上海交通大学学报（医学版）

上海交通大学学报(医学版), 2025, 45(6): 784-791 doi: 10.3969/j.issn.1674-8115.2025.06.014

综述

小菌落变异株的致病机制及治疗研究进展

梁效宁, 石亭旺, 陈云丰,

上海交通大学医学院附属第六人民医院骨科，上海 200233

Pathogenic mechanisms and therapeutic advances of small colony variants

LIANG Xiaoning, SHI Tingwang, CHEN Yunfeng,

Department of Orthopedic Surgery, Shanghai Sixth People's Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200233, China

通讯作者: 陈云丰，主任医师，博士；电子信箱：drchenyunfeng@sina.com。

编委: 张慧俊

收稿日期: 2025-02-17   接受日期: 2025-04-03   网络出版日期: 2025-06-28

基金资助: 国家自然科学基金.  82472464

Corresponding authors: CHEN Yunfeng, E-mail:drchenyunfeng@sina.com.

Received: 2025-02-17   Accepted: 2025-04-03   Online: 2025-06-28

作者简介 About authors

梁效宁（2001—），男，本科生；电子信箱：liangxiaoning@sjtu.edu.cn。 。

摘要

小菌落变异株（small colony variant，SCV）是金黄色葡萄球菌等细菌在环境选择性压力下产生的特殊表型变异体，具有生长缓慢、色素合成减少、营养缺陷、耐药性增强以及易于细胞内定植和形成生物膜等独特的生物学特性。近年来，研究人员逐渐发现SCV在感染的慢性化进程和不良预后中扮演着关键角色。SCV群体表现出显著的异质性，其分子特征复杂多样。与野生型菌株相比，SCV毒力低下，黏附性显著增强，可有效逃避免疫系统的识别和清除。SCV通过侵入巨噬细胞等细胞内并形成无症状的休眠体，引起机体对抗菌药物耐药，在周围环境改善时可恢复为野生型细菌，造成骨髓炎、囊性纤维化、内植物感染等迁延不愈。但目前SCV治疗仅限于长期抗生素治疗联合感染部位清创处理，关于SCV及其致病机制与治疗认识依然不明确。传统疗法如利福平联合万古霉素对胞内SCV疗效有限，新型策略比如靶向ATP合酶抑制剂（如番茄红素）或纳米载体递送抗生素以增强胞内渗透、碱化微环境或者物理疗法破坏生物膜等将成为攻克SCV相关感染的重要突破口。该文总结了SCV的生物学特征、致病机制与治疗研究进展，为SCV相关感染的研究和治疗提供参考。

关键词： 小菌落变异株 ; 抗菌 ; 耐药性 ; 靶向感染

Abstract

Small colony variants (SCVs) are unique phenotypic variants produced by bacteria such as Staphylococcus aureus under environmental selective pressure, with specific biological characteristics, including slow growth, reduced pigment synthesis, auxotrophy, enhanced drug resistance, and easier intracellular colonization and biofilm formation. In recent years, it has been increasingly recognized that SCVs play a crucial role in the chronic progression of infections and poor prognosis. SCVs exhibit significant heterogeneity with complex and diverse molecular profiles. Compared with wild-type strains, SCVs have low virulence and significantly enhanced adherence, and they can effectively evade immune system recognition and clearance. SCVs invade host cells, including macrophages, and form dormant intracellular forms, causing antimicrobial resistance. These variants can revert to wild-type bacteria when environmental conditions improve, causing persistent and refractory infections such as osteomyelitis, cystic fibrosis, and implant-associated infections. However, current treatments for SCV-related infections are limited to long-term antibiotic therapy combined with debridement of infected tissue, and understanding of SCVs, their pathogenic mechanisms, and treatments remains limited. Traditional therapies, such as rifampicin combined with vancomycin, have limited efficacy against intracellular SCVs. Novel strategies, such as targeting ATP synthase inhibitors (eg. lycopene), using nanocarrier-delivered antibiotics to enhance intracellular penetration, alkalinizing of the microenvironment, or disrupting biofilms by physical therapies, are important breakthroughs in the fight against SCV-associated infections. This paper summarizes the biological characteristics, pathogenic mechanisms, and therapeutic progress of SCVs, providing reference for research and treatment of SCV-related infections.

Keywords： small colony variant (SCV) ; antibacterial ; drug resistance ; targeted infection

PDF (1391KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

梁效宁, 石亭旺, 陈云丰. 小菌落变异株的致病机制及治疗研究进展. 上海交通大学学报(医学版)[J], 2025, 45(6): 784-791 doi:10.3969/j.issn.1674-8115.2025.06.014

LIANG Xiaoning, SHI Tingwang, CHEN Yunfeng. Pathogenic mechanisms and therapeutic advances of small colony variants. Journal of Shanghai Jiao Tong University (Medical Science)[J], 2025, 45(6): 784-791 doi:10.3969/j.issn.1674-8115.2025.06.014

