Ciprofloxacin

本文转自：微生物与免疫 细菌代谢与抗生素治疗之间存在复杂的双向关系。一方面，抗生素通过靶向细胞代谢发挥作用。另一方面，细菌代谢状态深刻影响抗生素生物学特性——涵盖药物疗效、抗菌素耐药性（antimicrobial resistance，AMR）演化及耐药机制。鉴于AMR对全球现有抗生素库及传染病治疗能力构成重大威胁，阐明此类关系对改善公共健康至关重要。然而，量化代谢对抗生素活性及耐药性演化的贡献仍具挑战。 一篇2025年发表于Nature Reviews Microbiology的综述系统探讨了代谢与抗生素治疗间的多维相互作用，抗生素靶向代谢的作用机制；继而聚焦代谢对抗生素生物学三大核心领域的独特影响——药物疗效、AMR进化路径及耐药分子机制，最后评述代谢在临床实践中的相关性，并展望基于代谢的个体化抗菌治疗策略。深入解析这些关联对全球科学界开发新型有效疗法、应对AMR危机具有关键意义。 Ahmad, M., Aduru, S.V., Smith, R.P. et al. The role of bacterial metabolism in antimicrobial resistance. Nat Rev Microbiol 23, 439–454 (2025). https://doi.org/10.1038/s41579-025-01155-0. 主要内容 抗生素的发现堪称现代医学最具变革性的成就之一，其应用使人类平均寿命延长逾20年。抗生素不仅彻底革新了细菌感染的治疗方式，更为复杂医疗程序（如化疗与器官移植）及常规护理（如拔牙与分娩）提供了关键感染控制保障。作为抵御常见急性感染的首道防线，抗生素可高效治愈化脓性链球菌所致咽炎、金黄色葡萄球菌引发的皮肤感染以及淋病奈瑟菌导致的性传播疾病。 抗生素的广泛使用也催生了AMR——细菌在临床抗生素浓度下仍能存活增殖的现象，导致治疗失效。临床与农业领域的抗生素滥用加剧了AMR流行，现已被全球公认为重大健康危机。随着多重耐药菌激增及有效抗生素减少，预测表明2025至2050年间全球将有超1.69亿人死于AMR相关感染。 细菌AMR主要由遗传机制驱动。通过自然遗传变异克隆扩增或移动遗传元件水平转移获得。无论获取方式如何，AMR机制通常可分为三大类：改变药物转运动力学，降低细胞内药物浓度；直接抗生素灭活，通常由酶水解介导；以及抗生素靶位点的修饰，如青霉素结合蛋白中阻止药物结合的突变。总的来说，这些机制严重威胁现有抗生素库的有效性，尤其在新药研发滞后于细菌进化速度的背景下。 细菌对抗生素的应答机制仍是核心研究领域。最新研究表明细菌代谢——涵盖所有分解与合成代谢过程（基因、通路、代谢物及互作网络）——不仅受AMR影响，更深度调控耐药性形成。作为细胞功能的核心引擎，代谢为基因表达、蛋白合成、防御机制等关键活动提供能量与资源。这种复杂性使代谢成为抗生素治疗与应答各环节的调控枢纽。 细菌代谢与抗生素治疗存在双向互作。代谢状态影响药物疗效，抗生素亦改变代谢通路。该互作揭示靶向代谢对抗AMR的巨大潜力。外源代谢物导入或特定通路上调可恢复耐药菌对抗生素的敏感性。这些发现为应对AMR提供了新视角，凸显代谢此前被低估的调控价值。 鉴于细菌代谢与抗生素应答研究的迅猛发展，本综述旨在系统阐述代谢对抗生素的多维影响机制（图1）。首先总结抗生素对代谢的重编程作用，继而探讨代谢对药物疗效、AMR进化动力学及耐药机制的反向调控，最后评述代谢在哺乳动物宿主中的临床相关性及基于代谢疗法的抗AMR潜力。本文强调深入解析代谢-抗生素互作的必要性，并为下一代个体化抗菌疗法提供理论框架。 图1. 抗生素与代谢之间的相互作用 抗生素对代谢的影响 抗生素作为靶向细菌细胞过程的小分子化合物，通过干扰生长或存活发挥抗菌作用。