DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1670307
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40980325
تاريخ النشر: 2025-09-04
المؤلف: Y. P. Lu وآخرون
الموضوع الرئيسي: العدوى البكتيرية واللقاحات
نظرة عامة
تتناول المراجعة الدور الهام لجسيمات الغشاء الخارجي البكتيرية (OMVs)، وهي هياكل نانوية تفرزها البكتيريا سالبة الجرام، في مقاومة المضادات الحيوية وتطبيقاتها المحتملة في استراتيجيات مكافحة العدوى السريرية. تحوي OMVs على مجموعة متنوعة من الجزيئات الحيوية، بما في ذلك البروتينات والدهون والسموم والأحماض النووية، مما يسهل التواصل بين البكتيريا وخلايا المضيف. وهي متورطة في عمليات حيوية مثل نقل الجينات الأفقي، ونقل الإشارات، وتكوين الأغشية الحيوية، مما يعزز من قدرة البكتيريا على التكيف والمقاومة. تؤكد المراجعة على الإمكانات العلاجية الواعدة لـ OMVs في تطوير اللقاحات، وتوصيل الأدوية المستهدفة، وتعديل المناعة، مع تسليط الضوء على توافقها الحيوي وقدرتها المناعية.
يستعرض المؤلفون تعقيدات تكوين وعمل OMV، المتأثرة بأنواع البكتيريا والعوامل البيئية. يدعون إلى ضرورة تركيز الأبحاث المستقبلية على توضيح هذه الآليات، وتطوير تقنيات عزل موحدة، وتحسين OMVs المهندسة للعلاجات المستهدفة، واستكشاف أدوارها في مكافحة العدوى المقاومة لمتعددة الأدوية. يُعتبر التعاون بين التخصصات ضرورياً لتعظيم إمكانات OMVs في مواجهة مقاومة البكتيريا. في النهاية، تفترض المراجعة أن OMVs يمكن أن تكون أدوات حيوية في مكافحة مقاومة المضادات الحيوية، مما يمهد الطريق لعلاجات جديدة لمكافحة العدوى وتعزيز صحة الإنسان من خلال الأبحاث المستمرة والتقدم التكنولوجي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أزمة الصحة العامة العالمية المتزايدة التي تسببها العدوى البكتيرية، خاصة بسبب ارتفاع مقاومة المضادات الحيوية. تشير منظمة الصحة العالمية (WHO) إلى أن حوالي 4.71 مليون حالة وفاة سنوياً تُعزى إلى العدوى التي تسببها البكتيريا المقاومة، وهو رقم من المتوقع أن يرتفع إلى 8.22 مليون بحلول عام 2050. تتفاقم هذه التحديات المتزايدة بسبب عوامل مثل التباين الجيني للبكتيريا، والضغوط البيئية، وسوء استخدام المضادات الحيوية، خاصة في البلدان ذات الدخل المنخفض والمتوسط. استجابةً لذلك، تؤكد الدراسة على الحاجة الملحة لكشف آليات جديدة لمقاومة البكتيريا، مع التركيز على جسيمات الغشاء الخارجي البكتيرية (OMVs) كمنطقة بحث واعدة.
تلعب OMVs، وهي جسيمات نانوية تطلقها البكتيريا سالبة الجرام، دوراً مهماً في فسيولوجيا البكتيريا، والقدرة الممرضة، ومقاومة المضادات الحيوية. تسهل التواصل بين الخلايا، ونقل الجينات الأفقي، وتكوين الأغشية الحيوية، وكلها تساهم في بقاء البكتيريا وتحملها للمضادات الحيوية. تهدف المراجعة إلى استكشاف جانبين رئيسيين: آليات المقاومة التي تتوسطها OMVs في البكتيريا الممرضة الشائعة، والتطبيقات السريرية المحتملة لـ OMVs في العلاج المضاد للعدوى. من خلال فهم هذه الآليات واستغلال خصائص OMVs، تسعى الأبحاث إلى تقديم رؤى واستراتيجيات جديدة لمكافحة القضية الملحة لمقاومة البكتيريا.
طرق
تعتبر الطرق المستخدمة لعزل وتحديد جسيمات الغشاء الخارجي البكتيرية (OMVs) حاسمة لتطبيقها السريري، مما يتطلب تقنيات استخراج فعالة تحافظ على سلامتها الهيكلية والوظيفية (Preto et al., 2025). تقدم طرق مختبرية متنوعة، بما في ذلك الطرد المركزي الفائق، وطرد مركزي بتدرج الكثافة، والترشيح الفائق، والكروماتوغرافيا المناعية، مزايا وقيود فريدة. يُشجع الباحثون على اختيار طرق العزل المصممة وفقاً لظروف مختبرهم وأهدافهم التجريبية المحددة. غالباً ما لا تحقق الإجراءات ذات الخطوة الواحدة النقاء والعائد المطلوبين، مما يدفع إلى استخدام أساليب مجمعة. على سبيل المثال، قدم Li et al. (2024) تقنية الطرد المركزي الفائق بتدرج الكثافة المعدلة (DDGC) لعزل OMVs من *Klebsiella pneumoniae*، مما أسفر عن OMVs ذات اتساق وشكل ونشاط بيولوجي محسّن مقارنة بالطرق التقليدية.
