研究简介
本研究发宿主在感染期间常见的禁食行为，可通过诱导产生酮体，直接增强抗生素对革兰氏阴性菌的杀伤效力，为抗感染治疗提供了新的代谢干预策略。感染常伴随食欲减退，此适应性反应可调节宿主代谢与免疫，但其对抗生素疗效的影响未知。本研究以鼠伤寒沙门氏菌、肺炎克雷伯菌及阴沟肠杆菌所致败血症小鼠为模型，发现短期禁食能显著提升多种抗生素的疗效，表现为细菌负荷大幅降低、宿主炎症反应改善及生存期延长。机制上，禁食的增效作用并非通过改变宿主免疫力或大幅提升抗生素血药浓度实现，而是由其触发的酮症生成所介导。
本研究揭示了宿主在感染期间自发产生的禁食行为，可通过一种意想不到的机制——产生酮体，来直接增强抗生素对病原菌的清除效果。研究人员发现，在鼠伤寒沙门氏菌等革兰氏阴性菌引起的小鼠败血症模型中，短期禁食能显著提升抗生素疗效，大幅降低细菌负荷并延长宿主生存。这一益处并非通过改变免疫系统实现，而是源于禁食触发的酮症生成。研究人员进一步实验锁定酮体乙酰乙酸为关键效应分子，它可直接作用于细菌，通过增加其外膜与内膜的通透性来促进抗生素摄入。深入的机制研究表明，AcAc的核心作用在于严重扰乱了细菌的氨基酸代谢，特别是耗竭了带正电荷的氨基酸及其衍生物腐胺。腐胺的缺失引发连锁反应：破坏细胞膜稳定性、刺激异常呼吸并削弱抗氧化防御，最终使细菌在抗生素面前更脆弱，更易被活性氧介导的致死途径杀死。本研究首次系统阐明了“宿主行为（禁食）-代谢产物（酮体）-病原体代谢脆弱性”这一完整通路，提出了将酮体或其诱导方式作为抗生素佐剂的创新治疗策略，为应对耐药菌感染提供了全新的思路。
Bioscreen 全自动生长曲线分析仪的应用
芬兰Bioscreen全自动生长曲线分析仪用于精确测量细菌在不同单一碳源条件下的生长曲线，其核心作用是辨析酮体（乙酰乙酸AcAc和β-羟基丁酸bOHB）对细菌作用的本质。研究人员利用该设备的高通量、自动化培养与光密度监测功能，系统评估了鼠伤寒沙门氏菌、肺炎克雷伯菌和阴沟肠杆菌能否以AcAc、bOHB或丁酸盐作为唯一碳源进行生长，并以棕榈酸和硬脂酸作为阳性对照。生长曲线数据清晰显示：鼠伤寒沙门氏菌无法利用AcAc或bOHB生长，而肺炎克雷伯菌和阴沟肠杆菌则可以。
实验结果
研究发现短期禁食能通过诱导宿主酮症生成，显著增强抗生素对多种革兰氏阴性菌（如鼠伤寒沙门氏菌、肺炎克雷伯菌、阴沟肠杆菌）所致败血症的治疗效果，提升细菌清除率并改善宿主生存。其核心机制在于，禁食产生的酮体乙酰乙酸可直接作用于病原菌，通过增加细菌外膜与内膜的通透性以促进抗生素摄入，并通过耗竭细菌内的带正电荷氨基酸及其衍生物腐胺，破坏细胞膜稳定性、干扰能量代谢并加剧氧化应激，从而使细菌对抗生素介导的致死作用更为敏感。该研究揭示了一种前所未有的“宿主代谢-病原体代谢”交互机制，并提出了将酮体或其诱导策略作为抗生素佐剂的潜在治疗新途径，为应对细菌感染及耐药性问题提供了创新的代谢干预思路。
