人類與病原菌的軍備競(jìng)賽：NDM-1耐藥基因與超級(jí)細(xì)菌

孫明偉，鄭焙文，高福，朱寶利

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人類與病原菌的軍備競(jìng)賽：NDM-1耐藥基因與超級(jí)細(xì)菌

孫明偉1,2，鄭焙文1,3，高福1,4，朱寶利1

從古至今，人類與致病菌一直在進(jìn)行著無(wú)休止的戰(zhàn)斗?？股氐恼Q生結(jié)束了幾千年來(lái)人類對(duì)于病原菌的束手無(wú)策，鑄就了醫(yī)學(xué)史上的輝煌。于是間，一場(chǎng)細(xì)菌與抗生素間的“軍備競(jìng)賽”拉開(kāi)了帷幕?？股貢r(shí)代的人們一手捍衛(wèi)著文明，另一只手卻于無(wú)意間催生出更為危險(xiǎn)的敵人。今天，具有多重耐藥基因的“超級(jí)細(xì)菌”兵臨城下，向我們發(fā)出了又一次挑戰(zhàn)的同時(shí)，也為人類的抗生素濫用敲響了警鐘。

1 2010年的又一則新聞

就在世界衛(wèi)生組織（WHO）宣布甲型H1N1流感大流行結(jié)束的第2天，一篇發(fā)表在權(quán)威醫(yī)學(xué)雜志《柳葉刀一傳染病》上的報(bào)道又戲劇性地將人們帶人另一片恐慌：研究者在印度、巴基斯坦和英國(guó)的許多地區(qū)均分離到可以產(chǎn)生新型金屬β-內(nèi)酞胺酶NDM-1的超級(jí)耐藥細(xì)菌。這些細(xì)菌由于 NDM-1及其他耐藥基因的作用，對(duì)現(xiàn)今幾乎所有類型的抗生素都具有耐藥性。

1.1 超級(jí)細(xì)菌與NDM-1

通常一種細(xì)菌如果攜帶多個(gè)耐藥基因，我們便稱之為多重耐藥菌，或稱超級(jí)細(xì)菌（Superbug）。其實(shí)，“超級(jí)細(xì)菌”一詞由來(lái)已久，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）、耐青霉素肺炎鏈球菌（PREP）和抗萬(wàn)古霉素腸球菌（VRE）等都曾被冠以“超級(jí)細(xì)菌”之名，但此時(shí)我們所面對(duì)的這類超級(jí)細(xì)菌較以往的耐藥菌可謂有過(guò)之而無(wú)不及。

2008年1月，英國(guó)加的夫大學(xué)的醫(yī)學(xué)微生物學(xué)教授Timothy R. Walsh等人在瑞典一名患尿道感染的印度裔患者身上分離到可表達(dá)金屬 β-內(nèi)酞胺酶（Metallo-(3-lactamase, MBL）的肺炎克雷伯桿菌 Klebsiella pneumoniae，出人意料的是此細(xì)菌中編碼 MBL的基因卻和已知的幾種MBL基因均不相同。該酶全長(zhǎng)269個(gè)氨基酸，其分子大小約為27.5 kDa；它與目前發(fā)現(xiàn)的其他MBL相比，氨基酸序列的一致性不足33%，且在酶活性位點(diǎn)附近具有獨(dú)特的氨基酸殘基以及插人序列，并能與碳青霉烯類抗生素更緊密地接合。由于該名患者是在印度首都新德里接受治療時(shí)被細(xì)菌感染的，于是研究者將這一新型金屬β-內(nèi)酞胺酶命名為新德里金屬β-內(nèi)酞胺酶（New Delhi metallo-p-lactamase 1），即NDM-1，同時(shí)以blaNDM-1命名編碼NDM-1的基因。

β-內(nèi)酞胺類抗生素（包括常用的青霉素和頭孢霉素等）一直被視為治療嚴(yán)重感染的中流砥柱，而碳青霉烯類抗生素由于在β-內(nèi)酞胺類藥物中抗菌譜最廣、抗菌活性最強(qiáng)，以及對(duì)普通β-內(nèi)酞胺酶高度穩(wěn)定等特點(diǎn)，已成為對(duì)抗超廣譜β-內(nèi)酞胺酶（Extended-spectrump-lactamase, ESBL）的主要抗菌藥物之一，常用于產(chǎn)ESBL腸桿菌科細(xì)菌，尤其是大腸桿菌和肺炎克雷伯桿菌感染的治療。然而，近年來(lái)出現(xiàn)的一些革蘭氏陰性菌能夠產(chǎn)生金屬 β-內(nèi)酞胺酶，其最大特點(diǎn)是可以水解碳青霉烯類的抗生素，且活性不受克拉維酸（Clavulanic Acid）等β-內(nèi)酞胺酶抑制劑的影響。因此，產(chǎn)生金屬β-內(nèi)酞胺酶的細(xì)菌對(duì)所有β-內(nèi)酞胺類抗生素都有一定的耐藥性。由于該酶的活性中心需要金屬鋅離子的參與，故稱為金屬β-內(nèi)酞胺酶。