بالإضافة إلى ذلك، طور Alves et al. (2017) طريقة كروماتوغرافيا الامتزاز المعدني المعتمد على علامة His (IMAC) للتنقية السريعة والانتقائية لـ OMVs من *Escherichia coli*، مستفيدين من بروتين الغشاء الخارجي المهندَس جينياً A (OmpA) مع علامة His في الطرف N. تُعتبر هذه الطريقة فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتوسع، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات في الأدوية والبحث البيئي. لتحديد الهوية، تُستخدم تقنيات مثل المجهر الإلكتروني الناقل، والمجهر الإلكتروني الماسح، وتحليل تتبع الجسيمات النانوية لتقييم شكل OMV، وتوزيع الحجم، والتركيز. ومع ذلك، فإن تحديد OMVs أكثر تعقيداً من تحديد الجسيمات خارج الخلوية الصغيرة، حيث تحتوي الأخيرة على بروتينات علامة محددة، بينما تحتوي OMVs على مجموعة متنوعة من البروتينات من الغشاء الخارجي، والمحيط الخلوي، والسيتوبلازمية التي تختلف حسب الأنواع البكتيرية والعوامل البيئية، مما يتطلب الاعتماد على التحليلات الشكلية والتركيبية لتحديدها (Welsh et al., 2024).
مناقشة
في هذا القسم المناقشي، يتم استكشاف دور جسيمات الغشاء الخارجي (OMVs) في البكتيريا سالبة الجرام، مع تسليط الضوء على تكوينها، وتركيبها الهيكلي، ووظائفها البيولوجية المتعددة. تتراوح OMVs من 20 إلى 250 نانومتر في القطر، وتتكون من خلال تكوّن وإفراز الغشاء الخارجي وتكون غنية بالدهون السكرية، والبروتينات، ومكونات بكتيرية أخرى. يتأثر إنتاجها بكل من العوامل الخلوية الداخلية والمحفزات البيئية الخارجية، مثل درجة الحرارة والإجهاد التأكسدي، التي يمكن أن تعزز من تكوين الجسيمات. تلعب OMVs أدواراً حاسمة في فسيولوجيا البكتيريا، والقدرة الممرضة، والتكيف البيئي، مما يسهل التفاعلات مع خلايا المضيف والميكروبات الأخرى، بالإضافة إلى كونها ناقلات لنقل الجينات الأفقي (HGT) لجينات مقاومة المضادات الحيوية.
يتناول القسم أيضاً تداعيات OMVs في مقاومة المضادات الحيوية، خاصة في مسببات الأمراض مثل Klebsiella pneumoniae وAcinetobacter baumannii وPseudomonas aeruginosa. على سبيل المثال، يمكن أن تحمي OMVs من K. pneumoniae من المضادات الحيوية من خلال الارتباط بها وتسهيل انتشار جينات المقاومة، بينما تستخدم A. baumannii OMVs لإفراز β-lactamases، مما يعزز من بقائها ضد المضادات الحيوية من نوع β-lactam. تُعتبر OMVs من P. aeruginosa متورطة في ديناميات الأغشية الحيوية وHGT، حيث أظهرت الدراسات أن OMVs يمكن أن تحوي وتحمي الحمض النووي البلازميدي، مما يعزز من نقل جينات المقاومة بين تجمعات البكتيريا. بشكل عام، تؤكد النتائج على الدور الهام لـ OMVs في تعزيز مرونة البكتيريا وقدرتها على التكيف في مواجهة ضغط المضادات الحيوية، مما يساهم في التحدي المتزايد لمقاومة الأدوية المتعددة في البيئات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1670307
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40980325
Publication Date: 2025-09-04
Author(s): Y. P. Lu et al.
Primary Topic: Bacterial Infections and Vaccines
Overview
The review discusses the significant role of bacterial outer membrane vesicles (OMVs), which are nanoscale structures secreted by Gram-negative bacteria, in antibiotic resistance and their potential applications in clinical anti-infective strategies. OMVs encapsulate various biomolecules, including proteins, lipids, toxins, and nucleic acids, facilitating communication between bacteria and host cells. They are implicated in critical processes such as horizontal gene transfer, signal transduction, and biofilm formation, which enhance bacterial adaptability and resistance. The review emphasizes the promising therapeutic potential of OMVs in vaccine development, targeted drug delivery, and immune modulation, highlighting their biocompatibility and immunogenicity.