依据作用模式可分为杀菌剂（诱导细胞死亡）和抑菌剂（抑制细胞生长）。近期研究揭示两类药物对代谢的不同扰动机制，为阐明其作用机制提供新视角（图2）。 图2.杀菌剂和抑菌剂利用新陈代谢来发挥其功能 通常，杀菌抗生素通过抑制基本的细胞靶点诱导细胞死亡，除了一些例外情况，这些靶点通常与DNA复制（例如氟喹诺酮类）、蛋白质合成（例如氨基糖苷类）和细胞壁合成（例如β-内酰胺类、头孢菌素类）有关。在每种情况下，产生的细胞内损伤通常与药物的作用模式一致。例如，氟喹诺酮类药物抑制DNA旋转酶和拓扑异构酶IV，导致有毒的双链DNA断裂；氨基糖苷类药物靶向30S核糖体亚基，导致蛋白翻译出错和毒性应激。除直接损伤外，其诱导代谢稳态失衡是细胞死亡的第二层机制。 杀菌剂暴露会立即触发应激反应网络的上调，包括SOS和严重反应。同时因修复系统能量需求增加，导致电子传递链、TCA循环及碳氧化途径失调。与这些影响一致，在杀菌暴露后，在不同的细菌物种中观察到ATP水平、耗氧率和活性氧物种的增加。例如，暴露于氨苄青霉素的大肠杆菌的单细胞RNA测序显示出TCA循环、甘氨酸代谢和糖酵解基因表达失调的明显迹象，与群体水平的测量结果一致。同样，多项研究报告称，用一系列抗生素处理牛分枝杆菌会增加细胞内ATP水平。有趣的是，经抗生素处理后1.5小时内ATP水平可激增4-5倍。最终，这种代谢失调会导致细胞毒性，再加上最初的靶点抑制，最终导致细胞死亡。我们注意到，所描述的每个方面对细胞死亡的贡献程度在历史上一直存在争议，并且可能因条件而异。 根据代谢限制，细胞损伤通过不同的途径发生。对于革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的喹诺酮类、氨基糖苷类和β-内酰胺类治疗，有氧条件下的治疗通常与TCA循环和NADH耗竭引起的氧化损伤有关。相比之下，在厌氧条件下，相同的抗生素会促进糖酵解的增加——积累中心碳代谢物（例如葡萄糖和丙酮酸）——并产生不同的反应性代谢副产物（例如反应性亲电物种）。此外，尽管完全不同的杀菌类别最终会失调中枢代谢，但中间途径差异很大，这受到抗生素特异性作用机制的影响。例如，β-内酰胺处理诱导细胞壁合成和降解的无效循环，从而通过特定的细胞壁合成机制消耗细胞资源并增强杀伤性。此外，对于环丙沙星和氨苄西林的毒性，嘌呤生物合成需求的增加被发现是关键。庆大霉素的情况并非如此，这表明核苷酸限制可能对某些药物具有特异性，但对其他药物则没有。仍然需要更深入地了解药物特异性代谢途径及其与主要药物靶点的相互作用。 杀菌剂通过上调能量代谢相关中枢通路（如电子传递链、三羧酸循环）发挥作用，而抑菌剂则通过限制能量利用、大分子生物合成及蛋白质翻译降低代谢活性。这种生长抑制可诱导独特代谢状态。氯霉素与利奈唑胺治疗导致能量代谢物异常积累；蛋白质组学分析证实金霉素显著下调糖酵解、糖异生、丙酮酸代谢及三羧酸循环活性。值得注意的是，抑菌剂在高浓度时可呈现杀菌效应（反之亦然），此现象模糊了两类药物的功能界限。当前学界对代谢抑制是否直接引发细胞死亡，或特定条件触发“类杀菌”激活过程尚未达成共识，需深入研究以阐明其动态机制。 抗生素治疗的潜在后果是形成耐受性持留菌，这在慢性感染中很常见（框1）。传统认为持留菌随机产生或由环境压力诱导，使细菌亚群进入代谢惰性状态。其形成机制与SOS反应、严谨反应、（p）ppGpp信号传导及ATP耗竭密切相关，毒素-抗毒素系统、转运RNA甲基化修饰和蛋白质降解异常亦参与调控。抗生素治疗可通过抑制转录、翻译等关键过程增加持留菌形成频率，亚致死浓度还能激活应激反应、次级信使通路及毒力因子促进持留态转化。关于持留菌形成机制的详细讨论已在其他地方进行了综述。 