Walsh等在對(duì)產(chǎn)生 NDM-1的肺炎克雷伯桿菌進(jìn)行遺傳學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，編碼NDM-1的基因blaNDM-1位于一個(gè)180 kb的質(zhì)粒上，并且blaNDM-1基因片段上游的2個(gè)區(qū)域中還存在能夠抵抗利福平、紅霉素、鏈霉素、氯霉素等抗生素以及消毒劑和磺胺藥物的多種耐藥基因。此外，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明該質(zhì)粒很容易轉(zhuǎn)移到其他細(xì)菌中，使得具有此類耐藥質(zhì)粒的細(xì)菌可以耐受除氟喹諾酮（Fluoroquinolones）和多粘菌素（Colistin）以外的所有抗生素。無(wú)獨(dú)有偶，研究人員之后又在患者糞便的大腸桿菌Escherichia coli中找到了含有blaNDM-1基因的長(zhǎng)度為140 kb的質(zhì)粒，這可能就是耐藥質(zhì)粒在患者體內(nèi)發(fā)生菌種間接合的結(jié)果。從而研究者推測(cè)，由于諸多耐藥基因都位于質(zhì)粒上，含有 blaNDM-1基因的質(zhì)粒又能在不同的菌株之間穿梭傳遞，并且還可以在轉(zhuǎn)移中發(fā)生重組，因而具有廣泛的細(xì)菌宿主；如果這類質(zhì)粒在致病菌中得以快速傳播，將會(huì)是醫(yī)學(xué)界的噩夢(mèng)。

1.2 舊藥與新瓶?

很快，科學(xué)家們的擔(dān)憂變成了現(xiàn)實(shí)……

2010年8月11日，《柳葉刀—傳染病》（The Lancet Infectious Diseases）雜志報(bào)道了包括Walsh教授在內(nèi)的英國(guó)、印度、巴基斯坦、瑞典和澳大利亞等國(guó)學(xué)者聯(lián)合進(jìn)行的一項(xiàng)研究：他們?cè)谟《?、巴基斯坦和英?guó)共分離得到180株含有blaNDM-1質(zhì)?；虻募?xì)菌。其中有些菌株中還不止有一個(gè)質(zhì)粒上帶有 blaNDM-1基因。這些細(xì)菌中大多數(shù)為肺炎克雷伯桿菌（111株）或大腸桿菌（36株）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，它們除了替加環(huán)素（Tigecycline）和多粘菌素（Colistin）以外，對(duì)其他所有抗生素都具有高度耐藥性，這其中還包括對(duì) 2009年尚且有效的氟喹諾酮的耐藥。經(jīng)比較這些菌株中的質(zhì)粒和轉(zhuǎn)化接合子發(fā)現(xiàn)，其中有10%在基因轉(zhuǎn)移中改變了質(zhì)粒的大小。這表明大多數(shù)的 blaNDM-1陽(yáng)性質(zhì)粒都有快速基因轉(zhuǎn)移的能力，并可以在轉(zhuǎn)移中增加或減少 DNA而重新組合，因而具有在種屬間大范圍傳播和多樣化變異的可能。

其實(shí)，在“NDM-1”的發(fā)現(xiàn)尚未公布之前，英國(guó)健康保障機(jī)構(gòu)（Health Protection Agency, HPA）就已從英國(guó)一些醫(yī)院的腸桿菌科細(xì)菌樣本中檢測(cè)到分布于4個(gè)屬的16種菌株都含有NDM-1—blaNDM-1基因正如“舊藥換新瓶”一般悄悄地向著不同的菌株中擴(kuò)散！因此這次發(fā)現(xiàn)的“超級(jí)細(xì)菌”并不是一種細(xì)菌，而是指一類細(xì)菌。換句話說(shuō)，任何一種細(xì)菌在獲得能表達(dá) NDM-1的質(zhì)粒后，都可以成為超級(jí)耐藥細(xì)菌，甚至還可能根據(jù)不同的細(xì)菌宿主而具有不同的致病能力。由于目前幾乎沒(méi)有新的抗生素問(wèn)世，而現(xiàn)存的抗生素又不能有效地殺滅具有NDM-1的耐藥細(xì)菌，因而此類感染的治療將是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。而且更加堪憂的是，在印度發(fā)現(xiàn)的菌株大多數(shù)是來(lái)自于社區(qū)獲得性感染，這也暗示著 blaNDM-1基因已經(jīng)在環(huán)境中廣泛地傳播開(kāi)來(lái)。

