「超級細菌」或致無葯可用？

我國是抗菌藥物最大的生產和使用國。抗菌藥物被稱為最偉大的發明之一，並被廣泛應用於醫療衛生、農業養殖等領域，在治療感染性疾病、防治動物疫病、提高養殖效益和保障公共衛生安全等方面發揮重要作用。但是，近年來，細菌耐葯事件頻頻發生，對公共衛生形成重大威脅，世界衛生組織多次呼籲合理使用抗生素。

細菌耐葯已成為一個嚴峻的全球性問題，許多嚴重感染處於無葯可選的尷尬境地。為使大眾了解細菌耐藥性的一些相關知識，《科學通報》第17期對話深圳市食品生物性安全防控研究重點實驗室主任、香港理工大學食物安全及技術研究中心副主任、香港食物安全中心專家組成員、香港理工大學陳聲教授。

陳聲，2000~2004年在美國馬里蘭大學攻讀博士學位, 從事食源性病原菌耐葯機理的研究; 2004~2009年在美國威斯康星醫學院開展博士後研究工作, 從事細菌致病性和毒素結構功能研究; 2009年至今在香港理工大學先後任助理教授、副教授和教授, 長期從事微生物病原菌耐葯機制、致病機制及新抗生素開發等研究。已主持國家重點基礎研究發展計劃(973)1項、深圳市重點實驗室項目1項、香港研究資助局、傳染病控制專項基金和香港理工大學研究項目16項。

《科學通報》：請您簡要介紹一下目前國內外細菌耐藥性的研究及發展情況。

陳聲：17年前, 我的第一個細菌耐藥性的研究課題是從肉類食品中分離到攜帶blaCMY-2型β-內醯胺酶的沙門菌, 該研究結果發表在2001年的New Engl J Med。這說明當時細菌耐藥性還很低, 而且倍受人們的重視。隨後的一個課題是比較從美國和中國不同來源分離到的大腸桿菌和沙門菌的耐藥性差異。研究發現, 從中國分離到的菌株對氟喹諾酮抗生素的耐藥性比美國分離株要高; 而中國分離到的菌株對頭孢菌素類抗生素耐藥性為零, 美國分離的部分菌株對頭孢菌素類抗生素已經開始產生耐葯, 這與兩個國家當時的畜牧業抗生素使用情況吻合。在中國, 氟喹諾酮類抗生素已經廣泛應用於食品動物的養殖中, 而頭孢菌素類抗生素由於價格偏高, 很少在動物上使用。與之相反, 美國對氟喹諾酮類藥物在動物上的使用控制較為嚴格, 然而頭孢類抗生素頭孢噻呋當時已被批准用於動物疾病治療。抗生素使用的不同導致細菌耐葯譜在兩個國家存在巨大差別, 同時從側面說明了在動物中使用氟喹諾酮類和頭孢菌素類抗生素是推動細菌耐藥性產生和流行的主要原因。西方國家對病原菌的耐藥性一直以來都非常重視, 美國於1996年成立了國家耐藥性監測系統(NARMS), 對重要食源性病原菌的耐藥性進行長期監測。監測數據表明這些重要食源性病原菌的耐藥性總體維持在較低水平, 例如沙門菌對頭孢類抗生素的耐藥性在4%左右, 對氟喹諾酮的耐葯低於1%。然而, 近10年是中國細菌耐藥性快速發展的階段, 細菌對臨床重要抗生素的耐葯率呈直線上升的趨勢。令人擔憂的是, 目前這種上升趨勢並未緩解, 反而促使耐葯菌向著高毒力和高傳播的方向發展, 給養殖業、環境和人體健康構成巨大的威脅。

《科學通報》：細菌耐藥性相對比較寬泛, 不同的細菌與不同的藥物間會有不同的耐藥性。請您介紹一下目前對大眾影響較大的抗生素及其耐葯菌間的初步研究進展。

陳聲：氟喹諾酮和頭孢類抗生素是較早使用的抗菌藥物。在腸桿菌科細菌中, 目前造成頭孢類抗生素耐葯最為流行的是CTX-M型超廣譜β-內醯胺酶(ESBL)。CTX-M型超廣譜β-內醯胺酶於2002年首次在我國臨床大腸桿菌中報 道, 並於2006在香港和內地的動物大腸桿菌中分離。隨後幾年, CTX-M型超廣譜β-內醯胺酶在動物和臨床大腸桿菌中快速傳播。我們近兩年對動物源大腸桿菌的研究發現, 雞肉和豬肉中分離的大腸桿菌的blaCTX-M基因陽性率接近70%, 而養殖場豬和雞糞便中分離大腸桿菌的blaCTX-M陽性率超過95%。對於臨床分離菌, 2016年的CHINET數據表明其大腸桿菌ESBL檢出率高達45%。

