抗菌素耐藥性(AMR)是公共衛生的主要威脅之一，最近的一項研究估計，2019年全球有近500萬人死亡與AMR有關。此外，在病原微生物大流行的背景下，應對抗生素耐藥性仍然是世界衛生組織(世衛組織)的一項高度優先事項。醫學界高度關注抗生素濫用風險的增加，以及世界各國政府對這一重大公共衛生問題關注的減少。在這種情況下，噬菌體治療比以往任何時候都更重獲科學和醫學的興趣。

噬菌體是對抗耐抗生素細菌的有前途的工具，目前，噬菌體治療基本上是與抗生素聯合進行的。噬菌體-抗生素協同作用(PAS)，表明抗生素誘導的細菌生理變化改變了噬菌體繁殖的動力學。采用單噬菌體和單細胞技術，研究了在頭孢他啶、頭孢氨芐和環丙沙星三種誘導菌絲形成的抗生素處理的大腸桿菌培養物中噬菌體HK620的每一步裂解周期。熒光顯微鏡和Apogeeflow流式細胞術技術證明，抗生物誘導的細絲由于其表面積增大而容易成為噬菌體的目標。與常規大小的細菌相比，絲狀細胞的吸附、感染和裂解更易發生。

為了確定哪些亞群在感染后被有效裂解，在單輪噬菌體感染后進行了Apogee納米流式細胞術分析。對未經處理的大腸桿菌TD2158培養物進行分析，并用于創建包含90%種群的gate (圖8A)。經亞致死量抗生素處理后，出現絲狀亞群，分別占頭孢氨芐和環丙沙星處理培養菌總數的43%和51%(圖8B和8C)。然后在固定和流式細胞術分析之前，將相同的抗生素處理培養物進行單輪噬菌體裂解。細胞圖顯示抗生素治療后出現的絲狀亞群明顯減少(圖8D和8E)。使用快速殺傷噬菌體T7進行了類似的實驗，本研究可以在裂解曲線中觀察到類似的趨勢，表明這種效果并不局限于噬菌體HK620。這些結果明確表明，較長的細胞在感染過程中優先被裂解。

圖8

圖8所示。接受或未接受噬菌體和抗生素治療的大腸桿菌群體的細胞圖。(a,b,c,d,e)存在或不存在頭孢氨芐或環丙沙星的情況下，被噬菌體HK620感染的大腸桿菌TD2158。(a)指數生長2h后，抗生素治療前。(b,c)在半數MIC濃度的頭孢氨芐或環丙沙星存在下，指數增長2小時后。(d,e) MOI = 0.5時HK620裂解一輪后。紅色的百分比表示門內的總體(紅色橢圓)。(f,g,h)存在或不存在環丙沙星時被噬菌體T7感染的大腸桿菌MG1655。(f)大腸桿菌MG1655培養2小時后的細胞圖。(g)同樣的菌株在環丙沙星存在的一半MIC下。(h)經環丙沙星處理的大腸桿菌MG1655在噬菌體T7感染后25分鐘(約一輪溶解)，MOI ~ 1。

本研究對抗生素對細菌細胞形態和生理的影響及其對噬菌體動力學的影響的機制描述，為噬菌體和抗生素聯合治療的效果提供了更深入的理解。聯合治療可提供兩種不同的有益效果(圖11)。首先，數量統計學效應，其中組合減少了細菌種群的生物量(經典的PAS效應)。第二，一種進化效應，即組合減少了細菌種群中突變的出現。

圖11.噬菌體HK620增強環丙沙星殺傷細菌的模型。

 
結論

本研究開發了單細胞和單噬菌體方法來監測噬菌體感染的關鍵步驟，使用幾種實驗性噬菌體模型，如溫和噬菌體HK620及其天然宿主大腸桿菌TD2158 PL4或感染大腸桿菌MG1655的強毒噬菌體T4, T5和T5。研究表明誘導成絲的細菌在液體和固體培養中都促進了噬菌體殺傷的增加。通過建立數學模型來研究亞致死劑量抗生素對噬菌體-細菌動力學的影響。這一理論框架預測了抗生素和噬菌體對細菌種群增長和抗生素耐藥性上升的協同作用。這種理論與實驗相結合的方法闡明了導致PAS的潛在過程，并表明噬菌體和抗生素的結合在降低抗生素耐藥性突變的流入方面可能具有附加價值。
 
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