抗生素耐药性细菌感染正在成为一项重大的社会挑战。为了解决这个问题，研究人员正在研究杀死细菌而不会产生耐药性的新药物，以及阻止细菌生物膜形成的新材料。后者是耐药性变种的来源，但众所周知很难去除。最近，波兰科学院物理化学研究所的研究人员发现，使表面起伏有助于限制耐药细菌的传播。
全球范围内抗生素的过度使用大大加速了耐药细菌的产生，这些细菌正在全球迅速蔓延，取代抗生素敏感细菌。许多常见的致病菌菌株现在对多种抗生素都有耐药性，因此必须找到对抗细菌感染的新方法。为了寻找一种限制不良耐药细菌生长的方法，来自 Dioscuri 细菌物理和化学中心 (IPC PAS) 的研究人员研究了抗生素敏感和抗生素耐药大肠杆菌在不同表面上的行为。研究人员希望更好地了解这些细菌种群如何生长将有助于开发防止耐药性产生的新型抗菌涂层。
在自然界和人体中，细菌通常形成紧密结合、附着于表面的群落，称为生物膜。生物膜中的细菌部分受到抗生素的保护，由于其结构致密，抗生素无法穿透生物膜。正如谚语“杀不死你的，会让你更强大”中所说，这促进了生物膜中自发出现的抗生素耐药性细菌的进化。在感染期间接触抗生素后，最初出现的一些耐药细菌开始繁殖，因为抗生素无法杀死它们。如果这一过程发生在平坦表面（例如导尿管）上生长的生物膜中，那么没有什么可以阻止耐药细菌扩散并最终接管敏感细菌。
IPC PAS 的研究人员现已证明，可以通过使表面起皱来阻止这一过程。在最近发表在著名期刊《国家科学院院刊》上的一篇文章中，他们表明，即使是比生物膜厚度小得多的微小表面起伏也足以将抗性突变体的扩散限制在生物膜内的微小“区域”内。
Bartłomiej Wacław 博士领导的团队在微流体装置中培养细菌生物膜，该装置由微腔组成，微腔的底部表面呈正弦函数形状的波纹状。每个微腔都被由两种不同的细菌（敏感和抗性）组成的生物膜占据，这些细菌最初混合在一起。在接触抗生素后，抗性细菌的生长速度开始快于敏感细菌。然而，与平底腔中的情况相反，抗性细菌并没有在波纹腔中取代敏感细菌。相反，抗性细菌仍然局限于波纹图案口袋内的小区域。
“我们的结果表明，可以通过操纵表面几何形状来控制生物膜中的细菌种群动态。我们已经针对抗生素耐药突变体证明了这一点，这对医学具有潜在的重要意义。图案化表面已经因其抗生物膜形成潜力而受到研究。我们的研究为使用此类表面提供了另一个理由——它们还可以防止耐药细菌的传播，”Wacław 博士声称。
然而，Waclaw 博士强调，现在说他所在团队开展的基础研究是否会转化为实际应用还为时过早。但他指出，“虽然这种方法肯定不会消除抗生素耐药性问题，但它可能有助于降低住院患者治疗失败的风险。这类患者通常需要插导尿管，这有很大的风险感染医院内抗生素耐药菌株。减缓此类细菌的传播可能意味着某些患者生死之间的差别。”
Waclaw 博士还表示，他们的研究结果更具普遍性，适用于任何一种有害菌株生长速度快于其他菌株的情况。“类似的效应可用于稳定工业过程中使用的微生物群落，如废水处理、生物燃料生产等。”
Postek W、Staśkiewicz K、Lilja E、Wacław B.
基质几何形状影响细菌生物膜中的群体动态。
Proc Natl Acad Sci US A. 2024 年 4 月 23 日；121(17):e2315361121. doi: 10.1073/pnas.2315361121
