科学家揭示超级细菌产生耐药基因原因(组图)


末日病菌
揭开“末日病菌”的面纱

末日病菌
自然界(非临床环境)中本来就存在大量的“天然耐药基因”,而人类对抗生素的滥用如同“筛选压力”,筛选并整合有 “耐药基因”的病菌,使得后者最终成为人类的噩梦——临床上的“耐药菌”。

末日病菌
2004年耐药、高致病性的难辨梭状菌在北美和西欧流行。仅在加拿大魁北克一地的爆发就造成7000名重症患者和1300人的死亡。

万古霉素曾被誉为抗生素的最后一道防线,当这道防线失守后,人们开始广泛使用碳青霉烯抗生素。如今携带NDM-1基因的耐药菌开始流行,表明在抗生素研发与微生物变异之间的赛跑上,后者再次取得了胜利。这或许是人类噩梦的开始。

就在WHO宣布甲型H1N1流感疫情进入尾声的几天后,人们又听到了所谓的“末日细菌”的坏消息。

在印度等南亚国家出现的“超级病菌”NDM-1,目前已经蔓延到欧美多个国家。这一新型的耐药菌与以往的耐药菌如甲氧西林耐药菌 (MRSA)有很大的不同,它其实并不是一种细菌,而是一种由特殊的耐药基因编码的酶,因此它的出现引起了科学界的高度关注,更有媒体以《超级病毒NDM1不怕抗生素,末日细菌恐全球散播》为题进行耸人听闻的报道。

“百毒不侵”的机制

8月11日的《柳叶刀》杂志发表题为“印度、巴基斯坦、英国发现新的病原菌耐药机制”的论文,文章对这一新发现的耐药基因进行了分子生物学、生物学、流行病学等方面的研究。科学家将它命名为新德里-金属β-内酰胺酶基因 (New Delhi Metalo-1),简称NDM-1。研究发现:由NDM-1编码的酶能够分解碳青霉烯抗生素,而后者是目前抗感染治疗中抗菌谱最广、抗菌活性最强的一类抗生素,广泛应用于重症感染患者的治疗。

研究还发现,NDM-1广泛存在于印度和巴基斯坦的病例中。携带有该耐药基因的大肠杆菌和肺炎克雷伯菌,对目前的绝大多数抗生素都具有耐药性。更为严重的是,初步判断NDM-1基因存在于细菌的质粒上,能够在微生物中自由传播。

根据英国健康保护署的数据,2007年在英国境内发现的“抗碳青霉烯抗生素”病例有7人,到2008年上升至20人,2009年则超过了40 人。而且导致病菌抗性的NDM-1基因也呈现出多样性。此次发现的NDM-1不同于以往的三种抗药基因。它在临床上引起的感染病例2008年为4人,2009年上升至18人。

由于这种耐药菌对绝大部分抗生素具有耐药性,加之NDM-1基因能借助质粒在微生物间发生“水平基因转移”,因此论文指出,NDM-1病菌在全球大规模蔓延的潜在危险“明确而令人恐惧”。原因在于,航空旅行、全球化和人口流动都为NDM-1在国家和大陆之间迅速蔓延提供了机会,而大多数国家还没有引起警惕。有报道称,目前全球已有170人被感染。英国健康保护署对此发出了“三级国家预警”。

由于这种基因以“新德里”命名,因此引起了印度方面的质疑。加之《柳叶刀》刊出的文章注明,该研究受制药公司(惠氏)的资助,而惠氏公司在抗感染领域的主打产品替加环素,又恰是仅有的对NDM-1病菌有效的两种抗生素之一,因此有人怀疑此新闻背后的推手是制药企业。

带有NDM-1的耐药菌,多为大肠杆菌或者肺炎杆菌,属于革兰氏阴性菌,对绝大多数常用抗生素耐药,其中包括头孢类、碳氢霉烯类、氨基糖苷类等。作为抗生素最后一道防线的万古霉素,可用于耐药性的革兰氏阳性菌,但对于革兰氏阴性菌则不具活性。

已经发现的耐药菌属于革兰氏阴性菌。革兰氏阴性菌本身就对抗生素存在多种耐药机制。它既具有不能渗透抗生素的物理屏障,也可以通过“外排系统” 泵出胞内抗生素。此外,抗生素结合的靶点还易发生变异,还能够产生分解抗生素的特异性酶。NDM-1病菌耐药的原理就属于后者。正是革兰氏阴性菌的多重耐药机制,使它在临床上逐渐成为“百毒不侵”的超级耐药菌。

自然界中的耐药基因

抗生素与耐药性如同“矛和盾”的关系,抗生素杀死微生物,耐药性又可以使微生物“免疫”抗生素。那么,导致这些耐药性的抗性基因到底从而何来呢?

最近两年,《科学》杂志和《自然》杂志均发表文章对此进行了论述。文章的观点是,在自然界中存在着广泛的耐药基因。如产生抗生素的真菌、放线菌,其抗生素合成基因簇中本身就含有“耐药基因”。在这些抗生素产生菌周围环境中生活的微生物,为了生存也会产生出“耐药基因”。动物活动、人类迁移、物理因素都能促使这些抗药基因的传播。而目前医疗、畜牧等行业中抗生素的广泛使用,以及生态环境中毒性物质的存在,又作为“筛选压力”,产生了这些耐药菌。

如同抗生素来源于自然界的放线菌和真菌一样,目前绝大多数的耐药菌体内的“耐药基因”也是来源于自然环境中。微生物产生抗生素的最初目的是,为了抵御环境中的天敌或竞争者,而它自己是对抗生素的毒性“免疫”的。这是因为,编码抗生素的基因簇本身往往就含有“耐药基因”。

