综述：代谢状态驱动的基于营养物的抗细菌抗生素耐药策略

《npj Antimicrobials and Resistance》：Metabolic state-driven nutrient-based approach to combat bacterial antibiotic resistance

本文聚焦抗细菌抗生素耐药问题，阐述代谢状态驱动的营养物策略。该策略通过特定营养代谢物刺激抗生素摄取，重塑耐药菌代谢状态，提升抗生素杀菌效力，为解决耐药危机提供新思路，值得关注。

　　

抗生素耐药危机与创新策略的兴起

抗生素耐药菌的迅速出现已引发全球公共卫生危机。在医疗、兽医、农业及食品生产中，抗生素的滥用使得耐药微生物在 2019 年就导致 204 个国家和地区的 495 万人死亡 。若不采取有效措施，预计到 2050 年，每年因耐药微生物致死的人数将高达 1000 万。美国传染病学会（IDSA）指出，粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌属这六种所谓的多重耐药 ESKAPE 病原体，是威胁人类健康的关键致命耐药病原体。

传统的新型抗生素研发面临困境，耐药菌株的不断进化使得新研发的药物最终可能失效。而针对非传统抗菌剂或策略的研究进展缓慢。在此背景下，基于营养代谢物的创新策略应运而生，其中包括 “代谢物驱动” 和 “代谢状态驱动” 两种方法。

“代谢物驱动” 方法依据经验数据，发现特定外源营养代谢物能增强已知抗生素的致死效果 。“代谢状态驱动” 方法则基于代谢组分析 / 代谢状态，描绘抗生素耐药代谢组 / 代谢状态，识别耐药背后的代谢机制，并挑选关键营养代谢物作为代谢重编程剂 。两种方法都能增加细菌细胞膜通透性，促进药物摄取，提高细胞内抗生素浓度，从而增强杀菌效果，但二者确定代谢重编程剂的方式不同。本综述重点探讨代谢状态驱动的重编程与已知抗生素联合应用，恢复多重耐药菌对抗生素敏感性的研究进展，同时也对代谢物驱动方法进行概述。

代谢状态驱动策略恢复耐药菌敏感性的理论基础

细菌所处的局部环境会调节其药物摄取和其他代谢过程 。细胞内吲哚、单磷酸腺苷和营养代谢物的丰度会影响跨膜质子动力势（PMF）、药物和营养物质的摄取，以及细菌在抗生素存在下的存活情况。例如，外源糖类或其他细菌碳源能刺激氨基糖苷类抗生素对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）的持留菌和生物膜的摄取，并增强其杀菌效果 。

代谢状态驱动方法需要识别和量化细胞内代谢物，以及它们相互转化和关联的合成代谢与分解代谢生化途径 。由于代谢途径相互关联，关键代谢物的过多或过少都可能深刻改变单细胞生物的代谢状态。在某些情况下，通过适当的补充可以纠正代谢失衡。实践中，代谢状态驱动方法通过代谢重编程分四步进行：首先，确定代谢组谱，进行分子生物学和生化分析，比较细菌代谢组与抗生素耐药或敏感表型的相关性；其次，识别与表型相关的关键代谢物，测试其作为生物标志物和代谢重编程剂的潜力；然后，全面表征营养代谢物恢复耐药菌对抗生素敏感性的能力和功效；最后，揭示代谢重编程机制。通过这种系统分析全局代谢状态的方式，能确定高效的代谢重编程剂。

代谢状态驱动策略逆转抗生素耐药性的证据

自 2011 年 James Collins 团队报告特定营养碳源能增强氨基糖苷类抗生素对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）持留菌和生物膜的致死效果以来 ，越来越多的证据表明细菌代谢环境与小分子抗生素之间存在相互作用，影响抗生素的杀菌效力。多种含碳营养代谢物，如氨基酸（苏氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺等）、糖类（D - 核糖等）、核苷酸（尿嘧啶单磷酸腺苷等）和肽（谷胱甘肽等），都能增强抗生素的杀菌效果 。脂肪酸也能调节氨基糖苷类抗生素的功效 。此外，肠道微生物群的代谢可调节抗生素效率，如高脂饮食小鼠中，色氨酸代谢物吲哚 - 3 - 乙酸能促进抗生素对持留菌的作用 。

