01
研究背景
在現代醫療環境中，塑膠被廣泛應用於傢俱、一次性醫療裝置和植入裝置中，如導管、呼吸機管道、心臟起搏器和外科手術網等。這些塑膠裝置常常面臨感染風險，尤其是在植入過程中受到汙染後，細菌在塑膠表面形成生物膜，導致難以治療的感染。合成聚酯PCL因其可生物降解性、生物相容性和生物可吸收性而在醫療中日益普及，自20世紀50年代以來，它在縫合線、牙科填充物和組織工程等領域發揮了重要作用。儘管PCL在醫療應用中具有諸多優勢，但其在醫院環境中也可能成為細菌感染的溫床。
在自然環境中，一些細菌已經進化出降解塑膠的能力，利用現有的酶分解類似的天然聚合物。然而，這種降解塑膠的酶在臨床相關細菌中的潛力尚未得到充分探索。醫院中，細菌在導管、呼吸機和植入物上的定殖及相關感染已成為主要關注點。如果病原體能夠降解醫療植入物，將會破壞這些裝置的完整性，或創造更深的定殖空間，顯著增加感染治療的複雜性。此外，能夠降解塑膠的病原體可能會利用塑膠作為碳源促進其生長，從而加劇宿主的定殖和感染。這意味著這些病原體可能在醫院環境中長期存在，利用塑膠作為碳源維持生存。
02
研究發現
研究發現臨床分離株銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）PA-W23能夠降解一種醫學相關的塑膠——聚己內酯（PCL），並且可以將其作為唯一的碳源來生長。PA-W23編碼了一種新型聚酯酶Pap1，這種酶在7天內能夠降解78%的PCL。Pap1的存在不僅使細菌能夠利用塑膠作為碳源，還增強了生物膜的形成，這是一個重要的毒力因子，與常規治療失敗有關。
研究還表明，Pap1酶的分泌是透過II型分泌系統進行的，這種酶的降解活性可以在其他宿主中轉移，從而賦予其降解PCL的能力。此外，Pap1酶的降解產物6-羥基己酸（6OH-HA）被發現能夠直接嵌入生物膜中，增加了生物膜的形成水平。這種能力可能使病原體在醫院環境中長期存在，並在營養有限的條件下持續生長。
03
臨床意義
醫療器械的完整性風險：由於銅綠假單胞菌能夠顯著降解PCL（在7天內降解78%），這可能導致含PCL醫療器械的結構完整性被削弱，增加裝置故障和感染風險。 醫院環境中的病原體永續性：這些細菌能夠利用塑膠作為碳源，這意味著它們可以在醫院環境中持續存在，即使在營養有限的情況下。這為醫院內持續性感染的爆發提供了新的解釋。 生物膜形成和抗感染治療的挑戰：研究表明，這些細菌在存在PCL時，其生物膜形成能力顯著增加，而生物膜是導致抗菌劑耐藥和免疫系統逃逸的關鍵因素。這種增強的生物膜形成能力可能導致更難以處理的慢性感染。 未來的感染控制策略：鑑於某些細菌能夠降解塑膠的能力可能會增強其在醫院環境中的永續性，未來的感染控制策略可能需要考慮篩查是否存在塑膠降解酶。 總之，這項研究提醒我們需要在設計和使用醫療器械時考慮到可能的細菌降解風險，並可能需要開發新的材料或新增抗菌成分以減緩或阻止這種降解。
04
實驗策略
1. 基因組挖掘：研究人員透過基因組篩查，尋找與已知塑膠降解酶同源的酶。他們在臨床分離菌株中找到了與已知聚酯降解酶同源的酶，並鎖定了一個新的PCL降解酶Pap1。
2. 酶的表達與功能驗證：透過在大腸桿菌中異源表達Pap1，研究人員驗證了該酶在降解PCL方面的功能。他們使用PCL-瓊脂平板法觀察到明顯的降解圈，證明Pap1的降解活性。
3. 臨床分離株的降解能力評估：研究人員直接在原始臨床分離株P. aeruginosa PA-W23中測試了PCL降解能力，發現該菌株能夠利用PCL作為唯一的碳源生長，並在富營養和最小培養基中進行降解實驗。
4. 突變株構建與功能分析：透過構建Δpap1突變株，研究人員進一步確定了Pap1在PCL降解中的關鍵作用。突變株失去了降解能力，但透過染色體互補可以恢復。