总体而言，抗生素显著重塑细胞代谢状态，而这些代谢变化可反馈增强药物作用，进而差异化影响细菌生长、抗生素选择压力及长期进化适应。因此，除解析抗生素治疗后代谢改变外，亟需在药物暴露前/期间表征细胞代谢状态，以深入理解微生物存活机制及后续抗菌药物耐药性演化路径。 代谢对抗生素的影响 鉴于抗生素治疗对细菌代谢的显著影响，治疗前细胞的代谢状态亦可调控抗生素反应，甚至通过代谢途径调节药物的预期作用机制及下游代谢失调。这种互作关系在结核分枝杆菌中尤为显著——其独特的代谢特征与多样化抗生素治疗方案共同塑造了复杂的耐药表型（图3）。近年来，相关机制研究已拓展至其他病原体与环境。本文通过解析代谢对抗生素疗效、耐药性演化及耐药机制的三重影响，系统阐述代谢在细菌抗生素应答中的核心作用。 图3. 代谢调控结核分枝杆菌抗生素耐药性、耐受性与致死率的独特机制 抗生素疗效 确定代谢在抗生素致死率中的作用历来具有挑战性。由于代谢与生长密切相关，改变代谢活动的条件也会影响生长速率。此外，生长和抗生素疗效之间的关系更容易量化，因此以前一直是一个主要焦点。最常见的是，据报道，细菌生长率与杀菌抗生素的效率成正比。也就是说，杀菌抗生素通常被证明对快速增长的细菌种群最有效。然而，生长速率和代谢活动并不是普遍相关的，之前的研究经常将生长效应与代谢效应混为一谈。最近的研究发现，这种关系更加复杂。例如，细胞生长速率和细胞死亡之间的线性关系取决于环境条件，突出了这种关系的生理约束；通过改变抗生素类型、碳源和盐浓度来改变环境可以改变斜率或截距的大小。此外，充分的代谢刺激已被证明可以促进抗生素杀死不生长的持久细胞，从而表明代谢的独特作用。这些发现表明，虽然在某些条件下生长可能是抗生素疗效的指标，但代谢对抗生素疗效的独特影响值得独立研究。 增强抗生素活性 多项证据表明细胞代谢状态独立于生长速率直接调控杀菌抗生素疗效。在多种条件下，抗生素活性与代谢状态的相关性显著高于生长速率。同样，成功根除大肠杆菌和金黄色葡萄球菌已被证明需要代谢组重塑。这种代谢效应也解释了既定的抗生素剂量-反应关系。例如，接种物效应——一种众所周知的现象，描述了随着细胞密度的增加杀菌效果的降低——也基于代谢，更具体地说，是ATP浓度和密度抑制之间的权衡。鉴于已观察到不同抗生素类别和临床环境中的接种物效应，本研究凸显代谢在驱动体内抗生素应答中的核心作用。 与这些发现一致，特定代谢物刺激可药物特异性提升抗生素致死率。在某些情况下，这些效应可能部分可以通过质子动力（PMF）的代谢刺激来解释。特别是对于带正电荷的氨基糖苷类，PMF增加了细胞内药物摄取，从而提高了抗生素的致死率。例如，添加糖酵解代谢物（如葡萄糖、甘露醇和果糖）可以提高庆大霉素对耐抗生素大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的疗效。值得注意的是，这些观察结果在体内是可重复的，庆大霉素与甘露醇联合使用使导管生物膜的存活率降低了近1.5个数量级，并阻断肾脏感染扩散。虽然这些结果说明了代谢刺激在病原体治疗中的益处，但它们也强调了单独研究代谢的必要性。例如，细胞呼吸与PMF驱动的药物转运在氨基糖苷类致死率中的相对贡献仍未完全被理解。 除了增强药物摄取外，刺激代谢活动还可以通过次级代谢效应增强抗生素疗效。例如，将TCA循环中间体富马酸盐与抗生素妥布霉素结合，可杀死与囊性纤维化相关的机会致病菌铜绿假单胞菌。从机制上讲，富马酸盐通过TCA循环激活细胞呼吸并刺激质子动力。值得注意的是，即使在存在药物进口的情况下，抑制TCA循环也能恢复抗生素耐受性，这表明TCA循环活性对于代谢物补充和妥布霉素发挥作用至关重要。这些发现强调了下游代谢过程（独立于药物摄取）在驱动抗生素致死率方面的关键作用。同样，激活结核分枝杆菌的呼吸已被证明可以预防耐药性和耐药性的出现。