致病菌劫持并內(nèi)化入宿主細胞造成持續(xù)感染和繼發(fā)感染。病原菌和宿主細胞本質(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、界面粘附力以及細胞外基質(zhì)剛度）在調(diào)節(jié)細菌和宿主細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，細胞外基質(zhì)剛度等力學(xué)微環(huán)境因素如何調(diào)節(jié)細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)視角揭示了細胞-細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)控細菌對宿主細胞感染模式轉(zhuǎn)變，細菌傾向于感染細胞片層中相對高牽引力區(qū)域的細胞；基質(zhì)剛度會調(diào)節(jié)細菌感染的時空動態(tài)和感染程度，在相對軟的基底上易于誘發(fā)局部嚴重感染和細胞凋亡，而在相對硬的基底上通常誘發(fā)彌散性感染和細菌側(cè)向傳播。該文同時甄別了細胞牽引力、細胞骨架、細胞膜上相關(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菌抗生素治療的潛在影響和調(diào)節(jié)機制。動物實驗進一步證實了基底剛度在細菌感染宿主細胞過程中的重要調(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菌的抗生素治療提供了新的思路。

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

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

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

研究人員進一步揭示了細胞外基質(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)境下的感染細胞單層進行治療，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)該取決于其進入細胞的濃度，也即存活于細胞內(nèi)的內(nèi)化菌的治療與抗菌藥物在細胞內(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)上細胞單層內(nèi)的抗菌藥物濃度基本都達到了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)化的細菌。

綜上所述，該文報道了細胞外基質(zhì)剛度對于病原菌入侵內(nèi)化宿主細胞的時空調(diào)控規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了基質(zhì)剛度主導(dǎo)病原菌聚集性/彌散性入侵宿主細胞的內(nèi)在機制，揭示了抗生素在細胞內(nèi)累積及其對內(nèi)化細菌清除效率與基質(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)