代谢状态驱动方法在识别具有代谢重编程潜力的营养代谢物方面表现出色 。多项研究表明，针对不同耐药菌，补充特定代谢物可恢复其对抗生素的敏感性。例如，彭等人发现低细胞内葡萄糖和丙氨酸是迟缓爱德华氏菌对卡那霉素耐药的生物标志物，外源丙氨酸、葡萄糖、果糖等可恢复多重耐药迟缓爱德华氏菌对卡那霉素的敏感性，其机制涉及激活丙酮酸循环（P 循环），增加 NADH 生成和 PMF，促进药物摄取 。类似地，在其他耐药菌中，如庆大霉素耐药的溶藻弧菌、粘菌素耐药的菌株、头孢哌酮 / 舒巴坦耐药的铜绿假单胞菌等，通过补充特定代谢物，如葡萄糖、丙酮酸循环代谢物、富马酸等，可重塑细菌代谢状态，恢复其对抗生素的敏感性 。

代谢重编程不仅能增加细胞内药物浓度，还能提升 ROS 水平，增强抗生素杀菌效果 。研究发现，ROS 水平与氨基糖苷类和 β- 内酰胺类等抗生素的杀菌效率呈正相关 。例如，丙酮酸 - 半胱氨酸 - 谷胱甘肽系统 / 甘氨酸 - ROS 代谢途径可通过抑制谷胱甘肽还原酶，增加 ROS 水平，增强庆大霉素对多种病原菌的杀伤作用 。

在动物模型中，营养代谢物联合抗生素治疗也取得了良好效果 。甘露醇可改善小鼠慢性大肠杆菌生物膜感染的治疗效果；吲哚 - 3 - 乙酸和环丙沙星协同促进高脂饮食小鼠感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）后的存活；多种代谢物（如丙氨酸、葡萄糖、果糖、丙酮酸、瓜氨酸、谷氨酰胺等）与抗生素联合，能更有效地抑制小鼠、斑马鱼和鸡等动物的细菌感染 。中国广东利泰制药有限公司正在开发一种由抗生素和谷氨酰胺组成的联合抗菌剂，这为未来临床应用提供了新希望 。

增加抗生素摄取以克服降解和外排

细菌对小分子抗生素产生耐药性的机制主要有四种：非特异性降低细胞膜通透性、增强对抗生素的降解或失活能力（如诱导染色体 β- 内酰胺酶）、增加外排泵能力以及发生基因突变使细菌对抗生素产生抗性 。这些机制对药物摄取、降解和外排的综合影响决定了细胞内药物的稳态浓度。目前，在理解和调控细菌细胞膜通透性方面进展有限，这限制了抗菌领域的发展 。

代谢状态驱动方法有望克服耐药菌对抗生素摄取不足的问题 。多项研究表明，外源营养代谢物能刺激抗生素摄取 。例如，彭等人和苏等人发现，外源丙氨酸、葡萄糖或果糖与卡那霉素联合，可使耐药大肠杆菌对卡那霉素的摄取比敏感大肠杆菌增加数倍，足以补偿细胞内稳态卡那霉素浓度的差异 。富马酸可刺激耐药物铜绿假单胞菌对妥布霉素的摄取，降低其存活率；葡萄糖能使头孢哌酮 / 舒巴坦耐药的铜绿假单胞菌对阿米卡星的摄取增加 1.5 倍，使庆大霉素耐药的溶藻弧菌对庆大霉素的摄取增加 2 倍 。多种营养代谢物，如 D - 核糖、内源性琥珀酸和谷氨酸、谷氨酰胺、肌苷、琥珀酸等，都能促进不同抗生素的摄取 。