添加小巯基使结核分枝杆菌保持活跃的代谢状态，产生“氧化爆发”，增加氧气消耗和活性氧的产生，促进细胞死亡。 降低抗生素疗效 虽然高代谢活性可以加强抗生素治疗，但低代谢活性可以防止抗生素暴露。在许多病原体和环境中都观察到了这些保护作用，并且可以通过多种机制发生。例如，富马酸通过激活TCA循环提高了铜绿假单胞菌的氨基糖苷类疗效，而代谢产物乙醛酸则诱导了抗生素耐受。保护作用归因于乙酰辅酶A通过乙醛酸分流器的转移抑制了细胞呼吸。同样，结核分枝杆菌的抗生素耐受是通过抑制TCA循环代谢来介导的。此外，蛋白质组学分析证实溶藻弧菌的中心碳代谢抑制可增强左氧氟沙星耐受性。 低代谢状态可能是对环境刺激的反应，如营养剥夺，这会降低抗生素的疗效。例如，限制特定氨基酸通过下调能量产生、戊糖磷酸和核苷酸代谢来保护鲑鱼免受氨苄青霉素的侵害，而不影响生长速度或抗性基因表达。这些影响在生物膜中进一步加剧，细菌存在于各种异质的代谢休眠状态中（图4）。在生物膜内，细菌的抗生素耐受性比治疗所需的浓度高出数百到数千倍。虽然生物膜结构本身可以防止抗生素渗透，但营养限制导致的有氧代谢减少主要有助于抗生素耐受性。营养恢复可以逆转这种效应，使生物膜细胞对抗生素敏感。 图4. 生物膜的独特性质通过改变新陈代谢赋予抗生素耐药性 群体行为相关表型亦与独特代谢状态关联。例如，铜绿假单胞菌等群集细菌表现出暂时的耐受性，而cbrA等代谢基因与毒力和抗性表型有关。细菌群体运动会带来高代谢负担，导致与抗生素疗效相关的通路整体下调，包括糖酵解和丙酮酸异化、TCA循环和氨基酸生物合成。这些发现强调，在一些复杂的环境中，代谢和AMR之间的复杂相互作用尚未完全阐明。 耐受性也与密度依赖信号有关，如群体感应（quorum sensing，QS）。QS允许细菌采取合作状态，并影响生物膜形成、毒力因子合成和群集。QS还通过下调葡萄糖摄取、戊糖磷酸通路和从头核苷酸生物合成来调节中枢代谢。这引发了类似的问题，即代谢对耐药性和分组细菌状态的影响范围。这些复杂互作机制亟待深入解析，尤其需阐明代谢在多通路调控耐药性中的核心作用。 新型抗菌药物耐药性的演变 抗生素暴露后，代谢通过直接与间接途径驱动AMR演化。杀菌抗生素通过刺激氧化应激、激活SOS反应及DNA修复机制显著提高突变率，增加耐药突变产生概率。例如氨苄西林、环丙沙星或卡那霉素（而非抗菌肽）处理使突变率提升3-4倍，SOS介导的突变对铜绿假单胞菌和结核分枝杆菌临床株及生物膜中的AMR发展至关重要。 除了新发突变，AMR还通过水平基因转移（horizontal gene transfer，HGT）演化，其中接合性质粒转移（细胞直接接触传递）通过接合、转化和转导发生，是耐药性传播的核心机制。质粒编码自我复制及多重AMR基因，即使无抗生素选择压力仍可维持耐药性。生物膜环境显著促进接合作用，加速抗性基因扩散。 结合效率（动力学转移速率）受细胞代谢状态的影响，因为结合是能量密集型的（图5）。高碳浓度和活跃的生理状态可以大幅提升质粒转移动力学速率。转移后，与质粒再循环和宿主建立相关的能量需求带来了短暂的代谢成本，称为质粒获取成本，这在代谢效率高的细胞中更高，可能是由于能量限制。重要的是，这些成本与没有质粒的生长速度无关。因此，与生长分开，代谢会影响抗生素耐药性侵入新环境的程度。质粒对宿主施加了长期的能量需求（维护、拷贝数等）。这种适应成本主要来自与蛋白质产量增加相关的代谢负担，并限制了质粒传播的范围和轨迹。这些短暂的（获取）和长期的（适应）成本都会导致微生物群落的潜在竞争优势或劣势，从而导致进化结果。 图5. 代谢通过接合作用促进抗微生物耐药性的进化 除了结合，代谢也可能影响其他HGT模式。例如，调节新陈代谢的QS也调节细菌的能力。通过这种方式，代谢可能与为细菌提供修复受损基因或获得新的有利特征的机制有关。