骨髓炎（osteomyelitis，OM）等慢性感染是创伤骨科医师面临的最为棘手的临床并发症之一，因金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，S. aureus）等致病菌定植在骨组织或者内固定器械表面引发进行性骨骼炎症。S. aureus难以被抗菌药物完全清除，感染极易转为慢性。诸多研究表明，这一现象与小菌落变异株（small colony variant，SCV）产生密切相关［1］。SCV是细菌在抗菌药物等压力下通过基因突变、染色体重组以及水平基因转移等产生的独特细菌亚群，其生长缓慢，耐药性增强［2-3］，可逃避免疫攻击及抗菌药物杀伤，是骨髓炎、器械相关性感染（device-related infection，DRI）和囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）等多种慢性感染的重要病因［4-6］。革兰阳性菌如S. aureus、嗜酸乳杆菌及革兰阴性菌如铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa，PA）、志贺菌属、肺炎克雷伯菌、洋葱伯克霍尔德菌复合体、大肠埃希菌、淋病奈瑟菌、羊种布鲁菌等细菌被发现可产生SCV［2］。近10年SCV逐渐引起了关注，但SCV分子机制复杂，不同菌种来源的SCV虽表型相似，但形成途径（如代谢突变和信号通路失调）存在显著差异。受到SCV表型不稳定的影响，关于SCV感染、摆脱宿主免疫与抗菌药物杀伤以及慢性定植的分子机制了解仍不够清楚。本文系统综述SCV的致病机制和治疗进展，重点探讨其代谢适应性、免疫逃避以及生物膜形成的分子基础，并总结临床治疗进展，为制定有效的治疗方案提供借鉴。

1 SCV的生物学特征

1.1 形态和生长特性

SCV菌落小而透明，直径小于野生菌株的1/10，呈针尖样，具有粗糙、扁平或凹陷等多种不规则形态，色素沉着减少或消失，颜色较淡。金黄色葡萄球菌小菌落变异株（Staphylococcus aureus small colony variant，Sau-SCV）α和β溶血素减少，溶血环直径缩小甚至消失［2］。在显微镜下观察，Sau-SCV细胞体积小，细胞壁增厚，胞质不均质（表1）。铜绿假单胞菌小菌落变异株（Pseudomonas aeruginosa small colony variant，PA-SCV）也具有同样的小菌落形态，而且PA-SCV鞭毛减少、纤毛和荚膜增多，形成与PA的黏液样菌落不同的侏儒菌落，呈现 “菌落分离”现象［5］。

表1   SCV与正常菌株的细胞及菌落形态比较

Tab 1  Comparison of cell and colony morphology between SCVs and normal strains

Colony and cellular morphologySCVNP
Colony appearanceSmall, transparent, needle-like in shape and irregularRound, smooth, with intact edges, convex and glossy
PigmentationReduced or absentColorless or colored (varies by species)
Hemolytic ringsDiameter reduced or absentS. aureus exhibits α- or β-hemolysis
Size after 24 h cultureInvisible or tiny (1/10 the size of wild-type strains)Visible to the naked eye, 1‒3 mm or larger
Special structurePA-SCVs: fewer flagella, increased pil and thicker capsuleNormal
Cell shapeIncomplete, branched and cross-linkedRound
Cell wallThickenedRelatively thin
CytoplasmHomogeneousHeterogeneous (high peripheral particle density, low central density)

Note: NP—normal strain.

新窗口打开| 下载CSV


SCV呈现非常独特的生长特征。①生长缓慢、生长条件苛刻：SCV的生长速度显著低于野生菌。在常规培养条件下，野生菌仅需数小时便可形成肉眼可见的菌落，而SCV所需时间为野生菌生长时间的数倍，通常为2~3 d［2］。②延滞期延长：SCV进入对数生长期的进程滞后，其延滞期显著延长。这也许是因为SCV需更长时间来适应环境变化，并调整自身代谢途径以满足生长需求［7］。③营养缺陷：SCV存在营养缺陷，通过添加特定营养组分（包括甲萘醌、氯化血红素、胸苷、不饱和脂肪酸等）可恢复正常的生长表型［3］。④环境适应性增强：SCV不仅抗逆性提升，在细胞内的生存能力也增强，对各类抗菌或抑菌物质具有更强的耐受性，其抗菌药物最小抑菌浓度（minimum inhibitory concentration，MIC）更高［1］。

1.2 基因组特征

SCV具有遗传和表型异质性。稳定性SCV较为罕见，通常在代谢途径中存在稳定突变，难以逆转为野生型菌落，例如Sau-SCV的men D和hem B突变［2-3］。不稳定SCV可发生基因突变、基因重排以及缺失。SCV的自发突变频率高，基因组测序已揭示了许多基因突变情况，其中Sau-SCV营养代谢相关基因突变主要集中在甲萘醌、氯化血红素、脂肪酸和胸苷嘧啶生物合成等代谢途径中［2-3］。此外，PA-SCV在两条不同的c-di-GMP 信号通路（Wsp和YfiBNR通路）中存在稳定的单突变［5］。大规模DNA倒位也是SCV产生的重要原因。S. aureus通过I型限制性修饰系统（T1 restriction-modification，T1RM）基因重组，在拟核上发生不对称倒位［8］。PA-SCV也存在大量DNA倒置，丝状噬菌体Pf4与诱导PA菌株PAO1的SCV表型相关，且能产生介导DNA倒位的反式作用因子［9］。其他可移动遗传元件也影响SCV表型，质粒常诱导耐药基因转移，转座子可在SCV基因组中移动，并介导部分毒力或适应性基因的转移和插入。如TASHIRO等［10］报道，大肠埃希菌F质粒中的Tn1000插入hem B基因产生了SCV。

