致病菌劫持并內(nèi)化入宿主細(xì)胞造成持續(xù)感染和繼發(fā)感染。病原菌和宿主細(xì)胞本質(zhì)上都生活在復(fù)雜的物理力學(xué)微環(huán)境中，近年來越來越多的研究表明：細(xì)胞外基質(zhì)物理力學(xué)微環(huán)境（例如流體剪切力、滲透壓、機械拉伸、界面粘附力以及細(xì)胞外基質(zhì)剛度）在調(diào)節(jié)細(xì)菌和宿主細(xì)胞的生理病理功能和行為方面起著至關(guān)重要的作用。然而，細(xì)胞外基質(zhì)剛度等力學(xué)微環(huán)境因素如何調(diào)節(jié)細(xì)菌感染及抗菌治療的力學(xué)生物學(xué)機制尚不明晰。

2021年8月27日，北京大學(xué)工學(xué)院黃建永研究員課題組在Biomaterials雜志上在線發(fā)表了題為“Extracellular matrix stiffness modulates host-bacteria interactions and antibiotic therapy of bacterial internalization”的研究論文，從力學(xué)生物學(xué)視角揭示了細(xì)胞-細(xì)菌相互作用的時空動態(tài)特征和規(guī)律，在此基礎(chǔ)上定量探究基底剛度對于內(nèi)化的細(xì)菌抗生素治療的調(diào)節(jié)作用和機制（圖1）。實驗發(fā)現(xiàn)，基底剛度會調(diào)控細(xì)菌對宿主細(xì)胞感染模式轉(zhuǎn)變，細(xì)菌傾向于感染細(xì)胞片層中相對高牽引力區(qū)域的細(xì)胞；基質(zhì)剛度會調(diào)節(jié)細(xì)菌感染的時空動態(tài)和感染程度，在相對軟的基底上易于誘發(fā)局部嚴(yán)重感染和細(xì)胞凋亡，而在相對硬的基底上通常誘發(fā)彌散性感染和細(xì)菌側(cè)向傳播。該文同時甄別了細(xì)胞牽引力、細(xì)胞骨架、細(xì)胞膜上相關(guān)黏附分子在其中所起到的關(guān)鍵作用，并由此揭示了基底剛度對于細(xì)菌抗生素治療的潛在影響和調(diào)節(jié)機制。動物實驗進(jìn)一步證實了基底剛度在細(xì)菌感染宿主細(xì)胞過程中的重要調(diào)控作用。上述工作不僅揭示了基質(zhì)剛度對于細(xì)菌感染的關(guān)鍵調(diào)控作用，也為從力學(xué)生物學(xué)角度改善臨床對多藥耐藥細(xì)菌的抗生素治療提供了新的思路。

圖1：細(xì)胞外基底剛度調(diào)控細(xì)菌內(nèi)化模式和抗菌藥物治療示意圖

為了明晰細(xì)胞外基質(zhì)剛度是如何調(diào)控細(xì)菌內(nèi)化的入侵規(guī)律，研究人員建立了一種基于柔性基底的細(xì)胞-細(xì)菌互作模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著基底剛度增加內(nèi)化菌的細(xì)菌總量反而減少，基底楊氏模量（E）與內(nèi)化菌侵染細(xì)胞的數(shù)量（NIB）呈現(xiàn)線性依賴關(guān)系。在較軟的細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境中，病原菌呈現(xiàn)出聚集性感染模式（伴隨內(nèi)化細(xì)菌數(shù)量增加），而在較硬的細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境中，病原菌傾向于彌散性感染宿主細(xì)胞（但內(nèi)化細(xì)菌數(shù)量卻減少）。研究人員定量表征了細(xì)菌內(nèi)化內(nèi)皮細(xì)胞單層過程中的細(xì)胞牽引力時空變化規(guī)律，結(jié)果顯示細(xì)菌入侵內(nèi)皮細(xì)胞單層后其細(xì)胞牽引力都會顯著降低（在軟或者硬基底上均是如此），但有趣的是，內(nèi)皮細(xì)胞單層中具有相對較大細(xì)胞牽引力的上皮細(xì)胞個體更容易受到細(xì)菌攻擊和入侵，表明細(xì)菌內(nèi)化細(xì)胞單層的過程與細(xì)胞牽引力（及細(xì)胞內(nèi)F-Actin骨架等）具有特定關(guān)聯(lián)性。

圖2：細(xì)菌牽引力決定了細(xì)菌在單層細(xì)胞上內(nèi)化方式（A）不同軟硬基底感染前后細(xì)胞牽引力的測定（B）細(xì)胞牽引力隨時間變化圖（C）細(xì)菌在細(xì)胞牽引力大的位點內(nèi)化（D）細(xì)菌在細(xì)胞牽引力大的細(xì)胞單層外側(cè)內(nèi)化

研究人員進(jìn)一步揭示了細(xì)胞外基質(zhì)剛度如何調(diào)控抗菌藥物對于內(nèi)化菌感染治療的力學(xué)生物學(xué)規(guī)律。通過選取兩種常見的廣譜抗菌藥物（環(huán)丙沙星和四環(huán)素）對處于不同剛度微環(huán)境下的感染細(xì)胞單層進(jìn)行治療，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較軟的基質(zhì)微環(huán)境更易于抗菌藥物的藥效發(fā)揮，能更高效地的清除內(nèi)化細(xì)菌。鑒于脂溶性高的藥物治療內(nèi)化菌效果好，研究人員猜測抗菌藥物治療內(nèi)化菌的療效應(yīng)該取決于其進(jìn)入細(xì)胞的濃度，也即存活于細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)化菌的治療與抗菌藥物在細(xì)胞內(nèi)積累的濃度直接相關(guān)。為此，該文通過液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS）分析量化了細(xì)胞內(nèi)抗菌藥物積累量，結(jié)果表明處于較軟基質(zhì)微環(huán)境中的內(nèi)皮細(xì)胞單層內(nèi)抗菌藥物的積累量更高，相應(yīng)的藥物功效也更好。軟基質(zhì)上細(xì)胞單層內(nèi)的抗菌藥物濃度基本都達(dá)到了1個MIC值（即四環(huán)素的胞內(nèi)蓄積超過2 μg/mL，環(huán)丙沙星胞內(nèi)蓄積超過1 μg/mL），預(yù)示著基質(zhì)微環(huán)境剛度的降低（例如局部病灶組織的軟化）有助于抗菌藥物更有效地清除內(nèi)化的細(xì)菌。

綜上所述，該文報道了細(xì)胞外基質(zhì)剛度對于病原菌入侵內(nèi)化宿主細(xì)胞的時空調(diào)控規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了基質(zhì)剛度主導(dǎo)病原菌聚集性/彌散性入侵宿主細(xì)胞的內(nèi)在機制，揭示了抗生素在細(xì)胞內(nèi)累積及其對內(nèi)化細(xì)菌清除效率與基質(zhì)力學(xué)微環(huán)境因素之間的定量依賴關(guān)系。上述工作不僅對于更加精準(zhǔn)地控制抗生素使用、避免因抗生素使用過度而產(chǎn)生耐藥性具有一定參考價值，也為從力學(xué)生物學(xué)角度改善多藥耐藥細(xì)菌的抗菌藥物治療方案提供了新的思路。

北京大學(xué)工學(xué)院博士后劉曉曄（現(xiàn)為北京農(nóng)學(xué)院講師）為該論文第一作者，黃建永為通訊作者，該工作得到了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)朱奎教授的大力支持和幫助。

來源：北京大學(xué)