太空飛行對大腸桿菌生物學(xué)性狀影響的研究

張學(xué)林，謝　瓊，劉長庭*（.中國人民解放軍總醫(yī)院南樓呼吸科，北京00853；.中國航天員訓(xùn)練中心醫(yī)監(jiān)醫(yī)保研究室，北京00094）

太空飛行對大腸桿菌生物學(xué)性狀影響的研究

張學(xué)林1，謝瓊2，劉長庭1*
（1.中國人民解放軍總醫(yī)院南樓呼吸科，北京100853；2.中國航天員訓(xùn)練中心醫(yī)監(jiān)醫(yī)保研究室，北京100094）

為探討空間環(huán)境對大腸桿菌生物學(xué)性狀的影響，通過神舟十號飛船將大腸桿菌送至外太空（太空組），地面設(shè)立同步溫度對照組，返回后進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)，觀察太空飛行對細(xì)菌繁殖的影響；進(jìn)行亞胺培南敏感性檢測，了解耐藥性變化；進(jìn)行生長曲線測定，了解飛行后的生長速率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)太空組細(xì)菌量為7.9×1010cfu/mL，對照組為28.5×1010cfu/mL；太空組平均抑菌圈直徑為15.57±1.2 mm；對照組為13.4±1.15 mm；兩組菌的生長曲線沒有明顯差異。研究表明大腸桿菌在太空飛行環(huán)境中生長受抑制，且對亞胺培南耐藥性降低。

大腸桿菌；太空飛行；亞胺培南；耐藥；生長

1　引言

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展、各種有創(chuàng)檢查和介入治療手段的增加，以及抗生素的廣泛應(yīng)用，使得導(dǎo)致臨床病原菌的種類及耐藥性都在發(fā)生變化，以往很少引起感染的條件致病菌（也稱機(jī)會性致病菌）如大腸埃希氏菌等所致的醫(yī)院內(nèi)感染近年來顯著增加［1-4］。大腸桿菌所致的感染中以泌尿道感染、呼吸道感染、菌血癥等最為常見。近年來，隨著抗生素尤其是第三代頭孢菌素等抗菌藥物的大量使用，大腸桿菌中的產(chǎn)超廣譜β-內(nèi)酰氨酶（extended-spectrumβ-lactamases，ESBLs）菌株日益增多，并且在此基礎(chǔ)上還進(jìn)一步出現(xiàn)了多重耐藥（multidrug-resistant，MDR）菌株、廣泛耐藥（extensively drug-resistant，XDR）菌株和全耐藥（pandrug-resistant，PDR）菌株［4-6］。這些產(chǎn)ESBLs的高耐藥菌株不僅對青霉素類、頭孢菌素類抗生素耐藥，而且對氟喹諾酮類、氨基糖苷類、磺胺類抗生素存在嚴(yán)重的交叉耐藥。此外，它們還能通過接合等形式在同種或異種細(xì)菌間傳播耐藥基因，從而造成醫(yī)院嚴(yán)重的交叉感染，給臨床感染性疾病的治療帶來極大困難［7-8］。深入探尋這些高度耐藥菌株中新的耐藥機(jī)制，對于臨床合理制定針對耐藥菌的抗感染治療方案，以及迅速針對含新耐藥基因的可能引起廣泛傳播的耐藥菌株采取防控措施顯得尤為重要。

在載人航天活動中，一些正常定植的細(xì)菌會隨著航天員或航空部件進(jìn)入太空，并在太空艙內(nèi)形成微生物群區(qū)。據(jù)報(bào)道［9］，自和平號空間站升空15年來，該空間站內(nèi)生長了234種微生物。一些機(jī)會性致病菌，如大腸桿菌曾在航天員身上或空間站中被檢出。因此載人航天事業(yè)對航天醫(yī)學(xué)與保障提出了重大挑戰(zhàn)。同時(shí)空間環(huán)境具有地面環(huán)境中所不存在的一些特殊環(huán)境因素，包括微重力、高真空、極度溫差、弱磁場和粒子輻射等，這些因素可加速誘導(dǎo)空間環(huán)境微生物產(chǎn)生基因突變和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的變化，進(jìn)而對微生物的生物學(xué)性狀和功能產(chǎn)生一系列復(fù)雜的影響。2006年在亞特蘭蒂斯號航天器進(jìn)行的空間實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用航天器搭載的沙門氏菌感染小鼠，實(shí)驗(yàn)組較地面對照組相比，小鼠的死亡時(shí)間提前，死亡率增高，半數(shù)致死劑量（LD50）降低［10］。經(jīng)空間飛行后，肺炎克雷伯菌對磺胺類藥物的耐藥性發(fā)生明顯改變［11］，而空間站來源的金黃色葡萄球菌對苯唑西林、紅霉素和氯霉素的最低抑菌濃度有一定的增加［12］。另有研究發(fā)現(xiàn)，蠟狀芽孢桿菌在碳源利用上發(fā)生了明顯改變［13］。因此，探索空間環(huán)境下微生物變異對于載人航天事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