5. 生物膜形成與毒力評估：研究了PCL對生物膜形成的影響，發現PCL可以顯著增加PA-W23的生物膜形成，並透過昆蟲模型（Galleria mellonella）評估了PCL存在下毒力的增強。
6. 分泌與代謝途徑分析：透過分泌系統突變體分析，確定Pap1透過II型分泌系統被分泌。RNA測序揭示了在PCL存在下脂肪酸代謝相關基因的上調。
7. 降解產物分析：利用液相色譜-質譜聯用技術（LC-MS/MS）分析6OH-HA（PCL降解產物）在生物膜基質中的存在，驗證了其與增強的生物膜形成的關係。
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資料解讀
圖1：臨床相關BLAST蛋白命中結果的系統發育樹分析
Figure 1 為了揭示臨床相關蛋白的進化關係，對BLAST蛋白命中結果進行了系統發育樹分析。 A. 作者透過構建系統發育樹，對臨床相關的BLAST蛋白命中結果進行了分析。結果顯示，這些蛋白在進化上存在顯著的分類群分佈，提示它們可能具有不同的進化起源和功能特性。 結論：透過系統發育樹分析，揭示了臨床相關BLAST蛋白命中結果的進化關係，提示這些蛋白可能具有不同的進化起源和功能特性。
圖2：銅綠假單胞菌臨床分離株PA-W23具有聚酯酶同源物
Figure 2 為了研究銅綠假單胞菌臨床分離株PA-W23是否具有聚酯酶同源物，作者進行了相關實驗。 A. 作者透過基因組分析鑑定出PA-W23中存在一個聚酯酶同源基因。序列比對結果顯示，該基因與已知的聚酯酶基因具有高度相似性。 B. 為了驗證PA-W23中聚酯酶基因的功能，作者進行了聚酯酶活性實驗。實驗結果表明，PA-W23能夠降解聚酯材料，顯示出聚酯酶活性。 結論：銅綠假單胞菌臨床分離株PA-W23中存在一個聚酯酶同源基因，並且該基因具有聚酯酶活性。
圖3：銅綠假單胞菌PA-W23對PCL的降解及其作為唯一碳源的利用
Figure 3 研究了銅綠假單胞菌PA-W23對聚己內酯（PCL）的降解能力，並探討其是否可以將PCL作為唯一碳源進行生長。 A. 為了研究銅綠假單胞菌PA-W23對PCL的降解能力，作者將菌株接種在含有PCL的培養基中，透過測定培養基中PCL的殘餘量，結果表明，銅綠假單胞菌PA-W23能夠有效降解PCL。 B. 為了驗證銅綠假單胞菌PA-W23是否可以將PCL作為唯一碳源進行生長，作者在不含其他碳源的培養基中新增PCL，並觀察菌株的生長情況。結果顯示，銅綠假單胞菌PA-W23在以PCL為唯一碳源的條件下能夠生長。 結論：銅綠假單胞菌PA-W23能夠有效降解PCL，並且可以將PCL作為唯一的碳源進行生長。
圖4：P. aeruginosa PA-W23利用Pap1降解PCL
Figure 4 研究了銅綠假單胞菌PA-W23菌株透過Pap1蛋白降解聚己內酯（PCL）的能力。 A. 為了驗證Pap1在PCL降解中的作用，作者對野生型PA-W23和pap1缺失突變株進行了PCL降解實驗。結果顯示，野生型PA-W23能夠有效降解PCL，而pap1缺失突變株的降解能力顯著降低。 B. 透過SDS-PAGE分析，作者檢測了野生型PA-W23和pap1缺失突變株在PCL降解過程中的蛋白表達情況。結果表明，野生型菌株在PCL降解過程中表達了Pap1蛋白，而突變株中未檢測到該蛋白。 結論：銅綠假單胞菌PA-W23透過Pap1蛋白有效降解聚己內酯，Pap1在該降解過程中起關鍵作用。
圖5：PCL暴露的轉錄反應
