Small Science:单细胞运动快速定量大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌种群的异抗性

异质性存在于所有细菌种群中,由参与基因表达和蛋白质生物合成的过程的内在随机性,或对触发表型分化的外部挑战的反应驱动。值得注意的是,异质性在细菌群落接触抗生素期间起着至关重要的作用。抗微生物药物反应的异质性通过异抗性的各种现象表现出来,即细菌种群分成两个或多个亚群,对抗菌素挑战表现出不同程度的敏感性。越来越多的临床证据表明全人群异质性非常重要,但在传统的抗菌药敏试验中经常遗漏异抗性,因为典型抗菌药敏试验仅评估整个细菌群落并使用单个平均值来描述样本。然而,最近的一些研究发现,阴沟肠杆菌和肺炎克雷伯菌对粘菌素的异抗性无法被传统的琼脂平板检测到,并导致小鼠感染模型的治疗失败。同时,目前可用于分析异抗性的技术,例如群体分析概况 (PAP) 和遗传分析,都非常耗费时间和资源,且此类方法可能会错过少数亚群,因其通常缺乏单细胞敏感性。鉴于上述考虑,迫切需要更快速和高通量的方法来评估异抗性。

近日,英国约克大学Giampaolo PitruzzelloThomas F. Krauss团队在Small Sciences上发表了研究文章,首次报道了利用单细胞运动变化作为多克隆和单克隆异抗性的特征,并证明了抗生素对细菌运动和生长的抑制具有高度相似的模式。

在本工作中,作者使用了一个具有捕获阵列微流体通道作为流体动力学陷阱,在液体培养基中培养细菌后,使用微流体泵将其注入到微流体芯片中,并用高清视频记录了其在微通道内的游动与捕集过程。其中,捕获阵列的单个陷阱仅能容纳单个杆菌,一旦被占据后,捕集器的流体阻力就会增加,从而阻止其他细菌进入同一捕集器。

作者使用大肠杆菌MG1655 和鼠伤寒沙门氏菌作为模型运动菌株,通过计算每个陷阱区域内平均像素强度随时间的变化,从视频中获取了强度轨迹,由单个陷阱捕获的细菌产生的典型痕迹如上图c-e所示。结果表明,测量的运动信号是鞭毛运动、代谢活动引起的微尺度运动以及布朗扩散和流动诱导运动等背景因素的组合。非运动细菌产生的低幅度波动高于布朗扩散和死细胞的流动主导运动,因此可以被认为是细菌活力的指纹。

验证了该测定能够量化和表征细菌运动的异质性后,作者测试了抗生素的作用,首先通过以不同比例混合易感(S)和抗性(R)大肠杆菌MG1655 并在10 μg mL-1卡那霉素存在情况下随时间跟踪混合群体的运动分布来创建多克隆群体。流体动力学捕获实验结果表明,细胞分辨率能够表征多克隆细菌群落中的异抗性,表现为:卡那霉素作用于大肠杆菌种群的易感部分引起的运动性呈指数级迅速损失,而剩余的运动细菌指纹则来自继续游动和分裂的抗性亚群。

文章信息:

Single-Cell Motility Rapidly Quantifying Heteroresistance in Populations of Escherichia coli and Salmonella typhimurium

Giampaolo Pitruzzello*, Christoph G. Baumann, Steven Johnson, Thomas F. Krauss*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100123

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100123