持留菌（persisters）能夠在致死濃度的抗生素環境中存活，并在停藥后恢復生長繁殖，是慢性感染和感染復發的重要原因，但是其代謝特性一直難以捉摸。近期，青島能源所和香港大學合作開發單細胞拉曼光譜技術，在單菌體精度揭示了持留菌的代謝特征。該研究最近發表在 Frontiers in Microbiology《微生物學前沿》。

　　“持留”（persistence）現象在微生物世界中普遍存在。在抗生素或其他環境條件的脅迫下，一個微生物群體中的極小部分成員，會進入“停止生長但仍然保留一定代謝活性”的休眠狀態，從而度過極端環境的脅迫。在抗生素用藥期間產生的持留菌，往往在診斷和治療中成為“漏網之魚”，將在停藥后恢復生長繁殖，導致感染復發和慢性感染。在臨床抗感染用藥與藥物開發中，如何識別與表征持留菌一直是業界高度關注的關鍵問題。

　　單細胞拉曼光譜能夠表征細胞的底物代謝、產物合成、藥敏性、環境應激反應等關鍵代謝功能。因此，香港大學牙醫學院博士王川和單細胞中心博士生陳榮澤組成的聯合研究小組，利用單細胞拉曼光譜剖析了大腸桿菌（Escherichia coli）細胞群體在氨芐西林（一種臨床常用的廣譜抗生素）作用下的應激反應，發現了大腸桿菌持留菌的三個特性。

　　第一，在藥物刺激后和早期復蘇過程中，與同期未經藥物刺激的大腸桿菌（非持留狀態）相比，持留菌的單細胞拉曼光譜全譜存在顯著差異，有助于識別持留狀態的細菌單細胞。

　　第二，基于重水飼喂單細胞拉曼光譜技術，通過監測細菌群體應激抗生素的代謝活性變化，研究人員發現，在總共長達8小時藥物應激過程中，在藥物處理4個小時后，持留菌的代謝活性卻顯著高于同期的非持留狀態細胞（未經藥物刺激）。而且在持留菌細胞內，脂質、多糖和大多數與蛋白質相關的拉曼信號（除酰胺外）均有所增強，表明持留菌比同期的非持留狀態細胞更快地積累了更多的儲能物質。另一方面，這些持留菌細胞的核酸含量卻明顯降低，這表明盡管其代謝活性較高，持留菌進入分裂周期的過程卻受到顯著抑制。

　　第三，通過人工模擬一個完整的抗生素用藥過程（藥物處理4小時，停藥培養4小時），研究人員發現，停止用藥之后的4小時內，即持留菌“復蘇階段”的早期，持留菌始終保持恒定的代謝速率。然而奇怪的是，該代謝速率卻顯著低于對照組（繼續用藥）中的持留菌，而且也低于同期的非持留狀態細胞（未經藥物處理）。下一步，研究人員將深入挖掘持留菌在復蘇階段這些代謝特征的分子機制。

　　上述新發現有助于理解微生物持留現象的產生和持留菌復蘇的機制，也為進一步開發持留菌診斷技術提供了重要線索。結合單細胞中心研制的臨床單細胞拉曼藥敏快檢儀（CAST-R）和單細胞拉曼分選-測序-培養系統（RACS-Seq/Culture），該合作團隊將進一步開發新方法，深化細菌-藥物互作機制的研究，并為臨床抗生素精準使用提供科學依據。

　　本研究工作由香港大學牙醫學院金力堅教授和單細胞中心徐健研究員共同主持完成。該研究項目獲得了中科院先導專項、基金委國家重大科學儀器研制項目、中科院STS區域重點項目、香港研究資助局、香港大學明德教授席基金的資助。