Figure 5 為了研究PCL（某種化學物質）暴露對細胞轉錄水平的影響，作者進行了相關實驗以分析基因表達的變化。 A. 為了研究PCL暴露對基因表達的影響，作者對細胞進行了PCL處理，並透過RNA-seq分析了基因表達譜的變化。結果顯示，與未處理的對照組相比，PCL處理組中有多個基因的表達水平發生顯著變化。 B. 為了驗證RNA-seq結果的準確性，作者選擇了一些差異表達的基因，透過即時定量PCR（RT-qPCR）進行了驗證。結果表明，這些基因在PCL處理組中的表達變化與RNA-seq結果一致。 結論：PCL暴露能夠引起細胞內多個基因的轉錄水平發生顯著變化，這表明PCL可能透過調控基因表達來影響細胞功能。
圖6：PCL對銅綠假單胞菌PA-W23生物膜和毒力的影響
Figure 6 旨在探討PCL對銅綠假單胞菌PA-W23生物膜形成及其毒力的影響。 A. 為了研究PCL對銅綠假單胞菌PA-W23生物膜形成的影響，作者進行了生物膜形成實驗。結果顯示，PCL處理組的生物膜形成顯著減少，與對照組相比，PCL能夠有效抑制生物膜的形成。 B. 為了評估PCL對銅綠假單胞菌PA-W23毒力因子的影響，作者進行了毒力因子活性測定。結果表明，PCL處理顯著降低了銅綠假單胞菌的毒力因子活性，包括彈性蛋白酶和青黴素酶的活性。 結論：PCL能夠顯著抑制銅綠假單胞菌PA-W23的生物膜形成，並降低其毒力因子活性，表明PCL在控制銅綠假單胞菌感染方面具有潛在的應用價值。
圖7：6OH-HA在PA-W23生物膜形成中的作用
Figure 7 A. 為了研究6OH-HA對PA-W23生物膜形成的影響，作者進行了生物膜形成實驗。透過對比不同濃度6OH-HA處理組與對照組的生物膜形成情況，結果顯示，隨著6OH-HA濃度的增加，PA-W23生物膜的形成顯著減少。 B. 為進一步驗證6OH-HA對生物膜形成的抑制作用，作者進行了結晶紫染色實驗。透過定量分析染色強度，發現6OH-HA處理組的生物膜染色強度顯著低於對照組，進一步支援了6OH-HA對生物膜形成的抑制作用。 C. 為了探討6OH-HA對PA-W23生物膜形成的分子機制，作者進行了即時定量PCR分析。結果表明，6OH-HA處理後，生物膜相關基因的表達水平顯著降低。 結論：6OH-HA能夠顯著抑制PA-W23生物膜的形成，其作用機制可能與下調生物膜相關基因的表達有關。
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主要結論
銅綠假單胞菌臨床分離株可以編碼一種新型塑膠降解酶Pap1，該酶能夠有效降解醫用相關塑膠聚己內酯（PCL），並以此作為唯一的碳源來支援細菌的生長。研究揭示了這種降解能力不僅影響塑膠裝置的結構完整性，增加了醫療器械失效的風險，同時也增強了細菌形成生物膜的能力和致病性。這些發現提示我們在醫院感染控制中，應將篩查具有塑膠降解能力的細菌作為一項重要考慮。此外，研究指出，病原體利用塑膠作為碳源，可能會在營養條件有限的環境中長期存在，進一步加劇醫院環境中的感染風險。
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討論總結
研究探討了細菌具有降解塑膠能力的臨床意義以及它可能帶來的感染控制挑戰。他們指出，隨著塑膠在醫療保健中的廣泛應用，病原體逐漸適應並獲得了降解塑膠的能力，這將對醫院中的感染控制措施產生潛在影響。塑膠降解的能力可能使病原體能夠在醫院環境中更持久地生存，這種能力與生物膜形成密切相關，使得病原體更加耐藥且難以清除。 此外，研究強調了基因組挖掘的結論，指出多個病原體可能具備編碼塑膠降解酶的潛力，這提示醫院可能成為新型塑膠降解酶的潛在儲存庫。因而，未來的感染控制策略可能需要考慮這些因素，以降低相關感染風險。 最後，研究對未來裝置設計和治療方案的影響進行了探討，提出了在塑膠制醫療裝置中新增抗菌成分以減少降解和感染風險的可能性。研究者主張在裝置的設計和製造階段考慮這些因素，以儘可能降低由細菌降解塑膠引起的潛在風險。
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