另外，在29位 NDM-1陽(yáng)性的英國(guó)患者中有至少17人在過(guò)去的一年內(nèi)到過(guò)印度和巴基斯坦，其中14人在當(dāng)?shù)亟邮芰酸t(yī)療服務(wù)。今年7月，在美國(guó)發(fā)現(xiàn)的3株NDM-1陽(yáng)性抗藥菌也都來(lái)自近期在印度接受過(guò)醫(yī)療護(hù)理的患者。因此，英國(guó)健康保障機(jī)構(gòu)HPA認(rèn)為：blaNDM-1耐藥基因可能來(lái)源于南亞地區(qū)，并與在印巴接受的醫(yī)療護(hù)理有著密切的關(guān)系；此類耐藥基因已多次從印度次大陸流人英國(guó)，且有在全世界流行的趨勢(shì)。但是，印度衛(wèi)生部和媒體對(duì)這一論述紛紛表示不滿，指責(zé)研究者將“超級(jí)細(xì)菌”的源頭指向印度，并強(qiáng)烈抗議以“新德里”命名該耐藥基因的做法。然而，研究者們并非有意針對(duì)印度，而是擔(dān)心超級(jí)耐藥菌的爆發(fā)會(huì)對(duì)印度已經(jīng)頗高的病原菌耐藥狀況雪上加霜，其結(jié)果必然影響到印度未來(lái)的發(fā)展，更會(huì)威脅到全人類的健康。事實(shí)上，人們長(zhǎng)期的抗生素濫用才是耐藥病菌頻現(xiàn)的根源。所以，作者在文章中也不忘提醒世人：“任何國(guó)家，如果繼續(xù)濫用抗生素，像這樣具有超級(jí)耐藥性的質(zhì)粒一旦廣泛傳播，后果將不堪設(shè)想。

2 抗生素的歷史回顧

眾所周知，自然界中的細(xì)菌無(wú)處不在。人體37℃的體溫和濕潤(rùn)的黏膜更是一些細(xì)菌理想的生存環(huán)境，這些細(xì)菌中只有少數(shù)病原菌會(huì)對(duì)人體有害。病原菌在感染人體后，經(jīng)過(guò)不斷分裂，產(chǎn)生大量毒素，威脅人體健康。早在人類誕生之初，人們就開(kāi)始與細(xì)菌進(jìn)行著血腥的戰(zhàn)爭(zhēng)。在抗生素誕生之前的漫長(zhǎng)歲月里，這些看不見(jiàn)的病菌殘害過(guò)無(wú)數(shù)人的生命。19世紀(jì) 80年代，在Louis Pasteur和Robert Koch等科學(xué)先驅(qū)的努力下，人們終于找到了這些在顯微鏡下才能看到的敵人。從此人們開(kāi)始尋找治病方法和抗菌藥物，并最終導(dǎo)致了抗生素的問(wèn)世。