沙門菌是人和動物重要的病原菌, 而氟喹諾酮是用於治療臨床沙門菌感染的重要藥物。氟喹諾酮耐葯的沙門菌分別於2008和2010年首次在我國臨床和動物的沙門氏菌中報道; 頭孢噻呋耐葯的沙門菌在2009和2010年分別在臨床和動物的沙門菌中報道。以往的研究顯示沙門菌的氟喹諾酮耐葯主要是由於gryA基因的雙重突變導致。然而沙門菌gryA基因的雙重突變很少發生, 因此沙門菌氟喹諾酮耐葯很低。而我們最近的研究發現臨床分離鼠傷寒沙門菌對氟喹諾酮耐葯率從2006年的20%上升到2013年的45%。究其原因, 主要為質粒介導的喹諾酮耐葯基因的產生。沙門菌可通過攜帶多種質粒介導的喹諾酮耐葯基因來替代gryA基因的雙重突變而產生氟喹諾酮耐葯。這一新的耐葯機制的出現, 使得沙門菌的治療少了一種重要的抗生素選擇。

霍亂弧菌、副溶血弧菌等是引起腹瀉重要的病原菌。過去幾年其對常用抗生素尤其是對氟喹諾酮和頭孢類抗生素的耐藥性一直保持較低水平，但近年來耐藥性也逐漸上升。我們從2011年開始持續跟蹤弧菌的耐藥性變化, 到2016年, 弧菌氟喹諾酮的耐葯率已達到30%左右, 其中靶基因突變和攜帶不同類型的qnrVC基因是介導氟喹諾酮耐葯的主要機制。弧菌對頭孢類的耐葯率在2016年達到20%左右。有意思的是, 介導頭孢類抗生素耐葯的機制在不斷的變化, 從最早發現的PER-1頭孢菌素酶到CMY-2到VEB-2又到了在腸桿菌科細菌中最流行的CTX-M類ESBL。 在此過程中前面的頭孢菌素酶漸漸消失, 新出現的不斷增加。介導這種耐葯進化的機制還是一個謎, 有待進一步研究。

碳青黴烯類抗生素是治療ESBL等耐葯菌極為有效的藥物, 然而其耐葯率也快速上升。根據2016 CHINET耐葯監測網數據, 我國臨床肺炎克雷伯菌的碳青黴烯耐葯率從2005年的3%上升到2016年的18.6%。碳青黴烯酶NDM-1和KPC-2的傳播是導致碳青黴烯耐葯率上升的主要因素。對耐葯機制的進一步研究表明, 攜帶KPC-2的質粒具有多樣性, 而攜帶NDM-1基因的質粒主要是由IncX3型質粒介導的。不管相對多樣性的KPC-2介導質粒或相對單一性的NDM-1介導質粒, 其攜帶KPC-2或NDM-1基因的移動元件是非常保守的, 說明了這些保守移動元件的轉移是介導碳青黴烯耐藥性傳播的主要因素。由於碳青黴烯類抗生素耐葯率的不斷上升, 臨床上也出現了高毒力、高耐葯和高傳播力的肺炎克雷伯菌。這些病原菌入血後可造成高死亡率, 而這類菌的治療成為臨床最為棘手的問題。

另外一個非常重要的藥物為多黏菌素, 多黏菌素被認為是治療碳青黴烯耐葯菌的最後一道防線。事實上多黏菌素是一劑「老葯」, 在我國耳腎毒性多黏菌素僅僅在動物上使用, 在臨床上尚未開始使用。近期我國會逐漸停止在農業上使用多黏菌素, 而開始應用於臨床抗多重耐葯菌的治療。但是由於長期在動物上使用,多黏菌素的耐葯率不斷增加。我國科學家2015年底發現了耐多黏菌素的mcr-1基因。自此, 它已在世界各地30多個國家被報道。mcr-1基因多數情況下由可接合的質粒介導, 並在大腸桿菌和其他細菌中廣泛傳播。目前研究表明,mcr-1主要由3種不同類型的質粒介導。然而攜帶mcr-1基因的移動元件也非常保守, 而且可以形成環狀中間體, 並介導mcr-1基因在不同質粒甚至染色體上轉移。雖然mcr-1基因對多黏菌素的療效的影響尚未明確, 但其傳播嚴重威脅了多黏菌素作為細菌感染的最後一道防線的地位。