本研究借助神舟十號飛船，將一株從肺部感染老年患者痰標(biāo)本中分離的大腸桿菌送入太空（飛船的升空時(shí)間為2013年6月11日，返回地球時(shí)間為2013年6月26日），觀察該菌太空飛行前后的耐藥性等表型的變化，探索太空環(huán)境對大腸桿菌的影響，為人類如何利用太空環(huán)境進(jìn)行感染性疾病的防控研究提供理論基礎(chǔ)。

2　材料和方法

2.1菌株與培養(yǎng)

大腸桿菌為肺部感染老年患者痰標(biāo)本的分離培養(yǎng)菌，并經(jīng)解放軍總醫(yī)院微生物科采用bioMérieux-Vitek系統(tǒng)鑒定。細(xì)菌置于腦心浸液半固體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，其配方為腦心浸液肉湯（BHI）+0.6%低熔點(diǎn)瓊脂糖（Invitrogen）。細(xì)菌分為以下兩組：太空組，細(xì)菌隨神舟十號飛船進(jìn)入太空飛行15天（樣品裝載飛船約2天后發(fā)射升空），艙內(nèi)溫度為21℃；地面對照組，細(xì)菌置于21℃孵箱中靜止培養(yǎng)15天?？股孛舾性囼?yàn)以及生長曲線測定等培養(yǎng)溫度為37℃。

2.2抗生素敏感實(shí)驗(yàn)

將菌株接種至MH肉湯培養(yǎng)基，37℃，180～200 rpm振蕩培養(yǎng)7～8 h后，調(diào)整菌懸液濃度至0.5麥?zhǔn)蠁挝?，此時(shí)相當(dāng)于細(xì)菌濃度達(dá)到108CFU/mL，將菌液用棉簽均勻涂布至MH固體平板表面；室溫放置3～5min，將藥敏紙片貼至平板上，37℃靜止培養(yǎng)16 h，游標(biāo)卡尺量取抑菌環(huán)直徑大小。

2.3細(xì)菌菌落總數(shù)檢測

菌株從太空返回地面后，立即對實(shí)驗(yàn)組和對照組樣本進(jìn)行梯度稀釋（101，102，103，104，105，106，107，108，109倍）并涂布平板，培養(yǎng)16 h后，挑取平板菌落數(shù)在30～300之間的平板進(jìn)行平板克隆計(jì)數(shù)，比較兩組菌的菌落數(shù)。該實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2.4生長曲線測定

細(xì)菌置于含500 mL腦心浸液肉湯的三角燒瓶中，37℃振蕩培養(yǎng)，培養(yǎng)0.5 h，1 h，2 h，4 h，6 h，8 h，10 h，12 h，14 h，16 h后，分別取1 m l混懸液用分光光度計(jì)（Thermo，USA）測定波長在600 nm處的吸光度值，并以純腦心浸液肉湯調(diào)零，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2.5統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)量數(shù)據(jù)以x±s表示，兩組獨(dú)立樣本采用t檢驗(yàn)，當(dāng)P＜0.05時(shí)認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3　結(jié)果

3.1太空飛行前后大腸桿菌耐藥性檢測

細(xì)菌從患者痰液中分離培養(yǎng)后，首先進(jìn)行身份鑒定及耐藥性檢測，藥物敏感試驗(yàn)結(jié)果按照美國臨床實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（Clinical and Laboratory Standards Institute，CLSI）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判讀［14］，發(fā)現(xiàn)該菌對抗生素亞胺培南耐藥，如圖1所示。太空組細(xì)菌返回地面后，將太空飛行組和地面靜止培養(yǎng)組各隨機(jī)挑取100個(gè)克隆，分別進(jìn)行抗生素敏感試驗(yàn)，測量亞胺培南對大腸桿菌的抑菌圈直徑，如表1所示，地面對照組的平均抑菌圈直徑為13.4±1.15 mm；太空飛行組的平均抑菌圈直徑為15.57±1.2mm，較對照組增加了2.17mm（p＜0.05）。說明太空飛行后大腸桿菌對亞胺培南呈現(xiàn)變敏感的趨勢。

