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編譯：獨世，編輯：小菌菌,、江舜堯,。 原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載,。 導(dǎo)讀越來越多的證據(jù)表明,，細菌對抗生素的反應(yīng)會嚴重受到其他微生物相互作用的影響。而在確定病原體對抗生素的敏感性時,，通常不考慮這些相互作用,。本文認為對抗生素治療的抗性和進化反應(yīng)不僅僅是單個細菌物種的特征,，而且還應(yīng)作為包含病原體的微生物群落的新興特性。我們概述了種間相互作用如何影響個體物種和群落對抗生素治療的反應(yīng),，以及這些反應(yīng)如何影響選擇的強度,，從而可能改變耐藥性發(fā)展的軌跡。最后,，本文確定了未來研究的關(guān)鍵領(lǐng)域,，這將使人們對細菌群落中的抗生素耐藥性有更完整的了解。文章強調(diào)指出,，認識到生態(tài)環(huán)境,，即病原體之間和群落內(nèi)部發(fā)生的相互作用，可以幫助開發(fā)更有效的抗生素治療方法,。 原名：Ecology and evolution of antimicrobial resistance in bacterial communities譯名：細菌群落中抗菌素耐藥性的生態(tài)學(xué)和進化1 種間相互作用改變了細菌對抗生素的響應(yīng) 種間相互作用可以對抗生素治療的結(jié)果產(chǎn)生深遠的影響,。我們定義了三種主要方式，細菌群落或群落亞群可以通過種間相互作用而在抗生素暴露下幸存下來：（1）集體抗藥性,，即群落內(nèi)部的相互作用可增強其成員抵抗抗生素作用的能力,，以及在抗生素暴露下繼續(xù)生長，從而增加了群落的MIC,；（2）集體耐受性,，即群落內(nèi)的相互作用可以改變細胞狀態(tài)，例如減緩新陳代謝,，從而在不增加MIC的情況下暫時降低抗生素處理期間的細胞死亡速度,；（3）接觸保護，即在群落中通過降低抗生素的有效濃度來保護其敏感成員的相互作用,。這些定義并不矛盾,；相互作用可能具有多種不同的影響，并且多種不同的機制可能在一個群落內(nèi)同時發(fā)揮作用,。許多提供集體抗藥性,，耐受性或暴露保護的已知機制是密度依賴性的，通過滅活抗生素,，形成生物膜和激活群體感應(yīng)的響應(yīng)來保護龐大密集的種群,。盡管通常認為這種相互作用發(fā)生在相同（或密切相關(guān)）基因型的細胞之間，但在不同的多物種群落中,，不同基因型或物種之間也可能發(fā)生相同的機制,。例如，對尿道感染的多物種網(wǎng)絡(luò)的分析表明,，來自同一患者的臨床分離株常常相互保護彼此免受抗生素的侵害,，其保護作用與促進生長受益的種間相互作用相關(guān)。然而,，多物種群落內(nèi)的大多數(shù)相互作用都被認為具有競爭性,，大多數(shù)成對互作導(dǎo)致群落生產(chǎn)力的凈減少,。通過暴露于抗生素而破壞群落內(nèi)部復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)，無論是合作還是競爭都將改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)與其組成成員的生長和存活,。使抗生素失活的抗藥性機制是廣泛的,，它對一些最廣泛使用的抗生素，包括氨基糖苷,，氯霉素和β-內(nèi)酰胺類,，提供了后天獲得的抗性和內(nèi)在抗性。這種抵抗機制可以被視為合作特征,?？股厥Щ蠲傅漠a(chǎn)生的好處不僅限于生產(chǎn)者，而是在整個群落中共享的,。協(xié)同酶促滅活可通過降低抗生素的環(huán)境濃度（圖1a）來提供暴露保護,，該抗生素可被群落中相同和不同物種的敏感成員利用。