同样，转导取决于细菌的生长；这引发了关于不同细菌代谢状态如何影响转导噬菌体感染细菌的能力的问题。此外，代谢状态也可以作为药物耐受和遗传耐药性之间的表型桥梁。休眠通常与抗生素耐受状态有关，已被证明会促进随后的真正耐药性，并先于耐药性演变。此外，延长生存期也可能有利于随后的基因转移事件，尽管其直接联系仍有待观察。 耐药性随机性使代谢失调与AMR的因果关联研究面临挑战。尽管如此，越来越多的证据突显了代谢在塑造AMR进化中的作用。例如，可转移质粒上代谢基因的存在被证明可以防止抗生素治疗，拓宽了直接抗生素选择下的质粒和代谢基因可能赋予AMR的背景。这是通过调节质粒相关的代谢作用还是直接通过基因功能本身发生的，还有待观察。此外，碳和能量代谢被发现可以在两种不同的营养条件下限制AMR对三种作用机制不同的抗生素的进化。对190个进化种群中代谢物的综合分析表明，碳和能量代谢在获取速度和模式方面都强烈限制了抗生素耐药性的进化。未来需深入解析特定代谢通路在AMR大背景下的调控网络。 一级和二级抗菌药物耐药机制 众所周知，抗生素通过选择耐药菌株在致死浓度下存活，经典机制包括靶点修饰、药物灭活及转运改变。近年研究表明代谢在AMR中发挥双重作用：既可直接作为耐药决定因素被抗生素选择，亦可通过代谢效应补充或放大经典耐药机制（图6）。 图6. 抗菌药物耐药性的经典和代谢调控机制 核心代谢基因突变或表达水平改变可导致体外AMR。在某些情况下，耐药性发生的机制是明确的，因为受影响的代谢基因与特定的药物类型直接相关。例如，由于甲氧苄啶和磺胺甲恶唑（trimethoprim and sulfamethoxazole，TMP-SMX）共同抑制叶酸的合成，叶酸是核苷酸生产的关键前体，对这种常见药物组合的耐药性直接影响菌株的代谢。这种阻力可能以多种方式出现。例如，在金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌和流感嗜血杆菌中，编码二氢叶酸还原酶的dhfr基因突变可导致甲氧苄啶耐药性。令人担忧的是，最常见的dhfr变体允许药物浓度比抑制易感分离株所需的浓度高1000倍。TMP-SMX耐药性也可能通过过量产生二氢叶酸还原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）或二氢蝶酸合酶（dihydropteroic acid synthase，DHPS）的酶促药物靶点而发生。此类“代谢旁路”经DNA启动子突变激活，有效抵消药物对叶酸合成的抑制。 尽管细菌代谢的主要作用直接干扰药物与靶点的相互作用，但其次要作用也可以防止抗生素治疗，尽管是间接的。由于不同抗生素的作用往往集中在共同的下游代谢通路上，部分代谢机制可提供广谱保护。例如，与中心碳和能量代谢相关的基因与大肠杆菌对三种杀菌抗生素的耐药性有关。事实上，这些基因的过表达增加了耐药性，突变本身在致病基因组中非常普遍，突显了它们的临床相关性。其他与药物无关的方法也得出了类似的结论。例如，沙门氏菌基因组的高度准确的耐药性预测确定了几个以前未被重视的代谢基因在耐药性中的潜在作用，包括那些参与氧化应激和电子转运的基因。同样，葡萄糖利用特异的代谢抗性赋予对羧苄青霉素与环丙沙星的交叉耐药。 除了代谢特异性变化外，经典AMR机制亦可改变细胞代谢状态，此类代谢变化被视为耐药的次要后果，但其在AMR表型中的直接贡献尚未明确。例如调控元件CbrAB/envZ-ompR突变通过下调孔蛋白表达减少抗生素摄取，导致多粘菌素B、环丙沙星等药物疗效降低。孔蛋白表达改变同时影响氨基酸、糖及离子运输，但药物摄取对营养动力学的具体作用仍有待验证。某些耐药机制存在意外代谢权衡：利福平耐药基因rpoB突变在赋予耐药性的同时促进β-葡萄糖苷利用。