1.3 代谢特征

SCV的一个显著代谢特征表现为营养缺陷。大部分营养缺陷型Sau-SCV在电子传递路径上存在缺陷，并且依赖于胸苷、甲萘醌、氯化血红素、硫胺素、长链脂肪酸和CO2等恢复生长速率［2］。SCV代谢水平低下，能量代谢表现为TCA循环受阻和糖酵解活性增加［11］。SCV的呼吸链功能受损，致使TCA循环和氧化磷酸化出现障碍，进而降低了对葡萄糖等能量物质的利用效率，引发膜电位降低和ATP合成能力下降，使其处于相对静止的休眠状态［2］。SCV糖酵解代偿性增加以补充能量。上述变化对所有细胞功能都有影响，包括氨基酸摄取、碳水化合物运输、细胞壁生物合成和DNA合成［3］。此外，SCV会加快胞外多糖的产生速率，在PA-SCV中Psl和Pel基因簇上调可调节胞外多糖合成增多［5］。在生化检测方面，SCV的甘露醇盐、过氧化氢酶和凝固酶等实验多呈阴性或培养超过18 h后才呈阳性，易与凝固酶阴性葡萄球菌（coagulase-negative Staphylococci，CNS）混淆，造成漏检［12］。

1.4 感染致病能力

SCV感染常见于多种疾病，如急性或慢性骨髓炎、人工关节与假体周围感染（periprosthetic joint infection，PJI）、CF、腹膜炎菌血症、肺部感染、腹膜炎以及糖尿病足溃疡等［2，12-13］。其中，Sau-SCV相关骨髓炎是导致关节置换术失败率增加和患者死亡率上升的常见原因［13］。CF是常染色体隐性遗传病，因Cl-和HCO3-分泌不足以及黏蛋白高分泌，引起长期肺部感染。病程早期S. aureus感染占主导地位，但随着年龄增长PA定植最为普遍，PA-SCV可帮助PA在肺内存活并且引起肺损伤，和患者临床预后差显著相关［14］。

SCV的感染特征主要包括：①黏附分子增多且毒力因子分泌减少。毒力因子包括蛋白酶、α-溶血素（α-hemolysin，Hla）、酚溶性调节蛋白（phenol-soluble modulin，PSM）等产生减少［15］，黏附蛋白包括细菌纤连蛋白结合蛋白A/B（fibronectin-binding protein A/B，FnBP A/B）、壁磷壁酸（wall teichoic acid，WTA）、含重复丝氨酸天冬氨酸蛋白D（serine aspartate repeat-containing protein D，SdrD）、富含丝氨酸的血小板黏附素（serine-rich adhesin for platelets，SraP）、凝集因子A（clumping factor A，ClfA）等表达上调［2］。此变化与SCV的整体调控系统［辅助基因调节（accessory gene regulator，Agr）和葡萄球菌附属调节因子A（Staphylococcal accessory regulatorA，SarA）降低，sigma B因子（sigma factor B，SigB）升高］相关［16］。②细胞内定植。SCV在细胞内形成储库导致中性粒细胞趋化性降低，血液存活率增加［7］。③生物膜形成增加。SCV在生物膜内生存能力显著增强。④抗生素耐药性显著增强［17-18］。⑤具有特定组织器官的侵袭性。例如S. aureus直接感染骨细胞时致病性强，可刺激破骨细胞因子分泌，引发病理性骨质流失［18］。

2 SCV的致病机制

2.1 细胞内入侵与定植

SCV是一种特殊的胞内细菌（intracellular bacteria，ICB），可感染组织细胞（如内皮细胞、上皮细胞、骨细胞、成骨细胞、角质形成细胞）以及吞噬细胞（如巨噬细胞和中性粒细胞），通过劫持感染细胞作为“特洛伊木马”，造成慢性或复发性感染［7］。在这个过程中，S. aureus高表达微生物表面蛋白，包括微生物表面成分可识别黏附基质分子（microbial surface components recognizing adhesion matrix molecule，MSCRAMM）［如SdrD、铁调节表面决定簇A（iron-regulated surface determinant A，IsdA）、自溶素A（autolysin A，AtlA）、凝集因子B（clumping factor B，ClfB）］、细胞表面动态和重塑酶［如葡萄球菌保守外泌蛋白D（Staphylococcal conserved exported protein D，SceD）、O-乙酰转移酶A（O-acetyltransferase A，OatA）］、壁磷壁酸生物合成因子［磷壁酸核糖醇聚合酶K （teichoic acid ribitol polymerase K，tarK）、磷壁酸糖基化酶O（teichoic acid glycosylation enzyme O，tagO）］和免疫调节因子［如葡萄球菌蛋白A（Staphylococcal protein A，Spa）、趋化抑制蛋白（chemotaxis inhibitory protein，Chp）、葡萄球菌激酶（staphylokinase，Sak）］等黏附于体表特定区域，如皮肤、鼻腔以及胃肠道［15］。S. aureus凭借一种“拉链机制”侵入宿主细胞。细菌表面通过暴露MSCRAMM家族的FnBP-A和FnBP-B蛋白与细胞纤连蛋白（Fn）相结合，随后与宿主细胞表面的整合素α5β1受体（即纤连蛋白受体）发生相互作用，致使整联蛋白聚集，进而引发质膜内陷形成内吞泡，最终将细菌包裹内化进入细胞［3，7］。除了FnBP-Fn-α5β1整合素途径，JOSSE等［19］还提出了入侵宿主细胞的非纤连蛋白依赖性次级机制，即通过SdrD-桥粒糖蛋白1（SdrD-desmoglein1）、ClfA-纤维蛋白原（ClfA-fibrinogen）、Atl-Hsc70和SraP-Gp340等相互作用介导细胞黏附。S. aureus还分泌一些因子抵抗宿主免疫防御。例如，铁调节的IsdA可以增强细菌细胞的疏水性，帮助S. aureus抵抗皮肤表面杀菌性脂肪酸［3，12］。