例如,，通過產(chǎn)生β-內(nèi)酰胺酶的大腸桿菌對β-內(nèi)酰胺抗生素的酶失活可以保護腸炎沙門氏菌血清鼠傷寒沙門氏菌免受通常會殺死它們的抗生素濃度的影響,。據(jù)報道，從多種微生物感染中提取的大量臨床樣品中都存在β-內(nèi)酰胺酶,，這表明它們可能有助于感染對β-內(nèi)酰胺抗生素的復(fù)原力,。可以通過生物膜的形成來提供集體抗藥性，集體耐受性和對抗生素的暴露保護（圖1b）,。細菌生物膜包括以聚集體形式生長的細胞,，并被胞外多糖，DNA和蛋白質(zhì)的自分泌聚合物基質(zhì)包圍,。生物膜通過限制抗生素向種群中的擴散并增加了由抗生素滅活提供的保護,，為其成員提供暴露保護。此外,，由于營養(yǎng)物和氧氣的梯度導(dǎo)致生物膜中心的代謝活性降低,，生物膜可誘導(dǎo)耐受的細胞狀態(tài)，從而增加了種群中持久性細胞的比例,。生物膜還可以通過改變先前存在的ARGs的表達來增加抗藥性,。與單物種生物膜相比，多物種生物膜之間的物種間相互作用可通過改變生物膜的空間結(jié)構(gòu),，增加耐藥機制的表達并允許單獨表達的抗菌素防御來保護整個群落,，從而進一步提高抗生素治療期間細菌的存活率。然而,，通過毒素分泌的基因型之間的競爭與通過使用黏附素和基質(zhì)產(chǎn)生的空間捕獲之間的競爭可能會限制生物膜內(nèi)不同基因型的社會融合并消滅競爭物種。因此,，競爭可能有助于使多種生物膜中的公共物品私有化,，限制基因型之間的合作并破壞相互作用,，從而增加群落在抗生素治療中的生存能力。生物膜的許多工作都集中在囊性纖維化（CF）患者肺內(nèi)的種間相互作用上,，在這種情況下,，多種生物膜的形成很普遍。在混合生物膜中,，銅綠假單胞菌可引起金黃色葡萄球菌的代謝轉(zhuǎn)變,，從而降低其生長并為金黃色葡萄球菌提供對萬古霉素的保護。相應(yīng)地,，金黃色葡萄球菌可以通過增加聚集和改變CF模型系統(tǒng)中的生物膜結(jié)構(gòu)來增強銅綠假單胞菌對妥布霉素的耐受性,。然而，抗生素對多種生物膜的活性似乎取決于群落組成和抗生素處理,，細菌組合的某些組合降低了抗生素的殺滅率,，而另一些則沒有效果。生物膜內(nèi)的相互作用是否促進或限制抗生素抗性或耐受性可能取決于相互作用的模式,，即直接細胞接觸與可擴散分子,，因為群落的物理性質(zhì)改變了細胞與細胞接觸和擴散速率的可能性。細菌分泌各種各樣的化合物,，從群體感應(yīng)中涉及的信號分子到毒力和競爭中涉及的外毒素,。群落內(nèi)的分泌產(chǎn)物可直接改變基因表達，代謝過程和共存細菌物種的生長動力學(xué),，從而改變其在抗生素暴露下的生存能力（圖1c）,。例如，通過大腸桿菌分泌吲哚的種間信號傳導(dǎo)激活了惡臭假單胞菌中吲哚依賴性的多藥外排泵的表達,，而假單胞菌本身不能產(chǎn)生吲哚,，從而導(dǎo)致惡臭假單胞菌的抗性水平升高。同樣,，嗜麥芽窄食單胞菌是一種革蘭氏陰性細菌,，在細菌性肺部感染期間經(jīng)常與銅綠假單胞菌同時出現(xiàn)，可以擴散信號因子的分泌,，改變銅綠假單胞菌的生物膜結(jié)構(gòu),，并刺激提供對陽離子抗菌肽抵抗力的蛋白質(zhì)的合成，如多粘菌素,。除細胞串擾外,，外毒素（可能是為了抑制競爭者的生長而產(chǎn)生的）可以促進競爭性細菌物種向抗生素耐受性生理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。例如,，銅綠假單胞菌通過分泌2-庚基-4-羥基喹啉-N-氧化物來誘導(dǎo)高耐受性的金黃色葡萄球菌小菌落變體,，通過抑制電子傳輸鏈，從而大大減慢了金黃色葡萄球菌的生長速度,。鑒于細菌分泌產(chǎn)物的多樣性和多物種群落的復(fù)雜性,，我們很可能還沒有完全了解這些分泌物如何改變抗生素抗性和耐受性,。由于代謝需求的重疊和空間的限制，在混合細菌群落中普遍存在通過干擾或利用進行競爭性相互作用的情況,。