综上，代谢在AMR中的完整作用仍与经典机制混为一谈。 尽管已经确定了AMR的一些有趣的代谢机制，但这些关系充满了未解之谜；众所周知，代谢网络是复杂的、冗余的和补偿性的。因此，简化模型（如“低呼吸/代谢活性赋予保护”）难以全面解释耐药产生。该概括未涵盖所有细菌反应，例如大肠杆菌、铜绿假单胞菌等群体中生长较快菌株反而受大环内酯类保护（无基因突变参与）。这些矛盾凸显基础认知与方法学局限——传统技术（如波动分析）无法同步捕捉抗生素诱导突变、耐药进化及群体行为等多维动态。突破此瓶颈需发展新一代研究方法以揭示代谢-AMR的深层互作网络。这些缺点表明，在未来几十年里，仍有许多方法论工作要做。 哺乳动物宿主的临床后果 考虑到宿主环境，抗生素疗效和细菌对抗生素治疗的反应似乎越来越复杂。作者希望读者阅读其他更详细地描述体内病理的文章，但请注意，由于不同的代谢宿主组织环境，细菌代谢可能会发生显著变化。例如，脓肿通常是缺氧和营养有限的；这可能会迫使细菌采取厌氧呼吸或发酵途径，降低对需氧摄取的氨基糖苷类药物敏感性。同样，在由大肠杆菌等病原体引起的尿路感染中，不同pH值的尿液中尿素和其他氮源的可用性可以促进代谢适应。这些变化对靶向叶酸合成途径的TMP-SMX等抗生素的疗效具有潜在影响。相比之下，囊性纤维化患者肺部富含黏蛋白的环境为铜绿假单胞菌提供独特碳源，诱发代谢转换并促进抗生素耐受。这些部位特异性代谢适应强调需结合病原体与宿主代谢状态设计治疗方案，因感染灶的代谢与空间异质性可显著改变药物效应。与这些发现一致，3500余株临床大肠埃希菌病原体的代谢基因突变谱揭示广阔的进化空间。全基因组CRISPR干扰筛选、转录组学与代谢组学联合分析表明，呼吸链、核糖体生物合成及核苷酸/氨基酸代谢通路构成异烟肼耐药结核分枝杆菌205菌株的药物脆弱性靶点。解析特定环境相关突变及其获益机制仍是活跃研究领域。 除了当地宿主环境的代谢特征外，与驻留微生物群的相互作用还增加了另一层复杂性，因为这些微生物群落积极影响细菌行为、抗生素浓度和生物化学特性。例如，肠道微生物群起着至关重要的作用，如碳水化合物发酵、维生素合成、免疫调节和生物活性代谢物的产生。这些微生物活动直接影响药物代谢，改变抗生素的有效性和毒性。已知几种抗生素会被肠道微生物群共同代谢，包括甲硝唑和氯霉素。重要的是，个体之间肠道微生物群组成的变异性导致了对相同抗生素治疗的不同反应，突显了个性化医疗的主要挑战。例如，肠道中胆汁酸浓度的变化会改变环丙沙星和美罗培南对大肠杆菌的疗效，并促进铜绿假单胞菌生物膜的形成。因此，阐明体内代谢因素对抗生素治疗、应答及后续进化的影响，是开发适配个体代谢-微生物特征疗法的关键。 未来展望 代谢深度参与细菌对抗生素应答的全过程，在开发新型抗生素及治疗策略时必须纳入考量。尽管代谢与抗生素治疗存在内在双向互作，当前研究主要聚焦抗生素对代谢的影响，而代谢如何调控药效、耐药演化及分子机制仍需系统阐释。深入解析复杂环境中的代谢网络将助力发现抗AMR新策略。生物膜中营养限制通过SOS/严谨反应增强耐受性，而营养补充可逆转此效应（小鼠模型已验证）；高密度环境下，葡萄糖刺激呼吸活动可克服大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌及耻垢分枝杆菌对环丙沙星的密度依赖性耐受。 在更大的相互作用网络和环境背景下更深入地了解这些关系，将有助于发现对抗AMR和/或最大限度地提高抗生素效用的新策略。就生物膜而言，对代谢作用的更深入理解提供了新的治疗前景。例如，研究表明，生物膜中的营养限制通过SOS或严格反应增加了对抗生素的耐受性。这些研究表明，通过营养补充促进代谢活动可能会限制耐受性和抗性，正如在小鼠模型中已经看到的那样。