科學月刊：抗生素如何瓦解細菌防禦工事的驚人影像

「我們需要考慮細菌處於何種狀態，才能評估抗生素的有效性。」 – Bart Hoogenboom 教授，倫敦大學學院奈米技術中心

一項由倫敦大學學院（UCL）和倫敦帝國學院的研究團隊領先的研究，首次揭示了被稱為多黏菌素的救命抗生素如何穿透有害細菌的盔甲。這項發表在《自然微生物學》期刊上的發現，有望為細菌感染帶來新的治療方法，特別是在抗藥性感染每年已導致超過一百萬人死亡的當下，更顯得至關重要。

(多黏菌素：最後防線的運作機制): (多黏菌素作為對抗革蘭氏陰性菌的最後防線，其作用機制長期以來並不完全清楚。最新的研究透過高解析度影像和生化實驗，揭示了多黏菌素如何迅速破壞細菌的外部防禦。)


多黏菌素早在80多年前就被發現，並被用作治療「革蘭氏陰性」細菌感染的最後手段。這些細菌擁有一層外層，如同盔甲一般，阻止了某些抗生素穿透細胞。儘管已知多黏菌素能靶向這一外層，但它們如何破壞它並最終殺死細菌，仍然是一個謎。

在這項新研究中，研究團隊使用高解析度影像和生化實驗，揭示了抗生素多黏菌素B如何迅速在 E. coli（大腸桿菌）細菌細胞表面引起腫塊和凸起。這些突起在幾分鐘內出現，隨後細菌迅速脫落其外部盔甲。研究人員得出結論，抗生素觸發了細胞產生並脫落其盔甲。

「這就像細胞被迫以如此快的速度為其外牆生產『磚塊』，以至於這堵牆被破壞，從而使抗生素得以滲透。」 – Carolina Borrelli, 倫敦大學學院奈米技術中心

細胞試圖製造新盔甲的次數越多，它失去的盔甲就越多，其速度之快，以至於其防禦工事中出現了缺口，從而使抗生素得以進入細胞並將其殺死。

(細菌的冬眠狀態：抗生素失效的關鍵): (研究發現，多黏菌素的有效性取決於細菌的活躍程度。在休眠狀態下，細菌的盔甲生產關閉，導致抗生素失效。這個發現顛覆了我們對抗生素作用方式的傳統認知。)


然而，研究小組發現，這種過程——突起、快速生產和脫落盔甲以及細胞死亡——僅在細胞活躍時發生。在休眠（睡眠）的細菌中，盔甲生產被關閉，從而使抗生素無效。

「幾十年來，我們一直認為靶向細菌盔甲的抗生素能夠殺死任何狀態下的微生物，無論它們是活躍複製還是處於休眠狀態。但事實並非如此。」 – Andrew Edwards 博士，倫敦帝國學院

休眠使細菌能夠在不利的條件下生存，例如缺乏食物。它們可以保持休眠狀態多年，並在條件變得更有利時「醒來」。這可以使細菌抵抗抗生素，例如，並重新甦醒以在體內引起復發性感染。

(奈米級觀察：原子原子力顯微鏡的應用): (研究團隊利用原子原子力顯微鏡，以前所未有的解析度觀察細菌細胞表面的變化。這種技術使他們能夠即時捕捉到抗生素如何破壞細菌盔甲的細節。)


E. coli 細胞在倫敦大學學院的奈米技術中心成像。一個只有幾奈米寬的微小針頭在細菌細胞上運行，「感覺」形狀，從而創建出比使用光可能實現的分辨率更高的圖像（一種稱為原子力顯微鏡的技術）。

研究小組比較了活躍（生長）和非活躍 E. coli 細胞在實驗室中對多黏菌素B的反應，發現抗生素有效地消除了活躍細胞，但沒有殺死休眠細胞。他們還測試了 E. coli 細胞在有和沒有糖（一種喚醒休眠細胞的食物來源）的情況下的反應。當糖存在時，抗生素殺死了先前休眠的細胞，但僅在延遲15分鐘後——細菌消耗糖並恢復生產其外部盔甲所需的時間。

(喚醒沉睡的敵人：未來的治療策略): (研究人員提出，未來的治療策略可能包括結合多黏菌素治療與促進盔甲生產或喚醒休眠細菌的治療方法，以更有效地消除細菌感染。這種反直覺的方法有望提高抗生素的療效。)


在抗生素有效的條件下，研究人員檢測到從細菌中釋放的盔甲更多。他們還觀察到凸起出現在細胞表面。在抗生素無效的條件下，抗生素將自身結合到外膜，但幾乎沒有造成損害。

「共同努力使我們對壓力下細菌的生理學和形態學有了獨特的見解，這些見解幾十年來一直被隱藏。現在我們更好地了解了細菌的弱點。」 – Boyan Bonev 教授，諾丁漢大學

未來的研究方向包括利用這些發現來提高抗生素的有效性。一種策略可能是將多黏菌素治療——反直覺地——與促進盔甲生產和/或喚醒「睡眠」細菌的治療相結合，以便也可以消除這些細胞。這項研究也表明，在評估抗生素的有效性時，我們需要考慮細菌的狀態。

若想進一步了解此研究的細節，請搜尋《自然微生物學》期刊中由 Carolina Borrelli, Edward Douglas 等人發表的相關論文。

(產學合作：解鎖細菌生理學的隱藏秘密): (這項研究的成功，得益於多個機構和學科的合作。透過整合細菌生理學、奈米技術和抗生素研究，研究團隊得以解鎖細菌防禦機制的隱藏秘密，為開發新的治療方法奠定基礎。)


這項工作由生物技術和生物科學研究委員會 (BBSRC) 和工程和物理科學研究委員會 (EPSRC) 資助，它們是英國研究與創新的一部分，並由惠康基金會資助。這項研究體現了跨學科合作的重要性，結合了細菌生理學、奈米技術和抗生素研究，為解決日益嚴重的抗藥性問題提供了新的視角。

Ref:

University College London. (2025, September 29). Stunning images reveal how
antibiotics shatter bacterial defenses. ScienceDaily. Retrieved September 29,
2025 from www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250929054907.htm

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Story Source:
Materials provided by University College London. Note: Content may be edited for style and length.