Science：開啟攻擊細菌性疾病的大門

日期：2012-07-16 09:50:34

來自加州大學伯克利分校的研究人員開發(fā)了一種靈敏的新成像技術揭示了生物膜（biofilms）結構的一些細節(jié)，從而打開了攻擊如霍亂、囊性纖維化患者肺臟感染以及甚至慢性鼻竇炎等因形成生物膜而產生抗生素耐藥性的大量細菌性疾病的大門。相關論文發(fā)布在7月13日的《科學》（Science）雜志上。

上接：華裔諾獎得主朱棣文Science發(fā)布細菌研究新成果

細菌并非獨來獨往

Berk說人們對于細菌的普遍看法認為它們是自由生存的生物體，抗生素極易控制它們。然而現(xiàn)在科學家們意識到細菌是在群落或生物膜中度過大部分的生活，甚至在人體內。單一的細菌有可能對抗生素敏感，生物膜的抗藥性要強1000倍，大部分只能采用手術切除、

如心臟起搏器、支架以及人工關節(jié)等移植物，偶爾會被形成生物膜的細菌感染。這些生物膜位點周期性脫落細菌，Berk將它們稱之為冒險者會激發(fā)急性感染和發(fā)燒。雖然抗生素可以清除這些自由游動的細菌，暫時壓制感染，生物膜仍然未受到損害。唯一的解決辦法就是移除細胞膜覆蓋的裝置，用新的消毒的移植物取而代之。

鼻竇中持久的細菌生物膜可以激發(fā)免疫反應導致慢性鼻竇感染，表現(xiàn)為發(fā)燒、感冒樣癥狀。到目前為止，最有效的治療就是手術切除感染組織。

細菌還可以在囊性纖維化患者充滿粘液的肺臟中形成持久的，大部分是終身的生物膜，是導致早期死亡的慢性肺部感染的重要原因。盡管長期的抗生素治療有幫助，但它們不能完全根除感染。

為了研究霍亂菌形成的生物膜，Berk在朱棣文的前博士后學生、現(xiàn)為哈佛大學教授莊小威（Xiaowei Zhuang）2007年的一項設計的基礎上，在加州大學伯克利分校的地下室中構造出了他自己的超分辨率顯微鏡。為了在這些細胞分裂形成“城堡‘過程中確實地觀察它們，Berk設計了一種稱為連續(xù)免疫染色的新技術，使得他能夠借助4種單獨的熒光染料追蹤4個目標分子。

他發(fā)現(xiàn)在一段大約6個小時的時間內，單個細菌鋪設了一種蛋白質膠讓自身附著到了表面，隨后它們分裂形成子細胞，同時分泌蛋白質使得子細胞彼此粘結。子細胞繼續(xù)分裂至它們形成群落，就像一個磚頭和灰泥構成的建筑物，此時細菌分泌一種蛋白質與糖分子一起就像一座建筑物的外殼一樣包裹著群落。

Berk說這些群落被微通道隔開確保營養(yǎng)物和廢物進出。

Berk說：“如果我們能夠找到一種藥物除去這種膠水蛋白，我們就能夠整個移除這一建筑物。或是如果我們能夠除去粘結蛋白，我們就可以瓦解一切，使建筑物倒塌，為抗生素提供通道。在未來這些可能是位點特異性的抗生素藥的靶點。”

超分辨率顯微鏡：用光作畫

Berk是一位在物理和光學方面接受過培訓的生物學家，擅長對蛋白質結構成像：幾年前一個研究小組確定了核糖體的原子級結構，他是其中的成員。

他認為功能強大的新型超分辨率光學顯微鏡能夠揭示生物膜的未知結構。相比于標準光學顯微鏡，超分辨率顯微鏡的分辨率要高10倍，為20個納米，通過采用可切換照片熒光探針一次加亮圖像的一部分，將成千上萬的圖像編譯為單個快照。這一過程很像是用光畫畫，將手電筒光束照在黑幕上，將相機的快門打開。每張快照可能需要幾分鐘的時間來編譯，但對于緩慢的細胞生長，這足以快到捕獲靜態(tài)影像。

問題在于如何用熒光染料標記細胞以連續(xù)監(jiān)控它們的生長和分裂。通常，生物學家們將一抗附著到細胞上，然后用附著熒光染料的二抗浸沒細胞結合一抗。之后再沖去多余的染料，照射染色細胞并拍下熒光圖像。

Berk認為精密平衡濃度的熒光染色（低至足以防止背景，高至可有效染色）也能發(fā)揮作用，從而不需要因為擔心背景發(fā)光而沖洗多余的染料。

Berk 說：“經典的方法是首先染色，然后脫色，在拍攝單幅快照。我們發(fā)現(xiàn)了一種途徑在成像時可在溶液中完成染色并保留所有的熒光探針，因此我們連續(xù)地監(jiān)控了一切，從單個細胞一路到成熟的生物膜。不只是一張快照，我們正在記錄整個影像。”

他說：“這是一個非常簡單、很酷的想法，所有人都認為它很瘋狂。是的，它是瘋狂，但它發(fā)揮了作用。”