細胞外マトリックスの剛性によるトリカルボン酸サイクルの制御と三次元的に拘束された細菌マイクロコロニーの抗菌性

Extracellular Matrix Rigidities Regulate the Tricarboxylic Acid Cycle and Antibiotic Resistance of Three-Dimensionally Confined Bacterial Microcolonies.

抄録

慢性感染症の主要な原因である微生物バイオフィルム/マイクロコロニーは、基本的に3次元的に拘束された微小環境下で生活しており、その空間的自己組織化や形態力学を調節している可能性がある。しかし、細胞外マトリックス（ECM）の硬さなど、3次元的に拘束された微小環境の力学的な手がかりが、バイオフィルム／マイクロコロニーの抗生物質耐性に影響を与えるかどうか、またどのように影響を与えるかはまだ不明である。ハイスループット抗生物質感受性試験（AST）プラットフォームにより、3次元ECMの剛性が多様な抗生物質に対する耐性を大きく変化させることを明らかにした。ヒト組織特異的な剛性を持つ3次元ECM中のマイクロコロニーは、0.5〜20kPaの範囲で、抗生物質の種類に応じて最小発育阻止濃度が約2〜10000倍上昇することが示された。その後、著者らは、3次元ECMの剛性の増大がトリカルボン酸（TCA）サイクルのダウンレギュレーションにつながり、抗生物質耐性が強化されることを突き止めた。さらに、フマル酸がTCAサイクルの活性を増強することで、抗生物質耐性の上昇を緩和し、3次元ECMに閉じ込められた細菌マイクロコロニーに対する抗生物質の効果を顕著に向上させることが、慢性感染マウスモデルで確認されたことが示されました。これらの知見は、フマル酸が3次元閉鎖環境における細菌バイオフィルム/マイクロコロニーによって誘発される感染症を効果的に治療するための抗生物質アジュバントとして使用できることを示唆するものである。

As a major cause of clinical chronic infection, microbial biofilms/microcolonies in host tissues essentially live in 3D-constrained microenvironments, which potentially modulate their spatial self-organization and morphodynamics. However, it still remains unclear whether and how mechanical cues of 3D confined microenvironments, for example, extracellular matrix (ECM) stiffness, exert an impact on antibiotic resistance of bacterial biofilms/microcolonies. With a high-throughput antibiotic sensitivity testing (AST) platform, it is revealed that 3D ECM rigidities greatly modulate their resistance to diverse antibiotics. The microcolonies in 3D ECM with human tissue-specific rigidities varying from 0.5 to 20 kPa show a ≈2-10 000-fold increase in minimum inhibitory concentration, depending on the types of antibiotics. The authors subsequently identified that the increase in 3D ECM rigidities leads to the downregulation of the tricarboxylic acid (TCA) cycle, which is responsible for enhanced antibiotic resistance. Further, it is shown that fumarate, as a potentiator of TCA cycle activity, can alleviate the elevated antibiotic resistance and thus remarkably improve the efficacy of antibiotics against bacterial microcolonies in 3D confined ECM, as confirmed in the chronic infection mice model. These findings suggest fumarate can be employed as an antibiotic adjuvant to effectively treat infections induced by bacterial biofilms/microcolonies in a 3D-confined environment.