黄建永团队正在基量刚度调控细菌熏染医治方面获得希望

致病菌挟制并内化入宿主细胞造成连续熏染和继发熏染。病原菌和宿主细胞素质上都生存在庞大的物理力学微情况中，比年来越来越多的研究评释：细胞外基质物理力学微情况（比方流体剪切力、渗入渗出压、机器拉伸、界面粘附力以及细胞外基质刚度）在调治细菌和宿主细胞的生理病理功效和举动方面起着至关紧张的作用。然而，细胞外基质刚度等力学微情况身分怎样调治细菌熏染及抗菌治疗的力门生物学机制尚不明了。

图1：细胞外基底刚度调控细菌内化模式和抗菌药物治疗表示图

2021年8月27日，北京大学工学院黄建永研究员课题组在Biomaterials杂志上在线颁发了题为 Extracellular matrix stiffness modulates host-bacteria interactions and antibiotic therapy of bacterial internalization 的研究论文，从力门生物学视角展现了细胞-细菌相互作用的时空动态特性和纪律，在此底子上定量探究基底刚度对付内化的细菌抗生素治疗的调治作用和机制（图1）。试验发觉基底刚度会调控细菌对宿主细胞熏染模式变化，细菌偏向于熏染细胞片层中相对高牵引力地区的细胞；基质刚度会调治细菌熏染的时空动态和熏染水平，在相对软的基底上易于诱发局部严峻熏染和细胞凋亡，而在相对硬的基底上通常诱发弥散性熏染和细菌侧向流传。该文也同时甄别了细胞牵引力、细胞骨架、细胞膜上相干黏附分子在此中所起到的要害作用，并由此展现了基底刚度对付细菌抗生素治疗的潜伏影响和调治机制。动物试验进一步证明了基底刚度在细菌熏染宿主细胞历程中的紧张调控作用。上述事情不但展现了基质刚度对付细菌熏染的要害调控作用，也为从力门生物学角度改进临床对多药耐药细菌的抗生素治疗提供了新的思绪。

为了明了细胞外基质刚度是怎样调控细菌内化的入侵纪律，研究职员起首创建了一种基于柔性基底的细胞-细菌互作模子，效果发觉随着基底刚度增添内化菌的细菌总量反而淘汰，基底杨氏模量（E）与内化菌侵染细胞的数目（NIB）出现线性依靠干系。在较软的细胞外基质微情况中，病原菌出现出聚拢性熏染模式（陪同内化细菌数目增添），而在较硬的细胞外基质微情况中，病原菌偏向于弥散性熏染宿主细胞（但内化细菌数目却淘汰）。研究职员随后定量表征了细菌内化内皮细胞单层历程中的细胞牵引力时空改变纪律，效果表现细菌入侵内皮细胞单层后其细胞牵引力都市明显低落（在软大概硬基底上均是云云），但有味的是，内皮细胞单层中具有相对较大细胞牵引力的上皮细胞个别更简单受到细菌打击和入侵，评释细菌内化细胞单层的历程与细胞牵引力（及细胞内F-Actin骨架等）具有特定联系关系性。

图2：细菌牵引力决定了细菌在单层细胞上内化方法

（A）差别软硬基底熏染前后细胞牵引力的测定

（B）细胞牵引力随时间改变图

（C）细菌在细胞牵引力大的位点内化

（D）细菌在细胞牵引力大的细胞单层外侧内化

研究职员进一步展现了细胞外基质刚度怎样调控抗菌药物对付内化菌熏染治疗的力门生物学纪律。通过拔取两种常见的广谱抗菌药物（环丙沙星和四环素）对处于差别刚度微情况下的熏染细胞单层举行治疗，试验效果发觉较软的基质微情况更易于抗菌药物的药效发挥，能更高效的扫除内化细菌。鉴于脂溶性高的药物治疗内化菌成效好，研究职员推测抗菌药物治疗内化菌的疗效应该取决于其进入细胞的浓度，也即存活于细胞内的内化菌的治疗与抗菌药物在细胞内积存的浓度直接相干。为此，该文通过液相色谱-串联质谱（LC-MS）阐发量化了细胞内抗菌药物积存量，效果评释处于较软基质微情况中的内皮细胞单层内抗菌药物的积存量更高，相应的药物成果也更好。软基质上细胞单层内的抗菌药物浓度根本都到达了1个MIC值（即四环素的胞内积蓄凌驾2 μg/mL，环丙沙星胞内积蓄凌驾1 μg/mL），预示着基质微情况刚度的低落（比方局部病灶构造的软化）有助于抗菌药物更有用地扫除内化的细菌。

综上所述，该文报道了细胞外基质刚度对付病原菌入侵内化宿主细胞的时空调控纪律，发觉了基质刚度主导病原菌聚拢性/弥散性入侵宿主细胞的内涵机制，展现了抗生素在细胞内累积及其对内化细菌扫除服从与基质力学微情况身分之间的定量依靠干系。上述事情不但对付越发精准地操纵抗生素利用、幸免因抗生素利用过分而导致耐药性的孕育发生具有必然参考代价，也为从力门生物学角度改进多药耐药细菌的抗菌药物治疗方案提供了新的思绪。

北京大学工学院博士后刘晓晔（如今为北京农学院讲师）为该论文第一作者，黄建永研究员为通讯作者，该事情得到了中国农业大学朱奎传授的鼎力大举支持和关心。