圖1　亞胺培南對分離的大腸桿菌抑菌效果Fig.1 Inhibition zone of Im ipenem in disc diffusion test for Escherichia coli

注：大腸桿菌臨床分離純化后進(jìn)行藥物敏感性試驗(yàn)，亞胺培南的抑菌環(huán)直徑點(diǎn)13.5 mm；根據(jù)2013年CLSI標(biāo)準(zhǔn)，含10 mg亞胺培南的藥物制片對大腸桿菌的抑菌圈直徑d＜19 mm可判定為該菌對亞胺培南耐藥。

表1　亞胺培南對地面組和太空組大腸桿菌的抑菌環(huán)直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Inhibition diameters of Im ipenem in disc diffusion test for two groups of Escherichia coli

3.2太空飛行后大腸桿菌菌落數(shù)降低

為了解太空環(huán)境對大腸桿菌生長的影響，在太空組細(xì)菌返回地面后，立即進(jìn)行梯度稀釋并平板計(jì)數(shù)，結(jié)果顯示該菌地面組的菌落數(shù)為（28.5±4.3）×1010cfu/mL；太空組的菌落數(shù)為（7.9±2.5）×1010cfu/mL（如圖2所示）。太空環(huán)境下大腸桿菌的菌落總數(shù)為地面組的27.7%。說明太空飛行環(huán)境中大腸桿菌生長繁殖變緩慢。

圖2　太空飛行后大腸桿菌菌落數(shù)和地面對照組的比較Fig.2 Escherichia coli after space flight and that of the ground control

3.3太空飛行前后細(xì)菌生長速率比較

為更進(jìn)一步說明太空因素對大腸桿菌生長的影響，我們將地面組和太空組大腸桿菌取等量樣本用于生長曲線測定，在細(xì)菌培養(yǎng)0.5 h，1 h，2 h，4 h，6 h，8 h，10 h，12 h，14 h，16 h這10個(gè)時(shí)間點(diǎn)，對菌懸液進(jìn)行OD600值檢測，并繪制生長曲線，我們發(fā)現(xiàn)兩組大腸桿菌的生長速率無明顯改變（圖3）。

圖3　地面組和天上組大腸桿菌生長曲線比較Fig.3 Escherichia coli in space fligh t and ground control groups

4　討論

太空環(huán)境存在著極端的物理?xiàng)l件，通常，這些影響都不利于微生物的生存和生長［15-16］。有研究顯示，飛船內(nèi)的微生物較地面生長緩慢［17］。說明太空環(huán)境對細(xì)菌的生存和生長是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本研究中發(fā)現(xiàn)經(jīng)太空飛行后，大腸桿菌的繁殖量僅為地面的27.7%，考慮是太空環(huán)境因素下大腸桿菌產(chǎn)生過多的次級代謝產(chǎn)物抑制細(xì)菌生長繁殖。但是兩組菌的生長曲線沒有明顯差異，一方面是由于細(xì)菌菌落計(jì)數(shù)反應(yīng)的是樣本在飛行剛剛結(jié)束時(shí)的繁殖狀態(tài)，而生長曲線反應(yīng)的是大腸桿菌返回后經(jīng)地面培養(yǎng)的狀態(tài)，細(xì)菌在地面經(jīng)加入大量培養(yǎng)基培養(yǎng)，太空中所產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物被稀釋，大大減弱了其抑制生長繁殖的作用；另一方面考慮是由于本次飛行任務(wù)時(shí)間較短，細(xì)菌產(chǎn)生的變異遺傳穩(wěn)定性差，以至大腸桿菌脫離太空環(huán)境后迅速發(fā)生突變回復(fù)，也說明了短暫的太空飛行對生命體產(chǎn)生的影響具有可回復(fù)性。

