lepA 突变体中减少的 ROS 相关前噬菌体诱导助长了沙门氏菌伤寒沙门氏菌对氟喹诺酮类药物的持留性

为何有些细菌能在我们最强的药物下幸存

当医生用强效抗生素治疗严重感染时，大多数细菌会迅速被杀死。但极少数细胞可以进入休眠状态，挺过药物的攻击，随后重新生长导致感染复发。这些顽固的幸存者称为持留细胞（persister cells），它们不携带典型的耐药基因，因此难以预测、也更难清除。本研究探讨了为何某些沙门氏菌在使用广泛的氟喹诺酮类抗生素环丙沙星治疗时更容易形成持留体，以及代谢产生的短暂活性氧（ROS）和存在于细菌内部的隐匿病毒如何在死亡与生存之间影响天平。

抗生素攻击下的隐秘幸存者

在细菌群体中，大多数细胞会被有效抗生素迅速杀死，但极小的亚群死亡速度要慢得多。这种“双步骤”杀灭模式是持留细胞的特征——它们只是挺住直到药物消失，然后恢复正常生长。作者聚焦于伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhimurium），这种细菌是常见的食源性疾病病原体，在易感患者中可能需要环丙沙星治疗。此前在大肠杆菌的研究表明，去除一种翻译因子蛋白 LepA 会使细胞对多种抗生素异常耐受，这与降低活性氧（ROS）积累有关——ROS 是代谢的具有化学攻击性的副产物，能损伤 DNA 和蛋白质。本研究询问 LepA 在沙门氏菌中是否扮演类似角色，以及它如何与潜伏在细菌染色体内的病毒（前噬菌体）相互作用。

缺失单一蛋白的细菌发生了什么变化

研究团队比较了正常沙门氏菌与缺失 lepA 基因的变体。他们将两种菌株暴露于三类主要的杀菌抗生素：环丙沙星（氟喹诺酮类）、氨苄青霉素（β-内酰胺类）和卡那霉素（氨基糖苷类）。在氨苄青霉素和卡那霉素处理中，两株表现相似，显示大部分细胞的快速死亡以及稀有持留体的平台期。相反，在环丙沙星处理后，lepA 突变体始终留下比正常株更多的持留细胞。利用荧光染料测定 ROS 表明，环丙沙星显著诱导 ROS 形成，尤其是羟基自由基，而这些水平在 lepA 突变体中较低。耗氧量测定显示，突变体细胞提高呼吸速率——从而产生 ROS 的能力——较慢，提示细胞能量机器的微小缺陷使氧化应激降低，从而在药物压力下有利于存活。

在压力下变致命的沉默病毒

伤寒沙门氏菌携带若干前噬菌体，即在细胞内处于休眠状态的病毒基因组，当细菌 DNA 受损时它们可能被唤醒。被激活后，这些前噬菌体会进入裂解程序、复制并导致宿主细胞破裂。通过基因表达测量和荧光报告株，作者显示环丙沙星强烈激活细菌的 SOS DNA 损伤反应，并在正常细胞中尤其促发一种前噬菌体（Gifsy-1）的强烈诱导。该诱导在 lepA 突变体中较弱，与其较低的 ROS 水平一致。通过噬斑实验计数活性噬菌体也证实，在中等剂量的环丙沙星下，正常株随时间持续产生的噬菌体比 lepA 突变体更多。当所有前噬菌体被基因删除时，lepA 突变体在中等剂量环丙沙星下的生存优势大部分消失，表明菌株间的关键差异在于 ROS 驱动的前噬菌体激活对杀灭的贡献有多大。

降低氧化应激改变谁能存活

研究人员随后使用天然抗氧化剂谷胱甘肽在环丙沙星处理期间抑制 ROS。在携带前噬菌体的正常沙门氏菌中，谷胱甘肽扩大了不显示前噬菌体诱导的细胞亚群，并增加了持留体的比例。在无前噬菌体的背景下，相同处理虽减缓了早期杀灭，但不再提升持留体水平，这突出了生存收益与前噬菌体抑制有关。在非常高剂量的环丙沙星下，抗氧化剂再次在前噬菌体阳性细胞中显著提高生存率，而在无前噬菌体的细胞中提升较小，表明 ROS 触发的前噬菌体激活即便在强烈药物压力下也可能重要。在携带著名 lambda 前噬菌体的大肠杆菌株中也观察到类似模式：环丙沙星（而非氨苄青霉素）促使前噬菌体介导的裂解并减少正常细胞中的持留体，而 lepA 突变体和无前噬菌体株则避免了这种额外的杀灭。

对抗顽固感染的意义

这项工作支持一个简单但有力的观点：对于携带潜伏前噬菌体的细菌，抗生素诱导的 ROS 可以推动这些隐匿病毒活化，带来额外一波杀灭，从而缩小耐药持留体的储备。在缺失 LepA 的沙门氏菌中，较低的 ROS 意味着前噬菌体激活较弱，更多细胞悄然存活于环丙沙星之下。这表明在某些情境下，谨慎利用 ROS 和前噬菌体可能增强现有抗生素的效果——这一概念称为噬菌体—抗生素协同作用（phage–antibiotic synergy）。但同时，提高 ROS 水平也有风险，因为前噬菌体可能将毒力与耐药基因传播给其他细菌。该研究强调了单一细菌蛋白、细胞代谢状态与隐匿病毒的存在如何共同决定一次抗生素治疗是清除感染还是留下可能日后造成麻烦的幸存者。

引用: Braetz, S., Karp, M., Nerlich, A. et al. Reduced ROS-associated prophage induction in a lepA mutant contributes to increased fluoroquinolone persistence in Salmonella Typhimurium. Sci Rep 16, 12721 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47552-0

关键词: 抗生素持留性, 活性氧类, 前噬菌体, 伤寒沙门氏菌, 环丙沙星