1921年，倫敦圣瑪麗醫(yī)院的蘇格蘭生物學(xué)家Alexander Fleming發(fā)現(xiàn)人的眼淚、唾液及感冒后的鼻涕里都含有一種能溶解細(xì)菌的物質(zhì)，可以使培養(yǎng)皿里的菌群發(fā)生萎縮。Fleming將這種物質(zhì)命名為“溶菌酶”。事實(shí)上，溶菌酶是人體免疫系統(tǒng)的第一道防線，細(xì)菌只有突破了這道防線，淋巴細(xì)胞等免疫防御才開(kāi)始發(fā)揮作用。不久，F(xiàn)leming就從眼淚和鼻涕中提取了溶菌酶，但這最早被發(fā)現(xiàn)的天然抗生素對(duì)于真正的病原菌卻沒(méi)有明顯的效力。直到1928年9月3日，度假歸來(lái)的 Fleming偶然間發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)了金黃色葡萄球菌Staphylococcus aureus的培養(yǎng)皿由于未及時(shí)清理而長(zhǎng)出了青霉菌Penicillium notatum，但令人驚奇的是在霉菌菌落周圍出現(xiàn)了一圈自色的菌斑。他馬上意識(shí)到可能是青霉菌釋放了某種殺菌物質(zhì)，有效地阻止了細(xì)菌的傳播。于是他又有意識(shí)地在培養(yǎng)葡萄球菌或其他微生物的培養(yǎng)皿上接種了青霉菌，證實(shí)了其對(duì)許多細(xì)菌都有裂解作用。Fleming繼而轉(zhuǎn)向研究青霉菌培養(yǎng)物的無(wú)細(xì)胞提取物，發(fā)現(xiàn)它們的確有顯著的抗細(xì)菌作用，并且用培養(yǎng)物的濾液注射兔子也未引起任何異常反應(yīng)。于是，F(xiàn)leming認(rèn)識(shí)到這種提取液中被他稱作青霉素（Penicillin）的抗菌物質(zhì)，正是全世界人苦苦等待的治病神藥。

早在19世紀(jì)70年代，微生物之間的拮抗現(xiàn)象就已經(jīng)被各國(guó)學(xué)者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了。1874年 William Roberts在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)志》上首次報(bào)道了真菌的生長(zhǎng)常常抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，這一觀察還專門談到一種青霉菌對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響；此外，Tyndall在1876年也報(bào)道了青霉菌溶解細(xì)菌的現(xiàn)象。但甚為遺憾的是，這些發(fā)現(xiàn)因?yàn)椴荒芗纯虘?yīng)用于醫(yī)療而不被人們所重視。就連Fleming發(fā)現(xiàn)的青霉素也苦于沒(méi)有提純技術(shù)，而在發(fā)現(xiàn)后的10年間僅作為選擇性培養(yǎng)基被使用。直到1938年，牛津大學(xué)病理學(xué)家Howard Florey對(duì)已知的微生物產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并在同事 Ernest Chain及Norman Heatley的幫助下很快實(shí)現(xiàn)了青霉素的大量提取和純化，并在 1940年制備出純度可滿足人體肌肉注射的制品。不久后的第二次世界大戰(zhàn)讓青霉素大顯身手。在以往的戰(zhàn)爭(zhēng)中都有數(shù)百萬(wàn)人因?yàn)閴木叶廊?，現(xiàn)在它卻被神奇的青霉素征服了—人類終于戰(zhàn)勝了病原菌。美國(guó)《時(shí)代》周刊在 1944年 5月的封面中寫到：“Fleming的‘神藥’（青霉素）拯救的生命比在戰(zhàn)爭(zhēng)中消耗的生命要多得多”。Fleming也因此與 Florey和Chain共同獲得了1945年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

青霉素的發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為“20世紀(jì)醫(yī)學(xué)界最偉大的收獲”。數(shù)據(jù)顯示，青霉素的運(yùn)用使人類的平均壽命延長(zhǎng)了 10年。隨著時(shí)間的推移，人們又成功地找到了鏈霉素（1944）、氯霉素（1948）、慶大霉素（1969）等多種抗生素。在過(guò)去的幾十年里，已經(jīng)有近200種抗生素先后誕生?？股氐膷槑V讓人類擺脫了醫(yī)療的黑暗時(shí)代，并賦予了醫(yī)生創(chuàng)造奇跡的權(quán)利。抗生素類藥物推廣使用以后，人們不僅用它來(lái)治療嚴(yán)重疾病，也用它們來(lái)處理日常生活中各種各樣的感染。這些抗生素藥物不僅延長(zhǎng)了人類的壽命，也大大提高了人們的生活質(zhì)量，同時(shí)也為我們的健康提供了保障。二戰(zhàn)中的那段記憶使得人們把抗生素當(dāng)成是能治百病的靈丹妙藥，甚至還把它們加進(jìn)各種日用品中。因而，抗生素的開(kāi)發(fā)還帶動(dòng)了其他產(chǎn)業(yè)。例如，人們發(fā)現(xiàn)把抗生素加人到動(dòng)物飼料和水中不僅能夠預(yù)防疾病，還能促進(jìn)家畜的生長(zhǎng)。此舉不但降低了飼養(yǎng)成本，同時(shí)也大大提升了禽畜的產(chǎn)量。于是，抗生素又成了一種生產(chǎn)工具。但當(dāng)時(shí)，很少有人想過(guò)這種物質(zhì)對(duì)人類會(huì)造成怎樣的影響，否則可能就不會(huì)有今日的擔(dān)憂了。