图1 、禁食增强抗生素对小鼠脓毒症的治疗效果。(A)用于评估进食条件对抗生素疗效影响的实验流程。小鼠感染鼠伤寒沙门氏菌、肺炎克雷伯菌和阴沟肠杆菌，并按照方法细节所述接受抗生素处理。CFU，菌落形成单位。(B和C)自由进食与禁食的鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠的细菌载量(B)和生存率(C)。每组5–15只小鼠。(D)不同禁食方案与热量限制(CR)的示意图。(E)不同进食方案小鼠的鼠伤寒沙门氏菌载量。每组6–10只小鼠。方案2–4与单一自由进食对照组实验同步进行。(F和G)自由进食与禁食的阴沟肠杆菌感染小鼠的细菌载量(F)和生存率(G)。每组6–14只小鼠。(H和I)自由进食与禁食的肺炎克雷伯菌感染小鼠的细菌载量(H)和生存率(I)。每组6–14只小鼠。所有数据以平均值±标准误表示。
图2 、禁食联合抗生素抑制炎症反应并激活适应性免疫。(A–D)自由进食与禁食的鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠血清、脾脏、肝脏中的细胞因子水平。每组5只小鼠。(E)脾细胞中差异表达基因的无监督层次聚类热图。对对数转换的表达值进行Z分数归一化。每组5只小鼠。(F)自由进食+氧氟沙星组与禁食+氧氟沙星组鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠脾细胞差异表达基因的基因本体论(GO)术语。(G)所示GO术语相关差异表达基因的热图。
图3、 禁食诱导的酮体生成增强抗生素疗效。(A和B)自由进食感染组与禁食感染组鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠脾细胞(A)和肝脏(B)中差异检测代谢物的热图。每组5只小鼠。(C)肝脏与肝外器官中酮体代谢的示意图。(D)自由进食与禁食的鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠血清酮体浓度的时间变化曲线。每组4只小鼠。(E)自由进食与禁食的鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠器官酮体浓度。每组5–10只小鼠。(F)自由进食与禁食的野生型及Hmgcs2+/-鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠血清酮体浓度。每组4–6只小鼠。(G)氧氟沙星处理后，禁食的野生型及Hmgcs2-/-鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠的细菌载量。每组6只小鼠。(H)氧氟沙星联合β-羟丁酸(1克/千克)处理后，禁食的Hmgcs2+/-鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠的细菌载量。每组6只小鼠。(I)氟喹诺酮类抗生素联合乙酰乙酸/β-羟丁酸(1克/千克)处理后，自由进食感染小鼠的细菌载量。每组10–18只小鼠。(J)自由进食的鼠伤寒沙门氏菌感染小鼠腹腔注射1克/千克β-羟丁酸联合氧氟沙星后，血清酮体的动态变化时间曲线。