當(dāng)面對惡劣的環(huán)境，細(xì)菌通過不斷改變自身形式來適應(yīng)環(huán)境的變化，在此過程中，細(xì)菌的變異過程會加速，變異類型也會更豐富。多項(xiàng)研究表明微重力環(huán)境可影響大腸桿菌的耐藥性。通過對禮炮7空間站上法國航天員Chrien JL的共生菌叢中分離出的大腸桿菌的研究發(fā)現(xiàn)，與地面對照菌相比，空間站來源的大腸桿菌對多粘菌素E和卡那霉素的最低抑菌濃度顯著增加（從4 mg/L到＞16 mg/L），即該菌的耐藥性增加［18］。另有研究發(fā)現(xiàn)，從聯(lián)盟-7號飛船飛行員中分離出的大腸桿菌出現(xiàn)了四環(huán)素耐藥性［19］。而本研究的結(jié)果為大腸桿菌對亞胺培南耐藥性降低，與前述報(bào)道的太空環(huán)境對細(xì)菌耐藥性的影響并不一致，說明太空環(huán)境對細(xì)菌產(chǎn)生的耐藥性變異具有多樣性，并非所有的細(xì)菌在微重力條件下對抗生素敏感性的變化都是一致的，如研究發(fā)現(xiàn)鮑曼不動桿菌在低剪切力模擬微重力的環(huán)境中對多種抗生素的最低抑菌濃度沒有明顯的升高［20］。

在本研究中，太空飛行后的大腸桿菌對亞胺培南仍處于耐藥性狀態(tài)，但是相對地面培養(yǎng)的大腸桿菌，其對亞胺培南的耐藥性具有降低的趨勢。通過進(jìn)一步探索其影響耐藥性的機(jī)理，有望為解決地面難以控制的感染問題提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)在人體中大腸桿菌主要定植在腸道內(nèi)，屬于腸道微生物的一部分，該菌能產(chǎn)生具有殺菌作用的大腸桿菌素，還能合成維生素B和K，在正常情況下其代謝活動對人體有益。本研究發(fā)現(xiàn)在太空環(huán)境中大腸桿菌生長繁殖受到抑制，這種改變對人體的影響目前還不清楚，在未來的研究中，探索太空飛行對腸道微生物的影響，以及腸道微生物的變化將如何影響航天員健康將是一個(gè)重要的課題。

5　結(jié)論

1）太空飛行過程中大腸桿菌生長較地面緩慢，說明太空飛行環(huán)境不利于大腸桿菌生長；

2）太空飛行后，大腸桿菌對亞胺培南的耐藥性降低。

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Effects of Space Flight on Biological Characteristics of Escherichia Coli

ZHANG Xuelin1，XIE Qiong2，LIU Changting1*
（1.Nanlou respiratory disease department，The 301 hospital，Beijing 100853，China；2.Department ofmedicalmonitoring and medical support，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

Tomanifest the effect of space flight on biological characteristic in Escherichia coli，the strain was carried to space by Shenzhou-10 spaceship.The colony forming units（CFU）in both the space flight and ground cultured E.coliwere assessed by plate clone count respectively to calculate the survival rate of space flight E.colisample.Antibiotics sensitivity for space flightand ground cultured E.coliwas analyzed to compare the sensitivity to imipenem.Then the growth curves of the two strains weremeasured.The results show that，after space flight，the CFU of E.coliwas 7.9×1010cfu/mL，while itwas28.5×1010cfu/mL in ground cultured E.coli.The average inhibition zone of imipenem for ground cultured E.coliwas13.4±1.15 mm in diameter，while that of the space flight gruop was 15.57±1.2 mm in diameter.However，the growth curves of the two strains had no significant difference.All data revealed that the growth of E.coliwas inhibited in space flightenvironment，and it could become less resistant to imipenem after space flight.

Escherichia coli；space flight；imipenem；resistant；growth

R856

A

1674-5825（2015）02-0200-04

2014-09-23；

2015-03-05

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助（973計(jì)劃）（2014CB744400）；全軍醫(yī)學(xué)科研“十二五”課題重點(diǎn)項(xiàng)目（BWS12J046）；科技部重大專項(xiàng)項(xiàng)目（空間新藥重大創(chuàng)制）（2015ZX09J15102-003）；北京市科技新星項(xiàng)目（z121107002512128）

張學(xué)林（1982-），男，博士，主治醫(yī)師，研究方向?yàn)榧?xì)菌耐藥及空間微生物學(xué)。E-mail：zhangxl20015@163.com

并列第一作者：謝瓊（1971-），女，博士，研究員，研究方向?yàn)楹教鞂?shí)施醫(yī)學(xué)。E-mail：xieqio@sina.com

劉長庭（1954-），男，碩士，教授，研究方向?yàn)榭臻g生命科學(xué)。E-mail：changtingliu@sohu.com