抗菌药物的发明是现代医学的里程碑。但随着抗菌药物的不当使用，细菌耐药已逐渐演变成为全球10大公共卫生的重大威胁之一。目前控制耐药菌主要依靠新抗菌药物策略。然而，新药的发现越来越难。因此设法提高现有抗菌药物杀菌效率成为必然选择。
提高现有抗菌药物的杀菌效率必须针对主要耐药机制进行。长期以来公认的主要机制包括细胞膜通透性降低、多药外排泵激活、水解酶活性增加、靶蛋白改变减少与抗菌药物结合。前者通过降低细胞膜通透性以减少抗菌药物摄取，可称为“拒绝”摄取胞外抗菌药物的“拒绝”耐药机制；后三者通过外排、水解、减少结合致使胞内抗菌药物达不到致死浓度，可称为“减弱”胞内抗菌药物作用的“减弱”耐药机制。由于耐药菌必然减少摄取抗菌药物，“减弱”耐药机制只能在“拒绝”耐药机制的框架内进行；故只要解决了“拒绝”耐药机制的问题，致使抗菌药物摄取量超过“减弱”耐药机制的作用则可以高效利用现有抗菌药物杀死耐药菌。然而，目前只有针对“减弱”耐药机制的部分种类β-内酰胺酶的抑制剂在临床上使用，而针对“拒绝”耐药机制的研究尚无明显进展，被认为是目前耐药性无法控制的根本原因。因此，通过促进摄取创建利用现有抗菌药物控制耐药性的策略是一个迫切需要研究的重大科学问题。
针对这一问题，中山大学生命科学学院彭宣宪和李惠课题组、彭博课题组、中山大学第三附属医院医院张天拓课题组和陈壮桂课题组以及厦门大学附属中山医院杨天赐课题组联合开展研究。2021年12月23日在Science Transnational Medicine杂志上发表了题为Glutamine promotes antibiotic uptake to kill multidrug-resistant uropathogenic bacteria的研究论文，发现了外源谷氨酰胺可以促进常用抗菌药物高效清除临床分离的多重耐药菌，证明了这一促进作用归功于外源谷氨酰胺增加抗菌药物的摄取量远高于NDM-1水解和外排泵外排所消耗的量，揭示了增加这一摄取量的谷氨酰胺-肌苷-CpxA/CpxR-OmpF代谢调节轴的调节机制。
设法促进耐药菌摄取抗菌药物对有效控制耐药菌至关重要，然而如何促进其摄取尚不清楚。研究人员认为生物体的代谢状态决定其生物学表型，代谢状态的改变则能引起生物学表型的改变。由此，开展多重耐药尿道致病性大肠埃希菌代谢组学的研究。通过代谢通路富集和模式识别的研究，发现丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路被抑制，谷氨酰胺显著下调是这些病原菌最重要的代谢特征，认为谷氨酰胺可以作为代谢重编分子去重编多重耐药代谢组为抗菌药物敏感代谢组，逆转细菌耐药性，从而促进现有抗生素的杀菌效率。
结果发现，谷氨酰胺可以促进β-内酰胺类、氨基糖苷类、喹诺酮类、四环素类抗菌药物杀死含β-内酰胺酶的耐药大肠埃希菌；还可以促进氨苄青霉素清除多重耐药的铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、肺炎克雷伯菌、迟缓爱德华菌、溶藻弧菌、副溶血性弧菌及其生物膜。在小鼠系统感染模型中，发现谷氨酰胺与氨苄青霉素联用可以将大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌感染的生存率从0-20%提高至100%。这些结果说明谷氨酰胺可以广谱促进抗菌药物的杀菌效率。
有趣的是，谷氨酰胺与氨苄青霉素协同使用还可以减缓细菌对抗菌药物的耐药性。试验发现氨苄青霉素联合与不联合谷氨酰胺对敏感和耐药大肠埃希菌体外连续传代30代后，联合外源谷氨酰胺的最小抑菌浓度 (MIC) 约为不联合外源谷氨酰胺的1/4-1/3。在小鼠体内连续传代5代后，联合外源谷氨酰胺的大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌较不联合外源谷氨酰胺的对谷氨酰胺与氨苄青霉素的协同用药更加敏感。这些结果说明谷氨酰胺可以预防耐药性的产生。
采用产β-内酰胺酶的标准菌株ATCC35218开展药代动力学的研究。试验基于胞外氨苄青霉素浓度梯度和作用时间，测定谷氨酰胺对细菌胞内氨苄青霉素含量（Vin）、水解速率（Vh）及外排速率（Ve）的影响。结果发现，谷氨酰胺能极大增加氨苄青霉素的摄取，从而克服β-内酰胺酶的水解和主动外排系统的排出作用，使细菌胞内氨苄青霉素含量显著增加。这些结果说明谷氨酰胺促进氨苄青霉素摄取是提高氨苄青霉素杀菌效率的主要原因。
为探讨谷氨酰胺促进抗菌药物摄取的分子机制，采用稳定同位素标记非靶向代谢组学、基因缺失和功能分子替换功能验证等技术方法，发现谷氨酰胺代谢流主要流向嘌呤生物合成，肌苷是最关键的效应物；蛋白质相互作用及磷酸化分析表明，肌苷通过直接的相互作用调节CpxA/R双组份调节系统的磷酸化，促进OmpF的表达。这些研究发现了谷氨酰胺-肌苷-CpxA/R-OmpF代谢调节轴及其在逆转细菌耐药性中的作用，并进一步通过构建抗菌药物敏感大肠埃希菌的相应基因敲除菌株在生理上得到验证。
综上所述，这些发现有望加速创建有效方法防治慢性、多重耐药菌、滞留菌、细菌生物膜的感染。有关谷氨酰胺通过促进抗菌药物摄取提高杀菌效率的发现为利用现有抗菌药物控制多重耐药菌的感染开创了一条新路。同时，谷氨酰胺延缓细菌耐药性的结果为预防细菌耐药性产生开拓了一个新方向。
该发现已经获得国家和美国发明专利，正在与广东利泰制药有限公司合作研发新药。
赵贤亮 (中山大学生命科学学院2014年博士毕业生)、陈壮桂 (中山大学附属第三医院)、杨天赐 (厦门大学附属中山医院) 和蒋明 (中山大学生命科学学院博士后) 是研究论文的共同第一作者。
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