当S. aureus成功入侵细胞后，会诱导细胞内产生炎症风暴，促进宿主细胞对细菌进行有效的降解，使得胞内野生菌数量急剧减少，而SCV的数量则大幅增加［20］。巨噬细胞受SCV感染可成为细菌池，在血液中循环并裂解健康宿主细胞，释放嗜酸性细菌扩大感染［17］。S. aureus在入侵专职和非专职吞噬细胞后结果不同，被吞噬细胞吞噬后绝大部分在吞噬溶酶体的酸性微环境中休眠并转化为SCV［7］。低pH环境下Agr上调，有利于SCV的存活和复制。在巨噬细胞中重碳酸盐转运蛋白SLC4A7的SCV缺陷突变体可通过干扰吞噬体酸化减少SCV［21］。在非吞噬细胞中SCV容易发生吞噬体逃逸，随后在胞质溶胶内复制，并引起多种细胞毒性和免疫原性效应，导致细胞溶解和SCV释放［22］。吞噬体逃逸涉及多种机制，特别是Agr系统，成孔α-毒素和PSM-α在吞噬体逃逸过程中起到重要作用［23］。

2.2 免疫逃避与生物膜形成

SCV免疫逃避的机制颇为复杂。调控因子如Agr、SigB、SarA、CodY等遗传变化与Sau-SCV形成紧密相关，构成了一个复杂的调控网络［16，22］。许多典型的免疫激活过程由Agr系统调控，该系统是一种群体感应系统（quorum sensing，QS），由RNAⅡ和RNAⅢ构成。其中，RNAⅡ操纵子包括agrBDCA基因，参与QS信号分子自动诱导肽的产生和检测；而RNAⅢ作为Agr的细胞内效应因子，可上调毒力基因并下调黏附分子［3］。当QS感应种群达到临界密度时，Agr系统被激活触发毒素、脂肪酶等产生，消除吸收的免疫细胞并形成脓肿［18］。相反，在慢性SCV感染阶段，RNAⅢ分子缺失，Agr活性处于最低水平，毒力因子表达减少，SCV因低免疫原性得以持续存在。此外，S. aureus生长停滞促进替代σ因子SigB的表达。SigB是S. aureus环境应激反应的重要调节剂，也是引发S. aureus慢性骨感染的重要因素［2-3］。与Agr不同的是，SigB正向调控细胞表面蛋白表达，同时负向调控α溶血素等外毒素表达。CodY是一种转录抑制因子和营养感应调节因子，可调节中枢碳代谢、支链氨基酸（branched-chain amino acid，BCAA）代谢和毒力基因，整合环境营养信号和GTP水平来调节代谢和毒力基因表达［16］。

SCV胞内感染免疫原性较弱，中性粒细胞趋化减少。此外，免疫细胞的表观遗传在其中也发挥着重要的调节作用。非编码RNA如microRNA h-let-7a可通过重塑炎症反应，帮助Sau-SCV在THP-1巨噬细胞中存活［24］。同时，染色体外DNA（extrachromosomal DNA，ecDNA）在生物膜形成中也扮演关键角色，它能够通过促进不可逆附着、诱导HGT进程、促进生物膜形成并增加药物耐药性［25］。此外，SCV还会刺激宿主细胞糖酵解活性增强，角质形成细胞可产生HIF 1-α和IL-1β。SCV通过有效激活宿主细胞糖酵解以及线粒体活性氧的产生，诱导坏死性凋亡，进而损害宿主免疫［11］。

在内植物（如钢板、螺钉、人工关节、心脏起搏器等）感染中，生物膜形成是SCV存活的关键因素［4-6］。生物膜可庇护休眠的SCV，使其免受诸如极端恶劣环境的影响，赋予SCV对抗菌剂及宿主免疫杀伤的强大抗性［18］。内植物表面为SCV提供了理想的黏附位点，而生物膜进一步增强了SCV的定植能力。SCV具有高度自凝集属性，PA-SCV纤毛增多、鞭毛运动性丧失、胞外多糖分泌增加，这些因素均有助于SCV紧密附着在内植物表面并形成生物膜［5］。在内植物相关感染中，生物膜不仅为SCV提供了物理保护屏障，还通过改变微环境（如缺氧、低pH）进一步促进 SCV的存活。生物膜中的SCV一般通过细胞间黏附基因簇（intercellular adhesion，ica）依赖或ica不依赖机制起作用。在ica依赖机制中，ica基因簇的4个基因icaADBC组成的操纵子上调，致使S. aureus多糖细胞间黏附素（polysaccharide intercellular adhesion，PIA）的产生升高。反之，ica非依赖性机制则源于一系列调控系统（包括Agr、SigB、SarA和RNAⅢ）的改变。这些改变可在暴露于环境应激源后自发产生，通过FnBP促进黏附，借助外蛋白酶和核酸酶抑制毒力，进而增强SCV生物膜形成。此外，双组分调控系统［如葡萄球菌呼吸应答调控系统AB（Staphylococcal respiratory response AB，SrrAB）和葡萄球菌附属调控系统RS（Staphylococcal accessory regulator RS，SaeRS］在电子传递系统中的突变也可调节SCV生物膜的形成，通过促进肽聚糖水解酶活性和FnbpA的生成，进一步增强SCV在内植物表面的定植能力［3］。

2.3 对抗菌药物的耐药性机制

SCV可以自发产生，而三氯生、冷应激、高流体静压力以及长期使用大剂量抗菌药物均可诱发其产生［25］。Sau-SCV呈现出对多种抗生素的耐药性，包括氨基糖苷类、磺胺甲唑、氟喹诺酮类、四环素、环丙沙星、利福平、苯唑西林、克林霉素、达托霉素和阳离子抗菌肽等［26］。

