抗菌素耐药性(AMR)是公共卫生的主要威胁之一，最近的一项研究估计，2019年全球有近500万人死亡与AMR有关。此外，在病原微生物大流行的背景下，应对抗生素耐药性仍然是世界卫生组织(世卫组织)的一项高度优先事项。医学界高度关注抗生素滥用风险的增加，以及世界各国政府对这一重大公共卫生问题关注的减少。在这种情况下，噬菌体治疗比以往任何时候都更重获科学和医学的兴趣。

噬菌体是对抗耐抗生素细菌的有前途的工具，目前，噬菌体治疗基本上是与抗生素联合进行的。噬菌体-抗生素协同作用(PAS)，表明抗生素诱导的细菌生理变化改变了噬菌体繁殖的动力学。采用单噬菌体和单细胞技术，研究了在头孢他啶、头孢氨苄和环丙沙星三种诱导菌丝形成的抗生素处理的大肠杆菌培养物中噬菌体HK620的每一步裂解周期。荧光显微镜和Apogeeflow流式细胞术技术证明，抗生物诱导的细丝由于其表面积增大而容易成为噬菌体的目标。与常规大小的细菌相比，丝状细胞的吸附、感染和裂解更易发生。

为了确定哪些亚群在感染后被有效裂解，在单轮噬菌体感染后进行了Apogee纳米流式细胞术分析。对未经处理的大肠杆菌TD2158培养物进行分析，并用于创建包含90%种群的gate (图8A)。经亚致死量抗生素处理后，出现丝状亚群，分别占头孢氨苄和环丙沙星处理培养菌总数的43%和51%(图8B和8C)。然后在固定和流式细胞术分析之前，将相同的抗生素处理培养物进行单轮噬菌体裂解。细胞图显示抗生素治疗后出现的丝状亚群明显减少(图8D和8E)。使用快速杀伤噬菌体T7进行了类似的实验，本研究可以在裂解曲线中观察到类似的趋势，表明这种效果并不局限于噬菌体HK620。这些结果明确表明，较长的细胞在感染过程中优先被裂解。

图8

图8所示。接受或未接受噬菌体和抗生素治疗的大肠杆菌群体的细胞图。(a,b,c,d,e)存在或不存在头孢氨苄或环丙沙星的情况下，被噬菌体HK620感染的大肠杆菌TD2158。(a)指数生长2h后，抗生素治疗前。(b,c)在半数MIC浓度的头孢氨苄或环丙沙星存在下，指数增长2小时后。(d,e) MOI = 0.5时HK620裂解一轮后。红色的百分比表示门内的总体(红色椭圆)。(f,g,h)存在或不存在环丙沙星时被噬菌体T7感染的大肠杆菌MG1655。(f)大肠杆菌MG1655培养2小时后的细胞图。(g)同样的菌株在环丙沙星存在的一半MIC下。(h)经环丙沙星处理的大肠杆菌MG1655在噬菌体T7感染后25分钟(约一轮溶解)，MOI ~ 1。

本研究对抗生素对细菌细胞形态和生理的影响及其对噬菌体动力学的影响的机制描述，为噬菌体和抗生素联合治疗的效果提供了更深入的理解。联合治疗可提供两种不同的有益效果(图11)。首先，数量统计学效应，其中组合减少了细菌种群的生物量(经典的PAS效应)。第二，一种进化效应，即组合减少了细菌种群中突变的出现。

图11.噬菌体HK620增强环丙沙星杀伤细菌的模型。

结论
本研究开发了单细胞和单噬菌体方法来监测噬菌体感染的关键步骤，使用几种实验性噬菌体模型，如温和噬菌体HK620及其天然宿主大肠杆菌TD2158 PL4或感染大肠杆菌MG1655的强毒噬菌体T4, T5和T5。研究表明诱导成丝的细菌在液体和固体培养中都促进了噬菌体杀伤的增加。通过建立数学模型来研究亚致死剂量抗生素对噬菌体-细菌动力学的影响。这一理论框架预测了抗生素和噬菌体对细菌种群增长和抗生素耐药性上升的协同作用。这种理论与实验相结合的方法阐明了导致PAS的潜在过程，并表明噬菌体和抗生素的结合在降低抗生素耐药性突变的流入方面可能具有附加价值。

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