慢性呼吸道感染主要病原菌种间进化性稳态的形成机制研究

Bacterial respiratory tract infection is a common clinical disease, and clinical evidences have shown that the majority of the chronic respiratory infection lesions are polybacterial. However, the strategy pattern of polybacterial co-colonization in the development of chronic respiratory infection still remains elusive. Our previous study had preliminary investigated the interrelations among the three main pathogens (Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumonia and Staphylococcus aureus) of chronic respiratory infection, and confirmed that they are able to reach a relative stable equilibrium when co-culturing in vitro and co-infecting in the lung of mouse model for a long time. In this project, we will focus on the phenomenon of polybacterial equilibrium during evolution to reveal the underlying molecular mechanism of equilibrium formation, and to obtain the natural antagonist with anti-equilibrium formation activity on the basis of key regulatory gene and substrates. The successful implementation of this project will expand the application of Sociomicrobiology on the mechanistic study of host-pathogens interaction, enrich our knowledge on the biological process of chronic bacterial respiratory infection, and have important clinical significance for the development of new therapeutic strategies against chronic respiratory infection.

细菌性呼吸道感染是临床常见疾病，临床证据表明绝大多数慢性呼吸道感染病灶中同时存在多种病原菌。然而，不同病原菌种群之间通过何种策略实现在慢性呼吸道感染过程中的和平共存仍处于未知。本课题组前期研究已初步探明了慢性呼吸道感染主要病原菌铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌之间的相互关系，并证明了这三种病原菌在体外共进化和体内共感染的过程中都可以形成种间稳态。本项目拟以该种间稳态现象为核心，揭示这三种病原菌在种间稳态形成过程中的策略选取模式及其分子机理，并以稳态形成关键调控基因为靶点，以关键物质为结构基础，筛选获得具有抗稳态形成功能的天然拮抗剂。本项目的顺利实施将有助于拓展社会微生物学在宿主－病原菌互作机制研究上的应用，加深我们对细菌性慢性呼吸道感染形成的生物学过程的了解，而且对发展新的慢性呼吸道感染治疗策略和方法具有重要的临床意义。

细菌性呼吸道感染是临床常见疾病，临床证据表明绝大多数慢性呼吸道感染病灶中同时存在多种病原菌。然而，不同病原菌种群之间通过何种策略实现在慢性呼吸道感染过程中的和平共存仍处于未知。本项目基于前期已有研究结果，进一步研究了慢性呼吸道感染常见病原菌铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌之间具体的种间互作关系，成功构建了可靠的多病原菌体外/体内共进化稳态模型，阐明了多病原菌种间进化性稳态机制，锁定了稳态形成关键调控基因，最后验证了以种间稳态关键基因为靶点进行新型抗生素替代药物研发的可行性。本项目研究发现铜绿假单胞菌与肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌相比具有较强的竞争优势，金黄色葡萄球菌最弱，但在体外和小鼠肺脏共进化过程中这三种病原菌的竞争性生存模式在进化中会被逆转，形成种群稳态，并且证实了这种稳态在多病原菌种群中的普遍存在性。比较转录组分析、细菌基因型和表型鉴定共同表明进化过程中作为优势菌种的铜绿假单胞菌群体感应系统的调控会逐渐弱化，从而给予弱势病原菌以生存空间。金黄色葡萄球菌的存在对铜绿假单胞菌的表达谱几乎不会产生任何影响，而肺炎克雷伯菌的出现则会显著影响铜绿假单胞杆菌的胞内代谢和膜转运系统等。铜绿假单胞菌鞭毛控制的菌体运动和H1-T6SS介导的铜绿假单胞杆菌对肺炎克雷伯菌的致死作用在进化过程中两种病原菌的种间稳态起着决定性作用，并且这两种病原菌的种间共存机制符合典型的“鹰鸽”博弈模型。课题组进一步以多病原菌种间稳态形成关健调控基因为靶点，以信号分子为母核结构，成功获得一类兼具高效抗菌、抗稳态的小分子药物。本项目研究成果弥补了国内外对慢性感染多病原菌种间关系及机制研究的空白，进一步丰富了社会微生物学在宿主-病原菌互作机制研究上的内涵，加深了学界对细菌性慢性呼吸道感染形成的生物学过程的了解，而且对发展新的慢性呼吸道感染治疗策略和方法具有重要的学术和应用价值。