图4、 乙酰乙酸提升细菌膜通透性与抗生素致死效应。(A)针对鼠伤寒沙门氏菌、阴沟肠杆菌、肺炎克雷伯菌的棋盘法肉汤微量稀释实验。(B)乙酰乙酸或β-羟丁酸处理1小时的鼠伤寒沙门氏菌中ompD与ompF的表达水平。(C)乙酰乙酸或β-羟丁酸处理1小时的鼠伤寒沙门氏菌对N-苯基-1-萘胺(NPN)的摄取量。(D)乙酰乙酸或β-羟丁酸处理1小时和3小时的鼠伤寒沙门氏菌对碘化丙啶(PI)的摄取量。(E)乙酰乙酸或β-羟丁酸处理1小时的鼠伤寒沙门氏菌中cpx家族差异表达基因的热图。(F)鼠伤寒沙门氏菌脂多糖(LPS)结构与生物合成基因的示意图。(G)鼠伤寒沙门氏菌菌株对环丙沙星与头孢他啶的最低抑菌浓度(MIC)。(H)乙酰乙酸或β-羟丁酸处理1小时的鼠伤寒沙门氏菌菌株对NPN的摄取量。(I)乙酰乙酸或β-羟丁酸处理3小时的鼠伤寒沙门氏菌菌株对PI的摄取量。(J)氟喹诺酮类抗生素联合乙酰乙酸处理2小时(鼠伤寒沙门氏菌)或1小时(阴沟肠杆菌、肺炎克雷伯菌)后的细菌存活率。
图5 、乙酰乙酸诱导的细胞内氨基酸消耗使细菌对抗生素致敏。(A)10毫摩尔/升乙酰乙酸处理1小时的鼠伤寒沙门氏菌中差异表达基因的富集分析。(B和C)显示氨基酸与碳水化合物代谢相关差异表达基因的热图(B)和代谢通路(C)。鼠伤寒沙门氏菌经乙酰乙酸、β-羟丁酸处理1小时，数据为与未处理组(UT)相比的log2倍数变化。(D)乙酰乙酸、β-羟丁酸处理1小时的鼠伤寒沙门氏菌中氨基酸浓度热图。数据为与未处理组归一化后的log2倍数变化。(E)添加20毫摩尔/升氨基酸与10毫摩尔/升乙酰乙酸时，鼠伤寒沙门氏菌对环丙沙星的最低抑菌浓度。Putr，腐胺；Orn，鸟氨酸。(F)10毫摩尔/升乙酰乙酸、100毫摩尔/升精氨酸/鸟氨酸单独或联合处理1小时后，鼠伤寒沙门氏菌中ompD与ompF的表达水平。(G和H)100毫摩尔/升氨基酸与10毫摩尔/升乙酰乙酸处理后，鼠伤寒沙门氏菌对NPN(G)和PI(H)的摄取量。(I)0.125微克/毫升氧氟沙星联合指定浓度乙酰乙酸与腐胺处理2小时后，鼠伤寒沙门氏菌的存活率。(J)0.125微克/毫升氧氟沙星、10微克/毫升庆大霉素联合10毫摩尔/升乙酰乙酸处理后，鼠伤寒沙门氏菌菌株的存活率。(K)自由进食与禁食小鼠感染鼠伤寒沙门氏菌菌株后，接受或不接受氧氟沙星处理的细菌载量。每组12只小鼠。(L)5毫摩尔/升乙酰乙酸处理1小时后，鼠伤寒沙门氏菌突变株的腐胺浓度，以细胞密度(光密度)归一化。
总结
禁食代谢是宿主对急性感染常见的适应性反应，被认为有利于宿主生存。本研究表明禁食能增强抗生素对由鼠伤寒沙门氏菌、肺炎克雷伯菌和阴沟肠杆菌引起的小鼠败血症的治疗效果，从而增加细菌清除率，改善宿主免疫反应并提高生存率。此效应由禁食诱导的酮症生成所介导，并可通过抗生素与酮体的联合治疗来实现。研究发现酮体乙酰乙酸是发挥作用的效应分子，它通过增加抗生素的致死力以及细菌外膜和内膜的通透性，使细菌对抗生素治疗敏感。结果表明，乙酰乙酸消耗了细菌的氨基酸，特别是带正电荷的氨基酸及其衍生物腐胺，导致细胞膜功能障碍和与氧化还原相关的致死性。
本研究揭示了酮症生成在抗生素治疗中一个未被认识的作用，并提出了一种基于酮体的潜在细菌性败血症治疗策略。Bioscreen全自动生长曲线分析仪被用于精确测量细菌在不同单一碳源条件下的生长曲线，其核心作用是辨析酮体（乙酰乙酸AcAc和β-羟基丁酸bOHB）对细菌作用的本质。Bioscreen全自动生长曲线分析仪提供的微生物生长数据，为后续揭示“AcAc通过耗竭细菌内源性氨基酸（如腐胺）来破坏膜稳态与能量代谢”这一核心机制奠定了坚实的逻辑起点。
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