3 細(xì)菌耐藥基因的來(lái)源

抗生素的發(fā)明和大量制造使它成為人類抵御細(xì)菌感染類疾病的主要武器。一時(shí)間許多曾經(jīng)導(dǎo)致人們死亡的疾病變得不再可怕?？删驮谌藗儜{借著抗生素一次又一次戰(zhàn)勝各種病原菌的時(shí)候，殊不知這些在自然界生存了30多億年的微生物怎會(huì)如此輕易地投降?這群微小的敵人正在孕育著一場(chǎng)反擊……

3.1 細(xì)菌的耐藥機(jī)制

抗生素（Antibiotic）是由微生物或高等動(dòng)植物在生活過(guò)程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其他活性的一類次級(jí)代謝產(chǎn)物，能夠干擾或抑制病原體的生長(zhǎng)和存活。但迄今為止所開(kāi)發(fā)的上百種抗生素之間卻有著不盡相同的藥理途徑。如青霉素等β-內(nèi)酞胺類抗生素就是通過(guò)抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成而起到殺菌效果的；而其他一些抗生素則通過(guò)抑制細(xì)菌蛋自質(zhì)的合成（如大環(huán)內(nèi)酯類）、核酸的復(fù)制（如喹諾酮類）和轉(zhuǎn)錄（如利福霉素類）以及干擾細(xì)菌代謝途徑（如磺胺類）等方式殺滅細(xì)菌的。

抗生素類藥物的種類之所以如此繁雜，正是因?yàn)橐环N抗生素只能對(duì)一類或幾類細(xì)菌有抑制效果。一些細(xì)菌經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的繁衍和進(jìn)化，對(duì)某些外界的不良環(huán)境具有天然的抗性，而它們中的耐藥基因恰恰可以抵御某些抗生素的抑制作用。目前，革蘭氏陰性菌的抗生素耐藥性就發(fā)現(xiàn)了以下幾種機(jī)制：1）防滲屏障：某些細(xì)菌具有非滲透性的細(xì)胞膜，或者缺乏某些抗生素的作用位點(diǎn)，因而對(duì)這類抗生素具備固有的抗性。2）多重耐藥性外排泵（Efflux pump）：這些外排泵可以直接將進(jìn)人細(xì)胞的抗生素、重金屬或其他毒性分子排出胞外；或經(jīng)主要易化超家族（Major facilitator superfamily, MFS）的轉(zhuǎn)運(yùn)子先將抗生素釋放到周質(zhì)空間，再排出細(xì)胞外。3）耐藥性突變：某些改變抗生素的靶蛋自突變能在細(xì)胞內(nèi)的其他功能蛋自不受影響的同時(shí)，改變抗生素結(jié)合位點(diǎn)的構(gòu)型，使抗生素不能識(shí)別。例如：DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶發(fā)生突變，能夠抵御喳諾酮類抗生素；RNA聚合酶 B亞基的突變可導(dǎo)致對(duì)利福平的耐藥；若突變點(diǎn)位于細(xì)菌30S核糖體亞基S12則會(huì)對(duì)鏈霉素不再敏感。4）使抗生素失活：導(dǎo)致抗生素失活的方式可以通過(guò)鈍化酶對(duì)抗生素進(jìn)行共價(jià)修飾，如乙酞轉(zhuǎn)移酶的催化可使氨基糖普類抗生素失去效用；或者是分泌某些滅活酶直接將抗生素降解。這次震驚世界的“超級(jí)細(xì)菌”就是利用 blaNDM-1基因所表達(dá)的金屬 β-內(nèi)酞胺酶對(duì)碳青霉烯類抗生素的降解作用而形成超強(qiáng)耐藥的。

