细菌如何靠“泵”阻止药物重新结合靶点

抗生素耐药性对公共健康构成严重威胁，而外排泵是细菌多重耐药的主要原因之一。传统观点认为，外排泵像‘守门人’一样，通过将药物排出细胞外减少其进入，从而降低细胞内药物积累。但本研究发现，外排泵还存在一种‘进入后’作用机制，能深入影响细胞内药物与靶点的相互作用。

研究人员使用Hoechst 33342（HCT，一种DNA结合抑制剂），通过定量活细胞成像技术，监测大肠杆菌和铜绿假单胞菌中主要外排系统的活性。他们发现，当外排泵失活（如大肠杆菌的ΔtolC突变体和铜绿假单胞菌的Δ6突变体）时，HCT与DNA的表观亲和力增强，这是由表观解离速率降低导致的，而内在解离速率并未改变。

统计物理模型和实验测试表明，与体外稀释环境不同，在细胞内环境中，从靶点上解离的药物分子会发生连续的再结合，从而延长药物与靶点结合的总时间。然而，外排泵通过抑制这种再结合来抵消该效应，从动力学上破坏药物-靶点相互作用。这种生物物理机制与传统的‘守门’作用协同，共同扩大和增强了细菌的耐药性。

具体而言，在野生型细菌中，外排泵能将未结合的药物分子排出细胞，减少其再结合到靶点的机会，导致药物-靶点复合物的表观解离速率加快，结合亲和力降低。而在外排泵缺陷菌株中，未结合的药物分子在细胞内停留时间更长，更易再次结合到靶点，使得复合物更稳定，表观解离速率减慢。这种‘管家’机制与‘守门’作用叠加，解释了为何野生型细菌需要更高浓度的外部药物才能达到与外排泵缺陷菌株相同的靶点结合水平。

该研究揭示了外排泵除限制药物进入外，还通过调控药物-靶点再结合动力学来增强耐药性，为开发新的抗耐药策略提供了重要的物理机制 insights。