The authors outline the complexities of OMV biogenesis and function, influenced by bacterial species and environmental factors. They call for future research to focus on elucidating these mechanisms, developing standardized isolation techniques, optimizing engineered OMVs for targeted therapies, and exploring their roles in combating multi-drug-resistant infections. Interdisciplinary collaboration is deemed essential for maximizing the potential of OMVs in addressing bacterial resistance. Ultimately, the review posits that OMVs could serve as vital tools in the fight against antibiotic resistance, paving the way for innovative anti-infective therapies and enhancing human health through ongoing research and technological advancements.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the escalating global public health crisis posed by bacterial infections, particularly due to the rise of antibiotic resistance. The World Health Organization (WHO) reports that approximately 4.71 million deaths annually are attributed to infections caused by resistant bacteria, a figure projected to increase to 8.22 million by 2050. This growing challenge is exacerbated by factors such as bacterial genetic variation, environmental pressures, and the misuse of antibiotics, especially in low- and middle-income countries. As a response, the study emphasizes the urgent need to uncover new mechanisms of bacterial resistance, focusing on bacterial outer membrane vesicles (OMVs) as a promising area of research.
OMVs, which are nanoscale vesicles released by Gram-negative bacteria, play a significant role in bacterial physiology, pathogenicity, and antimicrobial resistance. They facilitate intercellular communication, horizontal gene transfer, and biofilm formation, all of which contribute to bacterial survival and tolerance to antibiotics. The review aims to systematically explore two main aspects: the mechanisms of resistance mediated by OMVs in common pathogenic bacteria and the potential clinical applications of OMVs in anti-infective therapy. By understanding these mechanisms and leveraging the properties of OMVs, the research seeks to provide new insights and strategies for combating the pressing issue of bacterial resistance.
Methods
The methods for isolating and identifying bacterial outer membrane vesicles (OMVs) are critical for their clinical application, necessitating efficient extraction techniques that maintain their structural and functional integrity (Preto et al., 2025). Various laboratory methods, including ultracentrifugation, density gradient centrifugation, ultrafiltration, and immunoaffinity chromatography, each present unique advantages and limitations. Researchers are encouraged to select isolation methods tailored to their specific laboratory conditions and experimental goals. Single-step procedures often do not achieve the desired purity and yield, prompting the use of combined approaches. For instance, Li et al. (2024) introduced a modified one-step OptiPrep density gradient ultracentrifugation (DDGC) technique for isolating OMVs from *Klebsiella pneumoniae*, resulting in OMVs with improved uniformity, morphology, and biological activity compared to conventional methods.
In addition, Alves et al. (2017) developed a His-tag-based immobilized metal affinity chromatography (IMAC) method for the rapid and selective purification of *Escherichia coli* OMVs, leveraging genetically engineered outer membrane protein A (OmpA) with an N-terminal His-tag. This approach is noted for its cost-effectiveness and scalability, making it suitable for various applications in pharmaceuticals and environmental research. For identification, techniques such as transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, and nanoparticle tracking analysis are employed to assess OMV morphology, size distribution, and concentration. However, the identification of OMVs is more complex than that of small extracellular vesicles, as the latter have defined marker proteins, while OMVs contain a diverse array of outer membrane, periplasmic, and cytoplasmic proteins that vary by bacterial species and environmental factors, necessitating reliance on morphological and compositional analyses for their identification (Welsh et al., 2024).
Discussion
In this discussion section, the role of outer membrane vesicles (OMVs) in Gram-negative bacteria is explored, highlighting their biogenesis, structural composition, and multifaceted biological functions. OMVs, which range from 20 to 250 nm in diameter, are formed through the budding and shedding of the outer membrane and are enriched with lipopolysaccharides, proteins, and other bacterial components. Their production is influenced by both intrinsic cellular factors and extrinsic environmental stimuli, such as temperature and oxidative stress, which can enhance vesiculation. OMVs play critical roles in bacterial physiology, pathogenicity, and ecological adaptation, facilitating interactions with host cells and other microorganisms, as well as serving as vectors for horizontal gene transfer (HGT) of antibiotic resistance genes.
The section further elaborates on the implications of OMVs in antibiotic resistance, particularly in pathogens like Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, and Pseudomonas aeruginosa. For instance, OMVs from K. pneumoniae can protect against antibiotics by binding to them and facilitating the spread of resistance genes, while A. baumannii utilizes OMVs to secrete β-lactamases, enhancing its survival against β-lactam antibiotics. P. aeruginosa’s OMVs are implicated in biofilm dynamics and HGT, with studies showing that OMVs can encapsulate and protect plasmid DNA, thereby promoting the transfer of resistance genes among bacterial populations. Overall, the findings underscore the significant role of OMVs in enhancing bacterial resilience and adaptability in the face of antibiotic pressure, contributing to the growing challenge of multidrug resistance in clinical settings.