2026年6月2日，美国St. Jude Children’s Research Hospital刘强博士（现任四川大学华西医院）作为第一作者、Peijun Ma教授作为通讯作者，在Nature Communications 发表题为Pre-treatment bacterial cell states shape antibiotic-induced transcriptional reprogramming and survival的研究论文。

该研究利用细菌单细胞转录组测序技术，系统解析了临床重要病原菌肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）在抗生素处理前后的细胞状态变化，揭示了细菌群体中不同细胞亚群如何影响抗生素应答、细菌存活以及抗生素“持留”形成，为理解感染治疗失败和细菌抗生素耐受提供了新的视角。

为什么抗生素有时“杀不干净”细菌？

在传统认识中，人们往往把同一群细菌看作几乎完全相同的细胞。然而，越来越多的研究表明，即使基因背景完全一致，单个细菌细胞之间也可能存在明显差异：有的正在快速生长，有的处于饥饿或休眠状态，有的已经提前启动了应激防御程序。

这种差异在抗生素治疗中尤为重要。抗生素面对的并不是一群整齐划一的细菌，而是一群状态各异、反应不同的细胞。传统群体水平的检测方法得到的是“平均结果”，就像只看一个班级的平均分，却无法知道哪些学生擅长数学、哪些学生擅长语文、哪些学生正在掉队。

细菌单细胞转录组技术的出现，使研究者能够在单个细胞水平观察基因表达状态，从而看清细菌群体内部隐藏的异质性。它不仅能回答“一群细菌总体上发生了什么”，还可以进一步回答：“哪些细胞发生了变化？”“不同细胞采取了哪些应对策略？”“哪些细胞更可能在抗生素压力下存活？”

抗生素持留：不同于传统耐药的“幸存策略”

本研究关注的核心问题是抗生素持留（antibiotic persistence）。抗生素持留不同于经典意义上的抗生素耐药。耐药细菌通常由于获得耐药基因或发生遗传突变，即使再次遇到抗生素也能继续生长；而持留菌并不一定携带耐药突变，它们更像是细菌群体中少数暂时“躲过一劫”的细胞。

这些细胞在抗生素存在时能够存活下来，当药物压力消失后又恢复生长。因此，抗生素持留被认为与感染复发、治疗失败以及耐药进化密切相关。

研究发现：抗生素处理前的细胞状态决定后续命运

研究人员首先比较了肺炎克雷伯菌在不同生长阶段对抗生素的存活能力。结果显示，不同生长阶段的细菌对抗生素的敏感性并不相同：稳定期细胞表现出更高的抗生素持留水平，而指数生长期细胞则更加敏感。

进一步的单细胞转录组分析发现，这种差异并不是简单由“生长快慢”决定的，而是与抗生素处理前细胞已经处于什么样的转录状态密切相关。也就是说，细菌在真正接触抗生素之前，群体内部就已经存在不同的“预设状态”。这些状态会影响细菌在抗生素压力下采取何种应对方式，并最终影响其生存机会。

Figure 1. Growth-phase-specific transcriptional cell states underlie antibiotic survival.

不同抗生素诱导不同的细胞应答

研究进一步比较了不同类型抗生素对肺炎克雷伯菌的影响。美罗培南主要干扰细菌细胞壁合成。研究发现，在美罗培南处理后，细菌群体中会出现多个不同的应激反应细胞亚群。例如，有些细胞启动热休克反应，有些细胞激活与渗透压和应激相关的保护程序，还有一些细胞同时表现出铁转运和热休克相关特征。

这些不同的保护程序可能共同帮助部分细菌在抗生素压力下存活。环丙沙星则主要干扰DNA复制并诱导DNA损伤修复反应。研究显示，虽然不同生长阶段的细菌都可以激活DNA损伤修复相关反应，但伴随出现的其他应激程序并不完全相同。这一发现说明，抗生素诱导的细胞反应并不是由药物种类单独决定的，而是由“抗生素作用机制”和“处理前细胞状态”共同塑造。

从寻找单个基因，到理解细胞状态网络

过去关于抗生素持留的研究，常常聚焦于寻找某个关键基因或单一通路。本研究则提示，抗生素持留更可能是多个细胞状态、多个应激通路共同作用的结果。例如，研究发现，经典应激调控因子rpoS的作用并不是简单地“促进”或“抑制”持留，而是取决于细菌所处的生长阶段和细胞状态。

在不同条件下，同一个调控因子可能产生不同甚至相反的影响。这提示我们，理解抗生素持留不能只盯着某一个基因，而需要从整个细胞状态网络的角度重新认识细菌如何在药物压力下生存。

Figure 4. RpoS deficiency alters levels of antibiotic survival via modulation of pretreatment cell states.

能否通过改变细菌状态增强抗生素效果？

本研究还探索了一个具有应用前景的问题：能否通过外界干预改变细菌状态，从而让原本难以杀灭的细胞变得更容易被抗生素清除？结果显示，特定营养扰动可以显著改变稳定期细胞对抗生素的敏感性。例如，在美罗培南处理时，补充葡萄糖可以使部分稳定期细胞重新进入更活跃的生长和代谢状态，从而增强美罗培南的杀菌效果；而在环丙沙星处理时，补充铁源也可以显著降低细菌存活率。

值得注意的是，这些营养物质本身并不会单独杀死细菌，它们的作用依赖于与特定抗生素的组合。这一结果提示，未来抗感染治疗或许不仅可以依赖开发新抗生素，也可以通过调控细菌的代谢状态或应激状态，提高现有抗生素的杀菌效率。

单细胞技术让我们看见“少数幸存者”

总体来看，这项研究建立了肺炎克雷伯菌抗生素应答的单细胞图谱，揭示了抗生素处理前的细胞状态如何影响后续应激反应和生存命运。这项工作的重要意义在于，它把抗生素持留研究从传统的群体平均水平推进到单个细菌细胞水平。

传统方法看到的是“整体平均反应”，而单细胞技术则能够看见“谁在逃生、如何逃生”。对于临床感染治疗而言，这一研究也提供了新的思路：抗生素治疗失败并不一定只是因为细菌获得了耐药基因，也可能是因为细菌群体中早已存在不同状态的细胞，其中某些亚群天然更容易在药物压力下存活。

未来，随着细菌单细胞转录组技术的发展，研究者有望在更复杂的感染环境中进一步解析病原菌的真实生存状态，包括宿主体内、免疫压力下以及多菌群共存条件下的细菌应答机制。这将为理解感染复发、优化抗生素治疗方案以及开发新的抗感染策略提供重要基础。

单个细菌也有不同命运。看清这些“少数幸存者”，或许正是破解抗生素治疗失败的重要一步。

参考消息：https://doi.org/10.1038/s41467-026-73949-6