引起SCV耐药性的原因可能有以下5个方面：①抗生素跨膜转运障碍。氨基糖苷类等抗生素的摄取依赖细胞膜电位，药物分子经主动转运、巨胞饮或吞噬作用需要ATP，而SCV中ATP合成减少，膜电位水平低［13］。细胞膜穿透性低，细胞内蓄积有限，因此，SCV易对氨基糖苷类（如庆大霉素）和阳离子抗微生物肽产生抗性［27］。②免疫原性减弱。SCV毒力因子减弱使其在宿主体内较“隐匿”，可识别信号减少，能逃避免疫细胞的初始识别和攻击［28-29］。③药物外排系统活跃。S. aureus的P-糖蛋白外排泵高排泄、PA的外排泵MexXY和MexAB、孔蛋白如外膜蛋白H（outer membrane protein H，OprH）和外膜蛋白F（outer membrane protein F，OprF）以及脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）修饰系统表达增加与SCV对多种抗生素的耐药相关［20］。④抗生素失活。在吞噬溶酶体的苛刻酸性环境下，生物酶活性会强烈降低［18］。⑤菌群互作。混合细菌间相互作用可诱导耐药性产生，如PA产生2-正庚基-4-羟基喹啉N-氧化物和绿脓菌素会限制S. aureus生长并诱导SCV形成［27］。

3 SCV的治疗研究进展

SCV的传统治疗主要基于两大关键支柱：手术清创与关节或骨重建，以及长期抗生素治疗［18］。然而，SCV对各类抗生素的敏感性差异显著且难以预测。SCV可耐受大多数抗生素（包括万古霉素）的杀菌作用［22］，仅有利福平等少数胞内渗透性抗生素对ICB具有一定抑制能力［7］。即便如此，SCV治疗仍面临耐药频发和副作用较多的困境。近年来，纳米新型材料的出现，有效提高了抗生素胞内积聚的效率，为抗SCV治疗开辟了具有潜在应用前景的新途径［30］。

3.1 SCV的传统治疗

SCV治疗较为复杂，一般根据分离株的药敏特性，制定延长的抗生素治疗方案。通常选用细胞内摄取率高的抗生素，如万古霉素、利福平和氟喹诺酮类［22］。利福平能够穿透细胞并在细胞吞噬体中积聚，对Sau-SCV引起的PJI等疗效显著［18］。然而，利福平易耐药且具有肝毒性，故常与其他药物联用，包括万古霉素、达托霉素、环丙沙星、磺胺甲唑甲氧苄啶、克林霉素、米诺环素、利奈唑胺和夫西地酸［2］。联合治疗对增强细菌清除效果、预防耐药性出现十分必要，但SCV最佳治疗组合尚未明确［22］。克林霉素与利福平活性相似，且受低pH影响较小［31］。氟喹诺酮类药物对细胞内感染治疗效果良好，氧氟沙星似可限制SCV蓄积，但单独使用效果欠佳［7］。脂糖肽奥利万星可双重抑制肽聚糖与细胞膜合成，可能对Sau-SCV有特异性疗效，是针对menD和hemB突变Sau-SCV的高效抗生素［22］。

除抗生素治疗外，清除潜在的感染源，如受感染的血管内装置或植入物也非常重要［32］。密集的局部清创术是慢性骨髓炎以及PJI的传统治疗手段［13］。但即使经过彻底清创、移除假体及充分的抗生素治疗，许多感染仍对治疗无反应［22］。分子水平SCV耐药机制尚未明确，并且一般归因于大多数抗生素的不良细胞药代动力学或药效学、由吞噬体的恶劣环境引发的细菌应激反应和细胞持留菌与SCV表型分化的组合［7］。

3.2 新的SCV治疗策略

传统治疗具有一定的局限性和盲目性，主要源于SCV的高度异质性。SCV很难被简单归类为具有某种特性的细菌群体，而是具有不同代谢特征和致病机制的松散集合。这种多样性导致已知抗生素难以全面覆盖SCV的药敏谱，而且因其隐匿的免疫学特性也易致清创后感染灶残留。因此，准确识别慢性感染的SCV分子亚型并设计靶向药物是未来对抗感染慢性化的研究重点。当前，抗SCV研究聚焦于以下4个方面：

（1）新靶点开发。如ATP合成酶是SCV极具潜力的靶点。番茄红素作为一种甾体糖苷生物碱，可靶向ATP合酶的亚基C，相较于普通菌株，其对Sau-SCV具有特异性抑制作用［33］。白藜芦醇和云杉醇（2种其他ATP合酶抑制剂）对Sau-SCV抑制效果也更为显著［34］。

（2）改善感染微环境。载有抗生素的骨水泥为患者提供了更有效的保护［35］。载万古霉素的羟基磷灰石骨水泥推荐用于慢性骨髓炎治疗，可将感染率降低至0~20%［36］。含有庆大霉素和克林霉素的Copal骨水泥可抑制生物膜形成，用于治疗Sau-SCV相关的假体关节感染［37］。SCV感染常伴随酸性微环境，使用NaHCO3碱化感染灶对CF患者治疗有益［7］。体外实验表明，碱化处理可使伤口感染Sau-SCV数量减少90%，或为Sau-SCV相关疾病的最佳辅助治疗手段［38］。

（3）靶向递送抗生素。众多研究表明，纳米粒子给药系统可能是克服SCV耐药性的理想武器（表2），可实现靶向特异性、可控释放和低毒性的目标［30］。当前，研究纳米颗粒表面修饰策略以提升对SCV的选择性抗菌活性，已成为解决SCV治疗难题的新途径。裂解酶和细胞穿透肽的组合可显著改善细胞及动物模型中的胞内杀菌性能，因此细胞穿透酶类制剂也是一种极具前景的胞内抗菌方法［39］。

