細(xì)菌組織感染或阻斷腸道，醫(yī)療支架和廢水管道等途徑的破壞能力依賴于彼此之間的溝通。普林斯頓大學(xué)研究人員的新工作表明，細(xì)菌保持接觸能力的有效性受到它們?nèi)肭汁h(huán)境中物理特性和流體流動(dòng)的影響。這些發(fā)現(xiàn)可以更好地了解科學(xué)家在何時(shí)何地可以干擾細(xì)菌通訊以幫助預(yù)防感染和阻塞。

研究人員模擬了實(shí)驗(yàn)室中的真實(shí)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)空間的形狀和流體通過它們的流動(dòng)影響了細(xì)菌的生長(zhǎng)和粘性表面層的形成，稱為生物膜。該研究發(fā)表在“ 自然微生物學(xué)”雜志上，研究還發(fā)現(xiàn)，液體流動(dòng)可以決定細(xì)菌何時(shí)何地開始作為致病因子起作用。

細(xì)菌通過稱為群體感應(yīng)的化學(xué)過程進(jìn)行交流，其中它們釋放分子作為附近細(xì)菌檢測(cè)到的信息。然而，大多數(shù)關(guān)于這一過程的研究都是在受控的實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，共同作者Bonnie Bassler，普林斯頓的Squibb分子生物學(xué)教授和Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究所的研究員解釋說。Bassler是一名分子生物學(xué)家，他與普林斯頓大學(xué)的同事一起工作和化學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)，在更準(zhǔn)確地類似于現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境中探索群體感應(yīng)。

“我們意識(shí)到，如果我們要學(xué)習(xí)如何根據(jù)需要操縱群體感應(yīng)以找到治療疾病的方法，我們必須知道它在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中是如何工作的，”Bassler說。“這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是以破壞有害細(xì)菌和使所需細(xì)菌受益的方式改變?nèi)后w感應(yīng)。”

共同作者霍華德·斯通，普林斯頓大學(xué)的Donald R. Dixon '69和伊麗莎白·W·迪克森機(jī)械與航空航天工程教授說，在這些現(xiàn)實(shí)世界的情況下，流體流動(dòng)會(huì)干擾群體感應(yīng)中使用的化學(xué)信使的傳遞。“如果你有足夠的流量，它可以在你的鄰居知道它存在之前洗去一種化學(xué)物質(zhì)，”斯通說。

第一作者，普林斯頓大學(xué)化學(xué)系的研究生Minyoung Kevin Kim建立了模擬常見環(huán)境的實(shí)驗(yàn)裝置，在這些環(huán)境中，細(xì)菌受到廢水或體液等液體的流動(dòng)：管道內(nèi)部表面，裂縫中發(fā)現(xiàn)的裂縫。腸道內(nèi)壁，以及涂有生物膜的表面等。共同作者，普林斯頓大學(xué)機(jī)械和航空航天工程博士后研究員Francois Ingremeau現(xiàn)在在法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)，他還進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和模擬工作，涉及對(duì)流體流量的群體感應(yīng)響應(yīng)。

Kim推出的流體流速與現(xiàn)實(shí)生活中的流速相當(dāng)。他研究了兩種引起疾病的細(xì)菌霍亂弧菌 - 霍亂弧菌 - 金黃色葡萄球菌背后的感染因子，它可引起各種感染，如膿腫和醫(yī)院感染。在每種情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)，群體感應(yīng)的水平和位置取決于物理空間的三維形狀和流動(dòng)條件。

在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員證實(shí)了先前的觀察結(jié)果，即移動(dòng)的流體可以通過帶走信使分子來抑制群體感應(yīng)。研究人員說，這一發(fā)現(xiàn)有助于解釋為什么在管道中的流動(dòng)條件下形成強(qiáng)大的生物膜。研究人員發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸?shù)娜后w感應(yīng)分子可以找到進(jìn)入下游細(xì)菌的途徑，并建立細(xì)菌細(xì)胞之間的遠(yuǎn)距離通訊。這種交流可能發(fā)生在管道，土壤細(xì)菌菌落和動(dòng)物腸道中，可能有助于疾病的傳播。

此外，研究人員觀察到，生物膜底部的群體感應(yīng)分子受到保護(hù)，不受流體流動(dòng)的影響，可被相鄰細(xì)胞檢測(cè)到。接收這些群體感應(yīng)信息的細(xì)胞然后可以啟動(dòng)基因表達(dá)程序，該程序使細(xì)菌能夠從生物膜中脫離，通過流動(dòng)的流體傳播到新的位點(diǎn)并可能將感染傳播到新的位點(diǎn)。

研究人員還調(diào)查了縫隙中的群體感應(yīng)，例如被稱為隱窩的腸道內(nèi)腔。在地穴底部流動(dòng)的庇護(hù)，群體感應(yīng)分子可以在細(xì)菌之間傳播，但隱窩頂部附近的分子被帶走。金說，這符合金黃色葡萄球菌如何引起疾病的已知情況。

“在內(nèi)部隱窩，細(xì)菌參與群體感應(yīng)并激活一種叫做腸毒素B的毒素的產(chǎn)生，這種毒素可以增加隱窩的深度，”Kim說。“根據(jù)我們的研究結(jié)果，這項(xiàng)活動(dòng)進(jìn)一步將金黃色葡萄球菌與流動(dòng)隔離開來，這種機(jī)制可能會(huì)促使群體感應(yīng)控制致病性，特別是在隱窩內(nèi)部。”

為了探究群體中群體感應(yīng)的健康后果，研究人員在流動(dòng)中引入了一種分子，它可以作為一種拮抗劑來關(guān)閉由眾所周知的醫(yī)院，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌定居的室內(nèi)的群體感應(yīng)，或MRSA。研究人員的拮抗劑分子由合著者Aishan Zhao合成，他是一名化學(xué)研究生，在縫隙和失活的群體感應(yīng)中彌散，這表明它可以作為減輕MRSA毒力的潛在策略。

研究人員得出結(jié)論，暴露于流動(dòng)液體和形狀奇特的空間中的相同細(xì)菌菌株可以經(jīng)歷廣泛不同的群體感應(yīng)水平，導(dǎo)致復(fù)雜的發(fā)病機(jī)制和定植模式。“這是研究中令人驚訝的發(fā)現(xiàn)之一，”金說。