOF協同增強甲氧西林對耐甲氧西林MRSA的根除效果
 

 小編小結

本研究合成了一種靶向耐受MRSA的治療性抗生素增強劑，通過體內外實驗證實，其可有效下調細菌細胞內H₂S水平，根除耐甲氧西林MRSA感染，防止感染復發。此外，又通過多組學分析深入揭示了Bi-MOF治療耐受菌的全景和其抗菌作用背后的詳細機制。