《Environmental Pollution》：Pulmonary toxicity and antibiotic resistance risks induced by environmental MRSA exposure in mice
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MRSA的空气中传播及其对鸡场环境中肺毒性的影响，通过体外BEAS-2B细胞模型和体内小鼠感染模型，比较青霉素（耐药）与万古霉素（敏感）的短期疗效。研究发现万古霉素显著降低肺部MRSA载量，抑制IL-17通路关键基因表达，缓解炎症反应，而青霉素反而增加致病菌丰度。研究揭示了环境MRSA通过激活IL-17通路引发急性肺炎的机制，为抗生素干预提供实验依据。
李攀|杨树帅|杨子业|赵燕|张勤|史志勇|陈立群|王灿
天津大学环境科学与工程学院，中国天津300072
摘要
耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）在空气中广泛存在，其致病性和抗生素耐药性对人类健康构成潜在威胁。肺部通过上呼吸道与外部环境相连，因此容易受到MRSA感染。本研究重点探讨了鸡场环境中空气传播的MRSA对健康的危害以及抗生素干预的效果，进行了体外（in vitro）和体内（in vivo）实验。在体外实验中，使用BEAS-2B细胞模型研究MRSA对细胞活力、侵袭性、黏附性和屏障功能的影响；在体内实验中，建立了小鼠感染模型，比较了耐青霉素和敏感万古霉素的短期治疗效果。结合炎症指标分析和基因测序，研究发现MRSA激活了IL-17通路，引发急性肺部炎症；青霉素增加了肺部病原菌的数量，而万古霉素在减少肺部MRSA负荷、下调IL-17通路相关基因表达及缓解炎症方面更为有效。本研究系统揭示了环境来源的MRSA的急性肺毒性及其抗生素耐药性对短期治疗效果的关键影响，为深入理解MRSA引起的健康风险提供了重要实验依据。
引言
研究表明，全球超过24%的死亡与环境因素有关，包括有害的生物、物理和化学物质。[1]其中，病原菌、病毒和寄生虫等生物危害被认为是传统环境健康风险的关键组成部分。[1],[2]金黄色葡萄球菌（S. aureus）是一种普遍存在的人类病原体，在医院和社区环境中引起了一些最严重的感染。[3]S. aureus分泌多种毒素并引发毒素介导的疾病，2019年全球导致110万人死亡，位列33种重要人类病原体之首。[4],[5]鼻腔是人体内S. aureus的主要定植部位，显著增加了S. aureus引发肺部感染的风险。[6]由于甲氧西林的出现，S. aureus的感染问题曾得到有效控制，[7],[8]然而，抗生素的广泛使用为细菌群体中耐药基因的筛选创造了条件，从而导致耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的出现，其感染率逐年上升。[9]MRSA导致了超过50%的S. aureus肺炎病例，且传播趋势不断加剧。[10]肺上皮细胞（BEAS-2B）是肺部抵御外部病原体的第一道防线，MRSA通过鼻腔吸入后与呼吸道上皮细胞的相互作用会导致呼吸系统损伤。然而，MRSA对肺上皮细胞的影响及其潜在机制尚未完全阐明。
普遍认为，MRSA对多种抗生素（包括青霉素）具有不同程度的耐药性，但对糖肽类抗生素万古霉素敏感。[11]青霉素含有β-内酰胺环这一关键结构，其疗效取决于β-内酰胺环能否完整地与青霉素结合蛋白结合。[12]由于青霉素的过度使用，MRSA开始进化并产生能够水解β-内酰胺环的青霉素酶，最终产生了耐药菌株。[13],[14],[15]而万古霉素作为目前治疗MRSA的有效抗生素，主要通过干扰繁殖中的革兰氏阳性菌细胞壁肽聚糖的生物合成起作用，同时在一定程度上也影响细胞质核糖核酸的合成。[16]然而，很少有研究直接证明短期使用敏感抗生素与耐药抗生素对MRSA感染治疗效果的实际影响。
尽管现有研究已经探讨了MRSA的传播风险和致病危害，[10]但在理解其对肺上皮细胞的损伤机制及短期抗生素干预的效果差异方面仍存在不足。本研究重点关注了鸡场环境中空气传播的MRSA对健康的危害以及抗生素干预的效果，进行了系列体外和体内实验。体外实验使用正常人类BEAS-2B细胞模型，研究鸡场空气中MRSA对细胞活力、侵袭性和黏附能力及屏障功能的影响；体内实验建立了小鼠感染模型，比较了耐青霉素抗生素与敏感万古霉素的短期治疗效果。通过测量肺部炎症标志物、分析IL-17信号通路调节机制，并结合肺部微生物群丰度和组成分析，本研究阐明了MRSA的急性肺毒性和抗生素耐药性对治疗结果的影响，为阐明环境来源MRSA相关的健康风险机制提供了实验支持。
细菌菌株和培养条件
MRSA是从中国北京平谷区一个鸡舍的空气中分离得到的。激活后，将其划线接种到Luria-Bertani（LB）琼脂平板上，并在37°C下培养24小时。然后选取单个菌落，接种到LB液体培养基中，并在37°C下摇床培养以扩增菌群。实验中，使用无菌磷酸盐缓冲盐水（PBS；5%，v/v）（Gibco，Thermo）稀释细菌溶液。
BEAS-2B细胞暴露于空气中MRSA的影响
从鸡场空气中收集并分离出的MRSA经过毒性基因检测后用于暴露实验（图1A）。该MRSA携带多种典型的毒力基因，包括α-溶血素基因（hla）、耐热核酸酶基因（nuc）、血浆凝固酶基因（coa）和黏附毒素基因（fnbpA、clfA）。基因扩增产物的电泳结果如图1B所示。为了观察MRSA对BEAS-2B细胞的毒性作用
讨论
我们的研究表明，从鸡场空气中分离出的MRSA菌株携带关键的毒力因子，包括clfA、fnbpA、nuc和coa，暴露于该MRSA菌株会促进细菌黏附和侵袭，破坏BEAS-2B细胞的呼吸道上皮屏障功能，并引发强烈的炎症反应。具体而言，实验结果证实该MRSA菌株的clfA和fnbpA基因表达出黏附因子，使细菌能够
结论
本研究系统揭示了鸡场空气中MRSA通过呼吸道进入人体并引发炎症反应的潜在风险。通过结合体外BEAS-2B细胞模型和体内动物实验，本研究阐明了MRSA的毒性作用以及小鼠急性MRSA肺炎期间不同抗生素干预的治疗效果差异。结果表明，青霉素治疗
作者贡献声明
史志勇：软件支持。陈立群：资金获取、概念构思。杨树帅：方法学设计。杨子业：实验实施。赵燕：方法学设计。张勤：软件使用、方法学设计。王灿：概念构思。李攀：初稿撰写、数据可视化
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的利益冲突。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
感谢实验室所有成员对本研究的辛勤协助。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFF1202900）和国家自然科学基金（82471196）的支持。