通過抗生素暴露而破壞或改變種間競爭或合作的強度,，可以通過使原本無法獲得的資源可供群落其他成員利用而改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)。群落結(jié)構(gòu)的這些變化可能會改變其組成成員抵抗抗生素暴露的能力,。啤酒多物種生物膜的抗生素處理以競爭相互作用為主導(dǎo),，由于抑制了種群中高度競爭的物種，導(dǎo)致競爭水平降低,。這提高了原本被抑制的種群的生長狀況,，進而提高了這些物種的抗生素耐受性，這可能是由于集體耐受機制的密度依賴性所致,。在實驗性細菌群落中觀察到了相似的結(jié)果,，其中抗生素治療使群落成員的耐受性略有提高。相反,，交叉喂養(yǎng)的相互影響會導(dǎo)致一個群落內(nèi)多個物種之間相互依存,。因此，將交叉供養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)中所有成員的抗生素敏感性降低到聯(lián)盟中最弱成員的抗生素敏感性（圖1d）,。綜上,，這些發(fā)現(xiàn)表明個體和群落對抗生素暴露的反應(yīng)方式取決于復(fù)雜的互作網(wǎng)絡(luò)，包括社會剝削,、合作,、競爭和溝通。
圖1 群落相互作用以及耐藥基因型會影響對抗生素暴露的反應(yīng),。在所有面板中,，細胞生長狀態(tài)均以陰影線（無法生長）或固體填充物（能夠生長）表示。a使抗生素失活的抗性細菌降低了局部抗生素的濃度,，為周圍的敏感物種提供了防護,。這受益于種群的密度和空間結(jié)構(gòu)，以及抗生素的擴散速率和滅活速率,。b一些物種無法獨立地形成生物膜,，但能夠通過參與其他物種已建立的生物膜而獲得更高的抗生素耐受性。c接收到分泌的信號分子（例如吲哚和DSF）可以通過增加抗性基因的表達在其他易感種群中引發(fā)抗生素抗性狀態(tài),。d如果抗性物種的生長依賴于易感群落成員的分泌物的交叉喂養(yǎng),，那么依賴交叉喂養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)可能會對抗性物種有害。在這種情況下,，對抗生素的耐受性會降低到最易感的群落成員的水平,，因為由于殺死抗生素而導(dǎo)致交叉進食的相互作用喪失（白色虛線虛線），因此，由于必需資源的喪失,，耐藥菌無法生長,。
2 生態(tài)環(huán)境會影響抗菌素耐藥性的選擇多物種群落如何改變其成員對AMR的選擇,？該問題的答案取決于相關(guān)群落的成員以及它們之間發(fā)生的特定相互作用,。群落中存在多種競爭，包括競爭,、剝削,，偏利共生和互惠共生，每種互作都有可能根據(jù)其成員的抵抗機制改變選擇的力量,。因此,，與單個物種種群相比，群落內(nèi)的AMR進化可能以不同的速率發(fā)生,，從而導(dǎo)致不同程度的抗藥性,，或與不同的成本水平相關(guān)。相互作用物種的存在可以通過改變選擇的突變和分子機制來進一步影響新生抗性的進化軌跡,。以前關(guān)于ARGs進化動力學(xué)的研究主要集中在單一物種種群內(nèi)的抗性和敏感菌株,。這些研究表明，積極選擇抗藥性細菌所需的抗生素濃度（最低選擇濃度,，MSC）遠低于其敏感細菌的MIC,。MSC處的低抗生素濃度可能對敏感菌株沒有致死性，但是它們降低了敏感細胞的生長速度,，足以抵消與掩蓋耐藥性相關(guān)的固有成本,。因此，低水平的抗生素可能已經(jīng)選擇增加種群中抗生素抗性細胞的豐度（圖2a/b）,。很少有實驗研究比較在不存在和存在其他競爭細菌的情況下,，抗生素耐藥性菌株和敏感菌株對抗生素選擇的反應(yīng)。Klümper等研究表明,，源自豬糞的復(fù)雜的多物種厭氧菌群落可以提高選擇嵌入該菌群的抗性大腸桿菌菌株所需的抗生素濃度,。從機制上講，MSC的增加是由群落保護敏感的大腸桿菌菌株引起的（圖2d）（如先前在單個物種種群中協(xié)同抗生素滅活所顯示）,，或者是由于競爭導(dǎo)致與抗性相關(guān)的成本增加（圖2c）,，而敏感菌株的MIC沒有變化。