此外,最近的研究表明,很多不产抗生素的微生物体内也存在“耐药基因”,这些耐药基因在细胞内主要起到代谢调控、信号传递的作用。

自然界中广泛存在耐药基因这一事实也促成了对“微生物耐药性”研究方法的改变。以前人们使用“药敏试验”来判定微生物是否对某一种抗生素具有耐药性。而现在,更倾向于采用PCR技术和分子杂交等技术,通量检测病原菌DNA中是否含有可能的“耐药基因”,这种技术为临床用药提供了更科学的指导。

细菌的反击

在非临床环境中广泛存在着耐药基因,这是造成如今耐药菌泛滥的内因。而临床上的抗生素滥用,以及环境中的抗生素污染,则是造成耐药菌泛滥的外因。

实际上,自从上世纪第二次世界大战期间,随着抗生素开始应用于临床治疗,以及新型抗生素不断问世,其相应的耐药菌也就不断出现。

2008年《科学》杂志在“细菌的反击”一文中曾这样描述:1943年青霉素大规模使用,1945年院内感染的20%金黄色葡球菌对其产生抗性;1947年链霉菌素上市,同年该药耐药菌出现;1952年四环菌素上市,1956年其耐药菌出现;1959年甲氧西林上市,1961年其耐药菌出现;1964年头孢噻吩上市,1966年其耐药菌出现;1967年庆大霉素上市,1970年其耐药菌出现;1981年头孢噻肟上市,1983年其耐药菌出现;1996年,发现万古霉素耐药菌;2001年利奈唑胺上市,2002年其耐药菌出现。此后数年里,仅有达托霉素等寥寥数种新型抗生素问世。

万古霉素曾被誉为抗感染治疗领域的“抗生素最后一道防线”,但是,当临床上面临越来越多的万古霉素耐药菌(VRSA)和甲氧西林耐药菌(MRSA)后,人们开始广泛使用碳青霉烯抗生素,如亚胺培南、美洛培南等。如今携带NDM-1基因的耐药菌开始流行,再次证明,在抗生素研发与微生物变异之间的赛跑上,后者再次取得了胜利。这或许是人类噩梦的开始。

目前临床上大量使用广谱抗生素和抗生素的二类、三类用药,将人类菌群中少量的耐药菌被筛选出来,并在病理组织上形成致病的优势菌菌群。 《柳叶刀》杂志2008年曾刊出通讯指出,我国医院内感染的致病菌有40%为耐药菌。耐药菌的增长率达26%,居世界首位。这在很大程度上是因为抗生素使用的不合理。据报道,在我国75%的季节性流感,被医生误用抗生素治疗。

此外,畜牧业、渔业中广泛使用阿莫新林、红霉素等抗生素用于动物的疾病预防。这些临床用药在非临床环境中使用,造成了环境中的耐药菌在临床上也无药可医。

弗莱明发现青霉素后,人类曾以为找到对付病原菌的利器。但是,随着耐药菌的不断出现,有人甚至悲观地认为,抗生素时代终究会被耐药菌的出现所终结。地球上微生物的种类大于其他所有的物种数目之和,而人类自身携带的细菌数目,又远超过其所有的细胞。生物学家不禁感叹:人类可能只是外来生物,而微生物才是地球的主人。

新药研发后继乏力

造成目前病原菌肆虐的另一个原因是,新型抗生素研发的滞后。近十年许多制药公司开始不再关注抗感染用药的研发。前十五强的制药公司只有少数的葛兰素史克、辉瑞、默克、诺华、阿斯利康等五家还在致力于抗生素的研究。这很大程度是源于,目前抗生素市场的低利润。一种具有抑菌活性的化学实体药的研发往往历时十余年,耗资过亿元。而上市不足数年,临床上就会出现耐药菌。此外,抗感染药物用药疗程多为数周。其市场容量远低于治疗高血压等慢性疾病的药物。

所以,近十年已经上市或正在临床评价的新型抗生素只有利奈唑烷(linezolid, 辉瑞)、达托霉素(Daptomycin,阿斯利康)、达巴万星(Dalbavancin,辉瑞)、奥利万星(Oritavancin,礼来)、替加环素 (Tigecycline,惠氏)。

抗生素的抑菌活性及耐药性产生,与其构效(结构—药效)关系十分密切。同为“新药”的抗生素,已有结构类别的衍生物相对于全新结构类别的抗生素,在临床上是更容易出现耐药菌,甚至交叉耐药菌的。

而在以上新药中,具有新型结构类别的抗生素只有利奈唑烷和达托霉素。其他抗生素的类似物和抗菌机制早在数十年前就已经被发现。甚至,近四十年新型结构类别的抗生素,也只有利奈唑烷代表的利奈烷酮类和达托霉素代表的环脂肽类抗生素。

2000年上市的利奈唑烷是用化学合成法生产,但是上市仅两年就发现其交叉耐药菌。2003年上市的达托霉素,采用微生物发酵法生产,目前尚无交叉耐药菌出现的报道。

虽然“NDM-1病菌十年内无药可医”的说法有些言之过甚,但是面对日益严重的耐药菌问题,临床上少有长期的特效药。这也凸显了新结构类别抗生素研发的不足。

在目前缺乏新结构、新靶点抗生素的现状下,合理用药和隔离治疗是抵御耐药菌最为有效的策略。减少广谱抗生素的使用,缩短抗生素使用疗程,都可以减少耐药菌的产生。另外,面对感染患者实行预防原则,有条件的进行隔离治疗,可以避免医院内耐药菌的交叉感染。在芬兰等国对感染患者实行“感染控制程序”,即住院病人进行定期耐药菌检测,并实施隔离治疗。因此,这些国家的MRSA的发生率显着低于其他国家。


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