研究还发现，外源谷氨酰胺可增加 β- 内酰胺酶产生菌株大肠杆菌细胞内氨苄西林的浓度 。在有谷氨酰胺存在时，达到相同杀菌效果所需的氨苄西林浓度显著降低，尽管 β- 内酰胺酶水解速度和药物外排速率有所增加，但谷氨酰胺刺激的药物摄取速度超过了药物降解和外排的综合速率，使细胞内抗生素浓度超过杀菌阈值。这一过程可能由谷氨酰胺 - 肌苷 - CpxA/R - OmpF 途径介导 。此外，丙酮酸可促进庆大霉素耐药的溶藻弧菌对庆大霉素的摄取，逆转耐药性 。除了孔蛋白通道，抗生素转运还受代谢物调节 。例如，葡萄糖 - 6 - 磷酸存在时，UhpT 可增强磷霉素对某些菌的杀伤作用；在缺乏 UhpT 的嗜麦芽窄食单胞菌中，果糖、磷酸烯醇式丙酮酸和甘油醛 - 3 - 磷酸可提高磷霉素的疗效，表明特定代谢物可调节膜通透性，使药物内流速率超过降解和外排速率 。

代谢重编程剂减缓抗生素耐药性的发展

β- 内酰胺抗生素和 β- 内酰胺酶抑制剂联合治疗表达 β- 内酰胺酶的病原体感染时，出现了交叉耐药问题，使联合治疗失效 ，且 β- 内酰胺酶抑制剂不能抑制所有已知的 β- 内酰胺酶 。而代谢重编程剂通常是必需营养素，细菌难以限制其摄取。研究表明，在含有氨苄西林的培养基中添加谷氨酰胺培养大肠杆菌，细菌对氨苄西林加谷氨酰胺的耐药性发展比单独使用氨苄西林更慢 。将这些细菌注射到小鼠体内后，它们对氨苄西林加谷氨酰胺仍保持敏感，且在五个治疗周期内疗效持续 。这表明代谢状态驱动方法可作为对抗耐药菌、提高和延长抗生素疗效的有效策略 。

结论与展望

代谢状态驱动的营养物策略成功的关键在于深入理解细菌代谢，以及准确评估正常和改变的细菌代谢状态 。当代谢组分析显示耐药菌与敏感菌中特定代谢物（或同一途径的多个代谢物）下调时，这些代谢物有望成为代谢重编程剂 。补充这些代谢物可重塑代谢谱，使耐药表型转变为敏感表型 。这是因为敏感菌和耐药菌具有不同的代谢状态，与抗生素杀菌效率密切相关 。代谢重编程剂可克服膜通透性障碍，促进药物摄取，使摄取速率超过酶促药物降解和外排速率，提高细胞内药物浓度，增强杀菌效果 。同时，抗生素杀菌效率与代谢物转化产物（如 ROS）有关，较高的 ROS 浓度可增强氨基糖苷类和 β- 内酰胺类抗生素的杀菌效力 。

基于代谢的干预是一种有效增加膜通透性、刺激抗菌药物摄取的简单直接方法 。抗生素耐药表型常与促进营养物质和小分子药物流入的膜孔蛋白通道下调相关 ，而外源代谢物通常可上调刺激孔蛋白生物合成和转运的转录因子和双组分系统 。然而，代谢物如何发挥下游效应、抗生素特异性流入通道的表达及其功能重叠，以及许多代谢物对多个代谢途径的影响等问题，仍有待进一步研究 。深入理解不同代谢物流的相互作用及其对药物摄取和抗生素耐药性的影响，有助于充分发挥代谢重编程的潜力，推动基于代谢的抗耐药策略的发展 。

许多细菌代谢物是安全无毒的人类营养素，因此人体试验不太可能因安全问题而延迟 。在临床应用方面，代谢物可通过三种途径给药：制备临床级营养素与抗生素联合使用；将营养素和抗生素制成复合药物；将营养素和抗生素化学交联作为不同的药物使用 。

将这一概念转化为新型疗法面临诸多挑战 。临床应用必须基于已批准的药物，开发新药是实现转化的前提 。这涉及政府、风险投资、制药公司、医院和患者等多个利益相关者，他们需要理解代谢状态对抗生素杀菌效率的决定作用、营养代谢物对人体的益处以及增加抗生素摄取优于抑制药物酶水解的理念 。同时，经济因素也需考虑，营养代谢物成本较低，具有盈利潜力 。在临床试验中，还需确定重编程代谢物的最佳浓度、抗生素的最佳比例、最有效的给药时间和途径、最适合的耐药菌类型以及理想的患者条件 。在一些国家（如中国），对于已批准药物的新用途可进行探索，当营养代谢物本身是药物（如葡萄糖和肌苷）时，经医院伦理委员会批准，医生可申请使用，这有助于加速临床应用 。