除了革蘭陰性菌, 革蘭陽性菌的耐藥性問題也非常值得關注。金黃色葡萄球菌是醫院感染重要的病原菌, 當金黃色葡萄球菌以神奇的速度變成耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA), 隨後耐萬古黴素的MRSA陸續被報道,讓全世界預感超級細菌年代的來臨。值得慶幸的是, 耐萬古黴素金黃色葡萄球菌仍然很低, 可能金黃色葡萄球菌很難產生萬古黴素耐葯。最近科學家們又發現了幾種可治療革蘭陽性菌的新抗生素, 似乎金黃色葡萄球菌的治療不是難題。但是, 腸球菌的耐葯悄然出現, 其對萬古黴素的耐葯逐年上升, 對新葯達托黴素的耐葯也快速上升。另外一個潛在的問題是: 造成腸球菌萬古黴素耐葯的機制是否將來有一天會在金黃色葡萄球菌適應並傳播, 這將會是另一個世界性抗感染治療難題。

《科學通報》：據了解，細菌耐藥性仍在高速發展，基因技術也逐步運用到細菌耐藥性研究, 能否為我們簡單介紹相關的研究進展?

陳聲：研究細菌耐藥性近20年以來, 我深切感受到細菌耐葯的嚴重性。而近10年我國細菌耐藥性到了一個高速發展的時期,從臨床最常用的氟喹諾酮和頭孢類抗生素到抗感染最後防線的碳青黴烯類抗生素和多黏菌素, 細菌都可以從自然界中找到最好的應對方法, 就是各種各樣的耐葯基因。這些耐葯基因都是源於不同的細菌, 是細菌用於競爭和自身生存的遺傳因素, 並屬於這些特定的細菌。當細菌在長期抗生素的選擇壓力下, 這些耐葯基因的兩端被裝上不同的轉座酶基因, 形成可移動的元件。同時細菌染色體外遺傳物質如噬菌體和質粒也在長期抗生素的選擇壓力下進行進化和重組, 形成不同種類的可接合質粒。攜帶耐葯基因的移動元件可被整合到不同的質粒上, 並在不同種屬的細菌中進行轉移, 極大地加速細菌耐藥性的產生和發展。隨著過去幾十年的積累, 這種攜帶耐葯基因的移動元件的種類越來越多, 同時耐葯質粒的種類也越來越多。當自然界中這種類似「積木」的材料的種類越來越多時, 細菌就可以組裝出超級質粒以介導多種抗生素的耐藥性。藉助於現代二代和三代測序技術的進步, 我們得以獲得各種各樣的質粒序列來研究多重耐葯質粒的組成和進化，結果幾乎令我們絕望。細菌可在一種質粒上裝上各種各樣的攜帶不同耐葯基因的移動元件, 產生一個介導多重耐葯的超級質粒。一個敏感細菌在獲得這個質粒後可馬上變成一個超級細菌。更為嚴重的是, 不同轉座酶還可介導質粒重組, 將兩種或多種不同質粒整合成一個質粒, 使它變成一個可適應多種宿主的廣譜耐葯質粒。隨著質粒和耐葯移動元件的種類增加, 細菌可在各種各樣的生態環境和小生境中, 如水和土壤環境、動物和人的腸道環境、醫院環境和食物環境等進行質粒組合和進化, 快速組裝出適應不同種屬細菌的多重耐葯的可接合質粒。今後細菌耐藥性的發展會變得越來越快和越來越難以控制。

《科學通報》：最後, 請結合您的研究數據預測一下未來細菌耐藥性的發展狀況。

陳聲：我個人認為細菌耐藥性的問題才剛剛開始, 在不久的將來會變得更為嚴重。人類回到前抗生素時代或進入後抗生素時代的預言將很快實現或已經到來。隨著因細菌感染而死亡的患者的增加, 臨床上不得不使用更好的抗生素, 在沒有更有效的後備藥物的情況下, 人類醫學將退回原始年代, 一個簡單的手術將可使人致命。人和病原菌的戰爭是長期的, 尋找解決細菌耐藥性的方法不僅僅是全世界科學家的最緊要任務, 也是全世界人們要共同面對的問題。目前全世界各個國家、世界衛生組織等機構已經開始嘗試不同的計劃, 如減少動物使用抗生素、停止在動物上使用人用重要抗生素如多黏菌素、臨床上合理使用抗生素等措施。期望通過這些措施來緩解細菌耐藥性的問題, 並不斷探索和研究, 希望有一天能夠找到行之有效的解決方法。

張東梅，王元火. 對話陳聲：關注細菌耐葯. 科學通報, 2017, 62: 1795–1797

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