在历史上难以治疗的高密度环境下，葡萄糖刺激呼吸活动可克服大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌及耻垢分枝杆菌对环丙沙星的密度依赖性耐受。 采用新策略上调特定代谢通路是对抗抗生素耐药性和AMR的另一种有前景的方法。例如，利用氨基酸、TCA循环中间体和核苷酸等代谢产物可以恢复抗生素的致死性。其他药物也可能被设计为模拟抗生素活性并上调细菌代谢。例如，正在探索各种纳米粒子结构产生活性氧物种和氧化应激的能力。 除了用佐剂补充抗生素外，独立利用代谢也可以作为一种抗菌策略。例如，合成工程铁螯合剂已被用于降低铁的生物利用度，导致生长抑制。使用这种创新设计的化合物的初步结果对金黄色葡萄球菌和鲍曼不动杆菌等生物体产生了中等至有前景的抗菌活性。其他利用铁代谢的策略包括使用镓等竞争金属来限制铁的吸收。镓化合物已被证明对与囊性纤维化、肺炎、慢性阻塞性肺病和一般伤口愈合相关的多药耐药性和机会性病原体有效。有趣的是，这些发现已经在许多环境中观察到，包括体外模型、体内小鼠模型、临床分离株和人类临床试验。尽管人们仍然担心这些药物的毒性作用，但其中一些化合物和类似化合物正在临床开发中。 代谢干预效果具有情境依赖性。AMR演化及逆转不仅取决于当前代谢状态，更受历史选择压力影响。耐药菌株仅在原始进化环境或相似条件下维持耐药表型，而改变营养源恢复原始代谢效率可使其复敏。这表明有效代谢疗法需高度菌株特异性。长远看，环境与系统发育特征将决定代谢策略的普适性。 除了菌株特异性外，利用宿主代谢为个性化抗生素治疗提供了一个尚未开发的机会，有可能更精确地改善治疗结果。目前的体外抗生素敏感性测试往往无法完全符合体内临床有效性，这突显了治疗传染病的一刀切模式忽视了关键的宿主-病原体、药代动力学和药效学因素。由不同感染部位和人与人之间的差异引起的代谢特异性因素可能会进一步导致这些差异。然而，这些因素在临床实践中仍未得到充分探索。此外，特定的微生物组环境可以调节抗生素活性和病原体行为。事实上，研究强调，肠道微生物组可以作为一个库，用于识别针对独特代谢环境量身定制的新的病原体特异性疗法。例如，抗生素、细菌素和微霉素等微生物组衍生药物有望成为精确的抗菌药物。特别是细菌素，在临床前模型中取得了成功；他们治疗了246只小鼠的铜绿假单胞菌肺部感染和248只牛和哺乳期妇女的乳腺炎。弥合基础研究和个性化医疗之间的差距需要明确的研究，将宿主介导和微生物组介导的代谢效应与观察到的临床差异联系起来。 代谢在细菌对抗生素的反应中的复杂作用仍然不完全清楚，部分原因是缺乏优化的工具，无法将代谢效应与生长特异性或药物特异性的代谢效应区分开来。因此，必须设计分离代谢效应的方法。例如，代谢在典型外排AMR机制中的作用应从代谢物特异性和药物特异性转运蛋白中提取出来。此外，未来的技术，包括模拟和信息方法，在揭示新陈代谢的生长无关效应方面将非常有用。这些方法通常比物理量化方法更可行，包括基于通量的分析和动态全基因组建模，以及粗粒度方法。至关重要的是，生态进化模型将评估新策略的潜在演化后果，依托全基因组测序、质谱与预测建模整合多维数据。 对抗AMR本质上是复杂的，需要病原体-环境-临床背景的特异性方案。构建综合代谢框架可推动传染病个性化治疗。患者生化特征、感染部位微环境及局部因素共同塑造体内代谢限制。深化代谢-AMR互作研究对开发下一代疗法、对提升全球AMR应对能力具有核心价值。 关于细菌耐药机制研究，现在细菌单细胞转录组测序技术是一种有效的技术手段，该技术能够解析单个细菌细胞的基因表达异质性，例如，在环境压力（如抗生素暴露）下，细菌种群中可能存在功能迥异的亚群：部分细胞激活耐药基因通路，而其他细胞则进入休眠状态。单细胞转录组分析可精准捕捉这些细微差异，帮助阐明细胞命运决定的分子机制。 排版：阅航生物