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斯坦福研究人员已经证明，尿路感染(UTI)中的细菌依赖于分子纤维素的新型化学形式来粘附膀胱细胞。该研究结果发表在“美国国家科学院院刊”上，可能会导致治疗UTI和其他无抗生素感染的新方法。
研究联合负责人，斯坦福大学人文与科学学院化学副教授Lynette Cegelski表示，抗生素过度使用会导致对我们身体共享的天然细菌的抵抗和影响，称为微生物组。“有很多方法可以针对疾病，如果你只针对特定细菌的毒力策略，你仍然可以预防感染，并消除对你的微生物组的完全侮辱，”她补充说。
纤维素是由植物，藻类和一些细菌产生的，是地球上最丰富的有机聚合物。它也是研究最好的之一，因为它用于生产从纸张到乙醇燃料的所有产品。因此，当Cegelski团队今年早些时候宣布他们在细菌大肠杆菌中发现了一种化学上独特的纤维素形式，称为pEtN(用于化学基团磷酸乙醇胺)时，这是令人惊讶的。
这一发现发表在“科学”杂志上，表明pEtN纤维素是细菌生物膜中的一个重要组成部分，这是一种粘稠的分泌物，细菌可以分泌营养物质，保护自己免受抗生素和宿主的免疫系统攻击。
在这项新研究中，Cegelski的研究小组表明，pEtN在UTI中也起着重要作用。UTI是世界上最常见的传染病之一，大肠杆菌是其中的罪魁祸首之一。
“我们在这里的实验揭示了纤维素的一种特殊功能，它可以起到像砂浆一样的作用，增强细菌与膀胱上皮细胞的粘附强度，”研究联合负责人杰拉德·富勒说，他是弗莱彻琼斯二世教授。工程。
来自意外来源的帮助
这一发现是斯坦福午餐活动偶然发生的结果，富勒得知Cegelski的小组正在寻找一种方法来测量一层大肠杆菌粘附在一层分离的膀胱细胞上的强度。“哦，我可以帮助你，”富勒自告奋勇。
几年前，富勒开发了一种称为活细胞单层流变仪(LCMR)的仪器，用于研究隐形眼镜对角膜细胞的粘附。“我们想知道当你摘下隐形眼镜时，眼睛的细胞是否粘附在隐形眼镜的下腹部，我们发现确实是这样，”富勒说。
LCMR旨在使玻璃板与单个活细胞层接触，然后在它们之间保持恒定的压力。附带的显微镜允许科学家在实验过程中监测细胞，加热的底板有助于保持细胞的活力。
科学家们意识到，通过一些调整，富勒的仪器可以达到Cegelski的想法。“对于这些实验，我们改进了显微镜，以便在测量过程中更好地可视化细菌和膀胱细胞层之间的接触，”第一作者Emily Hollenbeck研究，他是Cegelski和Fuller的前联合研究生。“这是一项重要的检查，以确保我们始终测量这些非常薄的层之间的粘附力。”
让细菌作为单层生长也证明具有挑战性，并且在成功之前，Hollenbeck花了好几次尝试。“创造均匀的细菌和膀胱细胞层对于获得可重复的LCMR测量非常重要，”Hollenbeck说。“用不断增长和适应环境的材料制造这些均匀的层尤其具有挑战性。”
打破感染的循环
以前的研究已经注意到pEtN纤维素和称为curli的细胞表面纤维被编织在一起以产生大肠杆菌生物膜。而且卷曲与肾脏感染和败血症有关。“感染越严重，这些细菌就越容易产生卷曲，”Cegelski说。
Cegelski想要了解的是pEtN和curli对细菌与宿主细胞粘附的相关贡献以及它们在感染过程中如何协同作用。为了回答这些问题，她的小组设计了一系列实验来分别测试卷曲和纤维素的粘合强度。
在一个实验中，它们将生物膜包含纤维素和卷曲的大肠杆菌附着到LCMR的顶板上，然后使其与含有膀胱细胞的底板接触。然后科学家迅速将顶板水平剪切了一小部分，由此产生的粘合应力水平使他们能够定量测量细菌的“粘性”。
他们用基因工程大肠杆菌重复实验，其生物膜仅含有纤维素，并且顶板仅含有卷曲而没有细菌。
他们发现，产生卷曲和纤维素的细菌表现出最高的粘合强度，其次是单独的卷曲，最后是单独的纤维素。“没有纤维素，细胞很容易从细菌中脱落，”富勒说。“纤维素就像胶水一样，真正有助于将所有东西组合在一起。”
该发现表明，治疗不涉及抗生素的UTI的方法是可能的。“攻击纤维素可能是传统抗生素的一个很好的替代品，因为预防细菌粘附可以帮助打破感染周期，”霍伦贝克说。“这种治疗方法也避免了导致抗药性突变的传统抗生素'生死攸关'的压力。”
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