表2   纳米颗粒靶向递送抗SCV抗生素的载体类型

Tab 2  Nanocarrier types for targeted delivery of antibiotics against SCVs

Carrier typeDelivery vehicleLoaded antibioticSCV infection model
Lipid NanoparticlesPoly lactic-co-glycolic acid (PLGA) nanoparticles[40]RifampinMurine macrophage Sau-SCV infection model
Silica NanoparticlesMesoporous silica nanoparticles (MSNPs)[41]RifampinMurine macrophage Sau-SCV infection model
Silica NanoparticlesOrganically modified (ethylene-bridged) MSNPs (MONs)[42]RifampinMurine macrophage Sau-SCV infection model
NanogelsDual-responsive nanogels[20]GentamicinMouse peritonitis model
NanogelsGelatin-alginate composite nanogels[43]EnrofloxacinSau-SCV strain
NanogelsChitosan oligosaccharide-carboxymethyl cellulose composite nanogels[44]TilmicosinSau-SCV strain
NanogelsComposite nanogels[45]FlorfenicolMurine mastitis model
NanogelsChitosan composite nanogels[46]Glycyrrhizic acidSau-SCV strain

新窗口打开| 下载CSV


（4）靶向物理抗菌疗法。抗菌光动力学疗法（antimicrobial photodynamic therapy，APDT）和光声诱导光声流系统（photoacoustically induced photodynamic streaming，PIPS）是极具潜力的方法。纳米颗粒组合APDT和PIPS相结合，能够破坏细菌细胞壁、DNA、生物膜和细菌膜蛋白的功能完整性［30］。例如KARAMI等［47］通过在Yb/Tm上转换纳米颗粒的简单多步合成，制备出ZnO包被的β-NaYF4，成功实现对Sau-SCV的抗菌光动力疗法。

4 结语

SCV作为胞内菌的特殊亚群，与抗生素多重耐药引发的沉重疾病负担紧密相连。SCV生长缓慢，代谢水平低，通过增强生物膜形成及细胞内定植引发强烈的耐药性，致使感染慢性化，预后不佳［7］。许多抗SCV剂具有低细胞膜渗透性（β-内酰胺类和氨基糖苷类）和细胞内不持久保留（氟喹诺酮类和大环内酯类）、细胞内分布不足和胞内浓度低的缺陷［20］。目前全球饱受抗生素耐药威胁，SCV的治疗思路也亟待突破［18］。SCV的抗菌挑战一方面在于SCV在吞噬溶酶体的有效逃逸、抗生素敏感性恢复以及原位细胞内抗生素递送，需优化纳米载体负载抗生素的细胞药代动力学和药效学并实现靶向感染灶富集［20，32］；另一方面多数靶向抗菌纳米颗粒抗菌谱窄，仅针对特定SCV亚型有效。面对临床复杂感染有心无力，还伴有耐药反制不足、体内分布难控、精准识别局限等问题［18］。应对SCV感染需综合施策，联合使用抗生素、去除生物膜感染、开发新抗菌策略缺一不可，营养支持和合并症管理等支持性护理也很关键［22］。随着单细胞测序、人工智能、CRISPR-Cas系统基因编辑等技术的发展，深挖SCV的特征及细胞命运变化，探索SCV细胞异质性和潜在靶点，优化纳米粒子以满足临床需求，可助力诊断工具和药物开发［15］。噬菌体治疗也在研究和临床应用中渐受青睐［18］。未来有望研制更多新型生物材料，为SCV治疗开辟新径。

作者贡献声明

梁效宁参与了论文的起草和写作，石亭旺、陈云丰参与了论文的修改和审定。所有作者均阅读并同意了最终稿件的提交。

AUTHOR's CONTRIBUTIONS

The manuscript was drafted and written by LIANG Xiaoning. The manuscript was revised and finalized by SHI Tingwang and CHEN Yunfeng. All authors have read the final version of the paper and consented to submission.

利益冲突声明

所有作者声明不存在利益冲突。

COMPETING INTERESTS

All authors disclose no relevant conflict of interests.

参考文献

SHI T W, WU Q, RUAN Z S, et al. Resensitizing β-lactams by reprogramming purine metabolism in small colony variant for osteomyelitis treatment[J]. Adv Sci (Weinh), 2025, 12(5): e2410781.

[本文引用: 2]

ZHOU S Z, RAO Y F, LI J, et al. Staphylococcus aureus small-colony variants: formation, infection, and treatment[J]. Microbiol Res, 2022, 260: 127040.

[本文引用: 12]

MAPAR M, RYDZAK T, HOMMES J W, et al. Diverse molecular mechanisms underpinning Staphylococcus aureus small colony variants[J]. Trends Microbiol, 2025, 33(2): 223-232.

[本文引用: 10]

GIMZA B D, CASSAT J E. Mechanisms of antibiotic failure during Staphylococcus aureus osteomyelitis[J]. Front Immunol, 2021, 12: 638085.

[本文引用: 2]

XU A M, ZHANG X X, WANG T, et al. Rugose small colony variant and its hyper-biofilm in Pseudomonas aeruginosa: adaption, evolution, and biotechnological potential[J]. Biotechnol Adv, 2021, 53: 107862.

[本文引用: 4]

TSUJINO Y, OGAWA E, ITO K. Thymidine-dependent small-colony variants of Staphylococcus aureus isolated from infective endocarditis in a postlung transplant patient[J]. Transpl Infect Dis, 2024, 26(1): e14176.

