高利增课题组发现亚稳态硫化铁抗菌具有革兰氏选择性，高效对抗加德纳菌耐药和防治细菌性阴道炎
高利增课题组发现亚稳态硫化铁选择性杀菌机制，有可能为细菌性阴道炎中的耐药难题提供有效的解决方案。该项研究于近日在线发表在《Advanced Science》期刊，题为：Metastable Iron Sulfides Gram-Dependently Counteract Resistant Gardnerella Vaginalis for Bacterial Vaginosis Treatment。
细菌性阴道炎(Bacterial vaginosis, BV)是世界上最常见的女性阴道感染疾病，发病率高达29%，防治该病的费用全球每年约50亿美元。其发病机制是阴道菌群失调，乳酸杆菌减少而导致其他病原体如加德纳菌(G. vaginalis)等的大量繁殖。临床常用治疗药物是口服或局部使用抗生素如甲硝唑，但是超过半数的患者都会在一年内再次复发。其中主要原因是加德纳菌极易甲硝唑产生耐药，形成生物膜（Biofilm）或侵入阴道上皮细胞中形成胞内菌（Intracellular bacteria），这些特征导致BV患者在抗生素治疗后容易复发。为了解决上述问题，急需开发不同于传统抗生素作用机制的抗菌药物。
高利增课题组长期从事纳米酶等生物活性材料抗生物膜细菌耐药的研究。在2016年将氧化铁过氧化物纳米酶用于变异链球菌生物膜的清除和龋齿防治（Biomaterials 2016），但该体系需要高浓度双氧水的参与，存在安全隐患。在2018年发现硫化铁过氧化物纳米酶能够在低浓度甚至无双氧水条件下即可清除多种细菌生物膜，包括金黄色葡萄球菌及其耐药株（MRSA），变异链球菌、铜绿假单胞菌、沙门氏菌等（Nature Communications 2018）。但是这些杀菌测试主要是在水溶液体系（营养较少，细菌处于非活跃生长状态），在培养基体系往往效果不佳。
在该论文中，作者对Fe3S4、Fe7S8(磁黄铁矿)、FeS2(黄铁矿)和FeS等不同物相的纳米硫化铁在富营养（培养基）环境下的抗菌性能进行了系统筛选，发现亚稳态硫化铁如Fe3S4、Fe7S8，特别是Fe3S4能够强烈抑制加德纳菌和部分抑制大肠杆菌的生长，而对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌、乳酸杆菌）无抑制作用；相比之下，FeS和FeS2无抗菌作用。这些结果表明并非所有硫化铁都能抗菌，其中Fe3S4、Fe7S8具有较好的抑菌能力；对革兰氏阴性菌具有抗菌选择性，尤其是对加德纳菌的最小抑菌浓度（MIC）为7.8 ug/mL，其抗菌效果优于甲硝唑。
图1.硫化铁释放多硫化物进入加德纳菌内部（A），与糖酵解通路中的葡萄糖激酶活性中心结构的半胱氨酸残基反应抑制其活性（B）。
机制研究表明，上述硫化铁的抗菌效应与其释放多硫化亚铁的能力密切相关。亚稳态硫化铁Fe3S4、Fe7S8的铁硫键容易断开，遇水能够快速释放多硫化物（S22-、S32-）和亚铁。一方面，多硫化物能够快速进入菌壁较薄的加德纳菌内部（图1A），对糖酵解（Glycolysis）代谢通路中的关键酶-葡萄糖激酶(Glucokinase, GLK)产生抑制作用。蛋白结构预测表明，加德纳菌的GLK三维结构包含一个典型的口袋状活性中心，其边缘含有半胱氨酸残基（Cys179, Cys181, Cys186）（图1B）。作者推测多硫化物通过跟这些残基发生多硫化反应，改变活性中心结构导致底物无法结合，从而阻断糖酵解通路。另一方面，释放的亚铁引起细菌铁死（Ferrroptosis-like death of bacteria），与多硫介导的能量代谢阻断效应协同杀死加德纳菌（图2）。这种杀菌机制使得Fe3S4对加德纳菌的甲硝唑耐药株（MRGV）、持留菌、生物膜和胞内菌珠均有非常强的抑制效果，且不易产生新的耐药性。
图2.亚稳态硫化铁诱导加德纳菌细菌死亡和糖酵解代谢的机制。
作者进一步利用小鼠感染模型，评估了纳米Fe3S4悬液及其栓剂对小鼠细菌性阴道炎的防治效果。结果显示两种剂型均能显著降低小鼠阴道内加德纳菌的数量，而甲硝唑对耐药菌无效；生理条件下，阴道内存在一定数量的乳酸杆菌（革兰氏阳性菌）维持菌群平衡，作者通过体内外实验进一步证实Fe3S4与乳酸杆菌联合治疗效果更佳。此外，作者还对100例临床阴道炎患者分泌物中病原菌验证了Fe3S4的杀菌效果，结果显示Fe3S4能够100%清除其中的加德纳菌。这些结果表明亚稳态硫化铁将是一类有效防治细菌性阴道炎的非抗生素类药物。
中国科学院生物物理所高利增研究员为本文通讯作者，扬州大学联合培养博士生房灵和马若楠为本文共同第一作者，蛋白模型预测分析由江西师范大学高雪皎博士合作完成，临床样本测试由无锡市锡山人民医院合作完成。该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划等项目的支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202104341
（供稿：高利增研究组）