更普遍地說,，這些結(jié)果與以前的研究結(jié)果一致,，后者表明競爭可以限制細菌的適應(yīng)性，從而支持了細菌與細菌之間的拮抗作用可能會限制群落中抗生素耐藥性演變的觀點,。群落內(nèi)部的相互作用會增加其敏感成員在抗生素暴露期間存活的可能性,，這也會改變?nèi)郝鋬?nèi)ARGs的選擇動態(tài)。當抗性菌株為群落中其他敏感菌株提供保護時，抗性MSC可能會增加（圖2d）,。這是因為敏感菌株在相對較高的抗生素濃度下將能勝過耐藥菌株,。然而，抗性的選擇動態(tài)通常取決于群落提供的保護的性質(zhì),。當通過單一抗性物種提供保護時,，例如通過抗生素滅活的暴露保護，這種抗性基因型的選擇將遵循負頻率依賴性,。當耐藥菌株少見時,，暴露防護將優(yōu)先針對耐藥基因型。隨著抗性菌株變得更加普遍,，暴露保護將與群落中較大比例的敏感成員共享,，因此抗性基因型的相對適應(yīng)性將降低。此外,，如果保護是由單個關(guān)鍵物種提供的,，則保護可能更容易受到隨機事件和保護物種的密度波動的影響。相反,，如果通過群落中存在的多種物種或群落的物理特性（例如生物膜基質(zhì)）提供保護,，則由于群落中“保護”存在相對較高的功能冗余，集體抗藥性和耐藥性可能會更穩(wěn)定,。因此,，集體抗藥性和集體耐受性的生態(tài)穩(wěn)定性可能會改變抗生素暴露的時間，從而改變選擇抗藥性的時間范圍,?？股氐氖Щ羁赡軙?dǎo)致瞬時和短暫的抗生素暴露，從而導(dǎo)致生態(tài)變化而不是進化時間尺度上的變化,，也就是說,，群落中不同物種的組成和頻率的變化類似于生態(tài)干擾的影響。相比之下,，增加抗生素耐受性的種間相互作用可能會延長亞抑制濃度下的抗生素暴露時間,，從而使新生突變積累起來，從而可以進行選擇[（與通常在種群內(nèi)常規(guī)遺傳變異上起作用的> MIC選擇相反）,，圖2e],。因此，群落可以改變抗性進化的軌跡,，允許逐步產(chǎn)生低效,、低成本的抗性突變，從而共同提供高水平的抗性（圖2f）,。在腸炎鏈球菌的抗性在亞MIC選擇過程中觀察到了相似的結(jié)果,，這導(dǎo)致了分子水平上多種不同抗性機制的改變，包括核糖體RNA靶標的改變，抗生素攝取的減少和抗生素修飾酶的誘導(dǎo),。復(fù)雜微生物群落固有的種間競爭也可以提高耐藥成本的重要性,，這可能有利于選擇低成本抗生素耐藥性突變，或者增加補償性突變克服相關(guān)耐藥性成本的可能性,。當比較浮游生物和生物膜生活方式之間的抗性進化時,，已經(jīng)觀察到了成本與抗性之間相似的權(quán)衡取舍，生物膜的成員獲得了低成本突變,，與浮游生物生長過程中獲得的抗性突變相比,，它們提供了較低的抗性水平,。此外,，最近的研究表明，在競爭者的存在下,，細菌對噬菌體的抗性進化可以從更昂貴的表面受體介導(dǎo)的抗性改變?yōu)楦阋说幕贑RISPR的抗性,。雖然抗生素和噬菌體的耐藥性不能直接比較，但兩者都是由多種不同的機制介導(dǎo)的,，成本的大小各不相同,，因此它們的進化軌跡可能會因競爭者的存在而受到類似影響。需要更多的實驗研究來更好地理解物種互作的多種方式可能影響微生物群落中抗生素抗性的進化,。
圖2 抗生素濃度對生長速率的不同影響的適應(yīng)性和選擇后果,。a “等基因”菌株純培養(yǎng)中的理論最大生長速率僅在對抗生素的抗性或敏感性上有所不同。陰影區(qū)域表示各幅圖（b–d）中抗生素濃度的范圍,，這些濃度用于探索競爭結(jié)果,，并基于這些相對增長率顯示最小選擇性濃度（MSC）。b MSC定義為耐藥菌株的生長速率超過敏感菌株的生長速率（相對適應(yīng)度> 1）的抗生素濃度,。c,，d在一個群落中，可以通過兩種基本機制來增加MSC,。一種是增加的抗藥性成本,，這可能是由于對養(yǎng)分的競爭加劇所致（c），另一種是對敏感菌株的抗生素作用降低,，這可能是由于群落保護而引起（d）,。e，f新生抵抗突變的出現(xiàn)可以通過群落保護來改變,。 e在缺乏保護性群落的情況下,，MIC上方的抗生素暴露會影響遺傳狀況，常常選擇單個高抗性,、高成本的突變,。e提供暴露防護的群落可能會將已實現(xiàn)的抗生素暴露降低至亞MIC以下水平，從而允許依次累積低成本、低抗性突變,，這些突變共同提供高水平抗性,，例如通過上位性。面板內(nèi)的字母（S,，R,，A，AB等）代表選擇性掃描期間不同突變的積累,。