[本文引用: 2]

GOORMAGHTIGH F, VAN BAMBEKE F. Understanding Staphylococcus aureus internalisation and induction of antimicrobial tolerance[J]. Expert Rev Anti Infect Ther, 2024, 22(1/2/3): 87-101.

[本文引用: 10]

GUÉRILLOT R, KOSTOULIAS X, DONOVAN L, et al. Unstable chromosome rearrangements in Staphylococcus aureus cause phenotype switching associated with persistent infections[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2019, 116(40): 20135-20140.

[本文引用: 1]

PROKOPCZUK F I, IM H, CAMPOS-GOMEZ J, et al. Engineered superinfective pf phage prevents dissemination of Pseudomonas aeruginosa in a mouse burn model[J]. mBio, 2023, 14(3): e0047223.

[本文引用: 1]

TASHIRO Y, EIDA H, ISHII S, et al. Generation of small colony variants in biofilms by Escherichia coli harboring a conjugative F plasmid[J]. Microbes Environ, 2017, 32(1): 40-46.

[本文引用: 1]

WONG FOK LUNG T, MONK I R, ACKER K P, et al. Staphylococcus aureus small colony variants impair host immunity by activating host cell glycolysis and inducing necroptosis[J]. Nat Microbiol, 2020, 5(1): 141-153.

[本文引用: 2]

KWIECINSKI J M, HORSWILL A R. Staphylococcus aureus bloodstream infections: pathogenesis and regulatory mechanisms[J]. Curr Opin Microbiol, 2020, 53: 51-60.

[本文引用: 3]

SHEYKHSARAN E, ABBASI A, MEMAR M Y, et al. The role of Staphylococcus aureus in cystic fibrosis pathogenesis and clinico-microbiological interactions[J]. Diagn Microbiol Infect Dis, 2024, 109(3): 116294.

[本文引用: 4]

TOMAZ A P O, SOUZA D C, COGO L L, et al. Thymidine-dependent Staphylococcus aureus and lung function in patients with cystic fibrosis: a 10-year retrospective case-control study[J]. J Bras Pneumol, 2024, 50(4): e20240026.

[本文引用: 1]

BURFORD-GORST C M, KIDD S P. Phenotypic variation in Staphylococcus aureus during colonisation involves antibiotic-tolerant cell types[J]. Antibiotics (Basel), 2024, 13(9): 845.

[本文引用: 3]

LI X F, BUSCH L M, PIERSMA S, et al. Functional and proteomic dissection of the contributions of CodY, SigB and the hibernation promoting factor HPF to interactions of Staphylococcus aureus USA300 with human lung epithelial cells[J]. J Proteome Res, 2024, 23(10): 4742-4760.

[本文引用: 3]

ALVES J, VRIELING M, RING N, et al. Experimental evolution of Staphylococcus aureus in macrophages: dissection of a conditional adaptive trait promoting intracellular survival[J]. mBio, 2024, 15(6): e0034624.

[本文引用: 2]

STRAUB J, BAERTL S, VERHEUL M, et al. Antimicrobial resistance: biofilms, small colony variants, and intracellular bacteria[J]. Injury, 2024, 55(Suppl 6): 111638.

[本文引用: 10]

JOSSE J, LAURENT F, DIOT A. Staphylococcal adhesion and host cell invasion: fibronectin-binding and other mechanisms[J]. Front Microbiol, 2017, 8: 2433.

[本文引用: 1]

XIE S, LI Y, CAO W X, et al. Dual-responsive nanogels with cascaded gentamicin release and lysosomal escape to combat intracellular small colony variants for peritonitis and sepsis therapies[J]. Adv Healthc Mater, 2024, 13(14): e2303671.

[本文引用: 5]

SEDLYAROV V, EICHNER R, GIRARDI E, et al. The bicarbonate transporter SLC4A7 plays a key role in macrophage phagosome acidification[J]. Cell Host Microbe, 2018, 23(6): 766-774.e5.

[本文引用: 1]

VOLK C F, PROCTOR R A, ROSE W E. The complex intracellular lifecycle of Staphylococcus aureus contributes to reduced antibiotic efficacy and persistent bacteremia[J]. Int J Mol Sci, 2024, 25(12): 6486.

[本文引用: 8]

MOLDOVAN A, FRAUNHOLZ M J. In or out: phagosomal escape of Staphylococcus aureus[J]. Cell Microbiol, 2019, 21(3): e12997.

[本文引用: 1]

MAGRYŚ A, BOGUT A. microRNA hsa-let-7a facilitates staphylococcal small colony variants survival in the THP-1 macrophages by reshaping inflammatory responses[J]. Int J Med Microbiol, 2021, 311(8): 151542.

[本文引用: 1]

GUO H N, TONG Y C, CHENG J H, et al. Biofilm and small colony variants-an update on Staphylococcus aureus strategies toward drug resistance[J]. Int J Mol Sci, 2022, 23(3): 1241.

[本文引用: 2]

ZHENG X K, FANG R C, WANG C, et al. Resistance profiles and biological characteristics of rifampicin-resistant Staphylococcus aureus small-colony variants[J]. Infect Drug Resist, 2021, 14: 1527-1536.

[本文引用: 1]

GOUNANI Z, KARAMAN D Ş, VENU A P, et al. Coculture of P. aeruginosa and S. aureus on cell derived matrix: An in vitro model of biofilms in infected wounds[J]. J Microbiol Methods, 2020, 175: 105994.

