机制“挖掘机” | 中南大学陈利玉团队蛋白组两篇文章，深入揭示纳米银抗菌机制

2020-09-17 13:51:20, 景杰学术杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰学术 | 报道

铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）是最常见的革兰氏阴性杆菌，也是最常见的机会致病菌之一。它很容易在肺部或烧伤伤口感染的患者中发现，并且是一些植入医疗设备（如导管）中的主要定植细菌。开发新的高效、安全、广谱抗菌药物是防治铜绿假单胞菌感染的迫切需要。

纳米银（AgNPs）颗粒是一种新型的广谱抗菌剂，且其对哺乳动物细胞显示出低细胞毒性，受到了广泛的关注。研究发现AgNPs对多药耐药铜绿假单胞菌具有抗菌活性【1】，但相关研究很少。此外，AgNPs对多药耐药细菌的抗微生物机制仍然是个谜。

蛋白质组学能够帮助我们全面了解细胞或组织中蛋白质丰度、互作和翻译后修饰等信息，是研究生命活动分子机制的重要技术手段。中南大学基础医学院陈利玉团队与景杰生物合作，运用串联质谱（TMT）标记的定量蛋白质组学方法，深入揭示了AgNPs通过诱导氧化应激、破坏生物膜，从而发挥对多药耐药铜绿假单胞菌抗菌活性的分子机制。研究成果分别发表在生物医学专业期刊International Journal of Nanomedicine和Journal of Proteome Research上。

纳米银对多药耐药铜绿假单胞菌的抗菌作用及机制研究

Antibacterial activity and mechanism of silver nanoparticles against multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa

样本策略：AgNPs处理临床分离的多药耐药铜绿假单胞菌

质谱策略：TMT标记蛋白组定量

为了研究AgNPs对临床分离的多药耐药铜绿假单胞菌的抗菌活性及机制，该研究团队用透射电镜观察了细菌在AgNPs作用下的形态结构变化，并运用TMT标记的定量蛋白质组学方法深入分析了AgNPs处理对细菌蛋白表达的影响。研究共鉴定到3,247个蛋白质，与对照组相比，AgNPs处理后170种蛋白质上调，366种蛋白质下调。

AgNPs处理多药耐药铜绿假单胞菌蛋白组分析

GO富集分析表明，参与活性氧代谢、氧化应激和氧化还原过程的蛋白质表达显著增高，而与合成、代谢过程、氨基化合物和大分子物质有关的蛋白质显著下降。进一步研究表明，AgNPs能有效地杀灭多药耐药铜绿假单胞菌，其主要机制是氧化和抗氧化过程失衡，未能消除细菌体内过量的活性氧，造成脂质过氧化和DNA、核糖体的损伤，从而导致大分子合成减少，细胞死亡。

原文链接：

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6396885/

银纳米颗粒对抗多药耐药铜绿假单胞菌生物膜的作用机制

Quantitative proteomics reveals the mechanism of silver nanoparticles against multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa biofilm

样本策略：AgNPs处理临床分离的多药耐药铜绿假单胞菌膜蛋白

质谱策略：TMT标记蛋白组定量

铜绿假单胞菌主要有四种耐药机制：①产生抗生素灭活酶或修饰酶；②通过改变抗菌药物作用的靶位，以逃避抗菌药物的抗菌作用；③膜屏障与主动外排作用，以限制药物到达其作用靶位；④形成生物膜，使抗菌药物不能有效地到达作用部位。生物膜形成是其中重要的机制。此外，AgNPs释放Ag+通过与细菌细胞膜和细胞壁成分的相互作用发挥强大的抗菌作用，这是AgNPs毒性的重要机制之一。

那么AgNPs是否通过作用于生物膜发挥对多药耐药铜绿假单胞菌的抑制作用？该研究团队在前期研究基础上，进一步运用TMT蛋白质组学分析了AgNPs对铜绿假单胞菌中生物膜蛋白表达的影响。结果发现，AgNPs处理后，317种蛋白质上调，324种蛋白质下调。GO富集分析表明，上调蛋白富集在“抗氧化活性”、转运蛋白活性”等条目中，而下调蛋白富集在“电子载体活性”，“核糖体的结构成分”等条目中。多数鞭毛蛋白、菌毛蛋白和生物膜的趋化性相关蛋白在AgNPs处理的生物膜中下调。

研究示意图

研究进一步证实，AgNPs通过诱发强烈的氧化应激反应、破坏铁稳态，增加ROS的产生，导致低氧应激反应等多种机制抑制了铜绿假单胞菌生物膜的产生，抑制细菌的粘附和运动，从而导致细菌死亡。研究为阐明银纳米颗粒对抗生物膜的机理提供了新的见解。

AgNPs对铜绿假单胞菌生物膜的机制模型

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jproteome.0c00114

总结

综上所述，该研究团队首先验证了AgNPs能有效杀灭多药耐药铜绿假单胞菌，在铜绿假单胞菌浮游阶段，AgNPs就能引发氧化和抗氧化过程失衡，造成脂质过氧化和DNA、核糖体的损伤，从而导致大分子合成减少，细胞死亡。第二篇文章则在前期的基础上，进一步研究了铜绿假单胞菌形成生物膜之后AgNPs的抑菌机制，AgNPs通过诱发强烈的氧化应激反应、破坏铁稳态，增加ROS的产生，导致低氧应激反应等多种机制抑制了铜绿假单胞菌生物膜形成。

研究同样表明了蛋白质组学，包括蛋白质修饰组学在机制挖掘上的独特价值，两篇文章都采用蛋白质组学获取文章的主要数据，以组学数据为线索结合一系列功能实验，针对性解答组学数据与表型相关联的机制，深入地挖掘了AgNPs对多药耐药铜绿假单胞菌的抗菌机制，为后续研究指明了方向。

参考文献：

1. Salomoni R., et al., 2017. Antibacterial effect of silver nanoparticles in Pseudomonas aeruginosa. Nanotechnol Sci Appl.

2. Liao S, et al., 2019. Antibacterial activity and mechanism of silver nanoparticles against multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa. International Journal of Nanomedicine.

3. Zhang Y, et al., 2020. Quantitative proteomics reveals the mechanism of silver nanoparticles against multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa biofilms. Journal of Proteome Research.

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