盡管已知在多種微生物感染期間,，物種的病原體和體內(nèi)微生物群（例如在口腔或胃腸道中發(fā)現(xiàn)的微生物）之間的種間相互作用會改變抗生素治療的結(jié)果，但這些相互作用通常被忽略,。例如,，依靠對單一培養(yǎng)物中病原體的抗生素敏感性進行測試可能會混淆我們?yōu)榕R床干預(yù)選擇最合適的抗生素的能力，因為這些測試可能無法可靠地反映群落規(guī)模的反應(yīng),。事實上,，體外抗生素敏感性并不總是能成功治療多種微生物感染，因為疾病是由多種相互作用的病原體引起的,。實際上,，單個物種對群落內(nèi)抗生素治療的反應(yīng)可能與單獨反應(yīng)相反：敏感物種能夠生長，而耐受物種在抗生素存在下會受到抑制,。鑒于許多需要長期反復(fù)進行抗生素治療的慢性感染（例如CF肺,、泌尿道和糖尿病傷口的感染）是由微生物群落引起的，因此必須要開始考慮細菌群落的組成是如何調(diào)節(jié)疾病的嚴重程度以及抗生素治療的成功,。與培養(yǎng)無關(guān)的方法,，例如16S rRNA測序和鳥槍宏基因組學(xué)，使我們可以詳細地了解感染期間的微生物群組成,。這些方法可以追蹤CF患者隨時間,、跨感染類型以及在抗生素治療期間的群落結(jié)構(gòu)和物種豐富度，使我們了解了艱難梭菌感染期間宿主的菌群反應(yīng),，并直接鑒定了多菌性尿路,、骨骼和關(guān)節(jié)感染中的耐藥基因。隨著我們在微生物群落中鑒定和追蹤耐藥性決定因素的能力不斷提高,，使用臨床宏基因組學(xué)設(shè)計個性化藥物治療方案的前景越來越有吸引力,。盡管取得了上述進展，但在確定哪些物種在微生物群落中相互作用以及它們?nèi)绾胃淖兗膊∵M程和抗菌治療的結(jié)果方面,，我們?nèi)匀幻媾R重大挑戰(zhàn),。在大多數(shù)情況下微生物感染過程中或重要的病原體與居民共生群落之間的特定相互作用仍然未知。要將多物種的相互作用納入未來的處理設(shè)計中,，不僅需要識別存在的物種,，還需要識別它們之間的相互作用,。如何將對微生物生態(tài)學(xué)知識的了解轉(zhuǎn)化為更有效的多種微生物感染治療方法？對在微生物感染期間存在的微生物分類群以及它們之間的相互作用的詳細和個性化理解,，可能有助于產(chǎn)生新的抗生素耐藥性方法,。使抗生素失活的抗藥性機制已成為抑制性化合物的目標，例如將β-內(nèi)酰胺與β-內(nèi)酰胺酶抑制劑共同處理,，這種治療方法通常用于克服病原病原菌株中抗藥性的發(fā)展,。此外，這些干預(yù)措施可能有效地對抗了保護病原體不受治療的多物種群落其他成員的合作性抗生素滅活機制,。然而,，尚不清楚群落如何影響對酶抑制劑的抗性進化。其他合作性毒力特性（例如EPS生產(chǎn)）也容易受到干擾,；抑制腸道鏈球菌EPS產(chǎn)生并結(jié)合抗生素治療是降低集體耐受性并降低體外耐藥性進化可能性的進化上穩(wěn)健的策略,。此類針對多種微生物生物膜內(nèi)合作特性的干預(yù)措施的效力尚待研究。隨著我們對形成細菌群落內(nèi)集體耐受性的相互作用網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性更深入的了解,，可能會發(fā)現(xiàn)針對提高耐受性的相互作用破壞的更多組合方法,。
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