[本文引用: 2]

DOUGLAS E J A, DUGGAN S, BRIGNOLI T, et al. The MpsB protein contributes to both the toxicity and immune evasion capacity of Staphylococcus aureus[J]. Microbiology (Reading), 2021, 167(10): 001096.

[本文引用: 1]

HÄFFNER N, BÄR J, DENGLER HAUNREITER V, et al. Intracellular environment and agr system affect colony size heterogeneity of Staphylococcus aureus[J]. Front Microbiol, 2020, 11: 1415.

[本文引用: 1]

ZHOU K X, LI C, CHEN D M, et al. A review on nanosystems as an effective approach against infections of Staphylococcus aureus[J]. Int J Nanomedicine, 2018, 13: 7333-7347.

[本文引用: 3]

CAMPBELL A J, DOTEL R, BRADDICK M, et al. Clindamycin adjunctive therapy for severe Staphylococcus aureus treatment evaluation (CASSETTE): an open-labelled pilot randomized controlled trial[J]. JAC Antimicrob Resist, 2022, 4(1): dlac014.

[本文引用: 1]

SUBRAMANIAM S, JOYCE P, CONN C E, et al. Cellular uptake and in vitro antibacterial activity of lipid-based nanoantibiotics are influenced by protein Corona[J]. Biomater Sci, 2024, 12(13): 3411-3422.

[本文引用: 2]

LANGLOIS J P, LAROSE A, BROUILLETTE E, et al. Mode of antibacterial action of tomatidine C3-diastereoisomers[J]. Molecules, 2024, 29(2): 343.

[本文引用: 1]

VESTERGAARD M, ROSHANAK S, INGMER H. Targeting the ATP synthase in Staphylococcus aureus small colony variants, Streptococcus pyogenes and pathogenic fungi[J]. Antibiotics (Basel), 2021, 10(4): 376.

[本文引用: 1]

BERBERICH C E, JOSSE J, LAURENT F, et al. Dual antibiotic loaded bone cement in patients at high infection risks in arthroplasty: rationale of use for prophylaxis and scientific evidence[J]. World J Orthop, 2021, 12(3): 119-128.

[本文引用: 1]

JOOSTEN U, JOIST A, GOSHEGER G, et al. Effectiveness of hydroxyapatite-vancomycin bone cement in the treatment of Staphylococcus aureus induced chronic osteomyelitis[J]. Biomaterials, 2005, 26(25): 5251-5258.

[本文引用: 1]

ENSING G T, VAN HORN J R, VAN DER MEI H C, et al. Copal bone cement is more effective in preventing biofilm formation than Palacos R-G[J]. Clin Orthop Relat Res, 2008, 466(6): 1492-1498.

[本文引用: 1]

JAIKUMPUN P, RUKSAKIET K, STERCZ B, et al. Antibacterial effects of bicarbonate in media modified to mimic cystic fibrosis sputum[J]. Int J Mol Sci, 2020, 21(22): 8614.

[本文引用: 1]

RÖHRIG C, HUEMER M, LORGÉ D, et al. Targeting hidden pathogens: cell-penetrating enzybiotics eradicate intracellular drug-resistant Staphylococcus aureus[J]. mBio, 2020, 11(2): e00209-20.

[本文引用: 1]

MAGHREBI S, JOYCE P, JAMBHRUNKAR M, et al. Poly(lactic- co-glycolic) acid-lipid hybrid microparticles enhance the intracellular uptake and antibacterial activity of rifampicin[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2020, 12(7): 8030-8039.

[本文引用: 1]

JOYCE P, ULMEFORS H, MAGHREBI S, et al. Enhancing the cellular uptake and antibacterial activity of rifampicin through encapsulation in mesoporous silica nanoparticles[J]. Nanomaterials (Basel), 2020, 10(4): 815.

[本文引用: 1]

JAMBHRUNKAR M, MAGHREBI S, DODDAKYATHANAHALLI D, et al. Mesoporous organosilica nanoparticles to fight intracellular staphylococcal aureus infections in macrophages[J]. Pharmaceutics, 2023, 15(4): 1037.

[本文引用: 1]

LUO W H, LIU J H, ALGHARIB S A, et al. Antibacterial activity of enrofloxacin loaded gelatin-sodium alginate composite nanogels against intracellular Staphylococcus aureus small colony variants[J]. J Vet Sci, 2022, 23(3): e48.

[本文引用: 1]

LUO W H, LIU J H, ZHANG S L, et al. Enhanced antibacterial activity of tilmicosin against Staphylococcus aureus small colony variants by chitosan oligosaccharide-sodium carboxymethyl cellulose composite nanogels[J]. J Vet Sci, 2022, 23(1): e1.

[本文引用: 1]

LIU J H, JU M J, WU Y F, et al. Antibacterial activity of florfenicol composite nanogels against Staphylococcus aureus small colony variants[J]. J Vet Sci, 2022, 23(5): e78.

[本文引用: 1]

JU M J, LIU J H, GUAN D, et al. WITHDRAWN: antibacterial activity of a novel glycyrrhizic acid-loaded chitosan composite nanogel in vitro against Staphylococcus aureus small colony variants[J]. Curr Drug Deliv, 2025.

[本文引用: 1]

KARAMI A, FARIVAR F, DE PRINSE T J, et al. Facile multistep synthesis of ZnO-coated β-NaYF4: Yb/Tm upconversion nanoparticles as an antimicrobial photodynamic therapy for persistent Staphylococcus aureus small colony variants[J]. ACS Appl Bio Mater, 2021, 4(8): 6125-6136.

[本文引用: 1]

/

〈 〉