3.2 自然環(huán)境中的耐藥基因

在種類繁多的微生物大軍中，不同病原菌生理和功能的差異使得新的抗菌藥不斷被開(kāi)發(fā)，同時(shí)又不斷地失去了效用。同時(shí)，多重耐藥菌接二連三的出現(xiàn)又表明頑固的病原菌在適者生存的進(jìn)化規(guī)律下，不再只有單一的耐藥機(jī)制，它們已經(jīng)在自然環(huán)境中獲得了更多的耐藥基因。如同抗生素來(lái)自于自然界的放線菌和真菌一樣，目前絕大多數(shù)的耐藥菌體內(nèi)的耐藥基因也都有各自的環(huán)境來(lái)源。依照大自然相生相克的平衡法則，不難理解許多分泌抗生素的微生物本身也具有抵御自身抗生素的能力;它們的基因簇中往往就含有相應(yīng)的耐藥基因，以保護(hù)自身在對(duì)抗競(jìng)爭(zhēng)者的同時(shí)不受損害。但令人奇怪的是，一些不產(chǎn)生抗生素的細(xì)菌也漸漸具有了某些耐藥因子。一種合理的解釋是，細(xì)菌的某些基因位點(diǎn)發(fā)生突變而獲得了耐藥性，從而在相應(yīng)抗生素存在的環(huán)境中得以存活下來(lái)?？墒?，基因突變的頻率十分有限，因而要產(chǎn)生像“超級(jí)細(xì)菌”這樣復(fù)雜的耐藥菌還得依賴于微生物的又一遺傳特性——水平基因轉(zhuǎn)移（Horizontal gene transfer, HGT）。許多耐藥基因已在轉(zhuǎn)座子、整合子或質(zhì)粒中被發(fā)現(xiàn)，這些基因可以通過(guò)細(xì)菌細(xì)胞間的轉(zhuǎn)化和接合等方式轉(zhuǎn)移給其他相同或不同的菌株，或是借助溶源性噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)而整合到受體菌的基因組內(nèi)。最早發(fā)現(xiàn)表達(dá)NDM-1的肺炎克雷伯桿菌Klebsiella pneumonia 0S-506就是在一段已有多種耐藥基因排列的整合子下游插人了 blaNDM-1基因，從而獲得了廣泛的抗生素耐藥性。可見(jiàn)，這些可怕的病原菌正在通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移積累著越來(lái)越多的耐藥基因。

在來(lái)自環(huán)境的耐藥基因中，有一些原本并不是針對(duì)抗生素的。例如許多生物的細(xì)胞膜上都具有多重耐藥性外排泵，而這些外排泵元件相對(duì)于排出抗生素，更多的是參與細(xì)胞中間代謝產(chǎn)物的解毒和信號(hào)傳導(dǎo)。一些抗性基因往往在其原始宿主內(nèi)充當(dāng)著調(diào)控與代謝網(wǎng)絡(luò)的一部分，但當(dāng)這些基因遷移到其他菌種時(shí)，難以很快地融人新的系統(tǒng)中去，因而在新的宿主中僅因耐藥功能而被保留。比如，斯氏普羅威登斯菌 Providencia stuartii產(chǎn)生的 2’-N-乙酞轉(zhuǎn)移酶，可以修飾細(xì)菌殼聚糖，而慶大霉素與該酶的底物相似性使它也同樣可以被修飾。但如果編碼該酶的基因通過(guò)質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到其他菌種中，因?yàn)殡x開(kāi)了原本的生化環(huán)境，就可能只剩下對(duì)慶大霉素的抗性了。另外，生存環(huán)境的改變也常常導(dǎo)致微生物抗性的進(jìn)化。自然環(huán)境為微生物提供了一個(gè)巨大的耐藥基因文庫(kù)，環(huán)境的改變、人類的活動(dòng)、動(dòng)物的遷徙等都可能影響到細(xì)菌的種群動(dòng)態(tài)進(jìn)化，產(chǎn)生未知的耐藥基因。而此時(shí)，新出現(xiàn)的耐藥基因?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)以及人類健康的影響則是難以預(yù)知的。

3.3 濫用抗生素

自抗生素問(wèn)世以來(lái)，細(xì)菌等微生物就與抗生素之間不斷博弈，形成了幾近鮮明的敵對(duì)關(guān)系。如果說(shuō)，自然環(huán)境中廣泛存在的耐藥基因是病原菌產(chǎn)生耐藥的內(nèi)在因素，那么臨床上的抗生素濫用以及環(huán)境中的抗生素污染無(wú)疑是現(xiàn)今耐藥菌泛濫的外在動(dòng)力。幾十年前，青霉素曾經(jīng)是最有效的抗生素，但現(xiàn)在同樣的感染，使用過(guò)去幾十倍劑量的青霉素也很難獲得相同的療效。據(jù)國(guó)內(nèi)不完全統(tǒng)計(jì)，一些細(xì)菌的青霉素耐藥性已經(jīng)高達(dá)70%以上，就連近十年才研制出的頭孢類、左氧氟沙星類等新生代抗生素，細(xì)菌的耐藥性也高達(dá)30%～50%，是抗生素的濫用最終導(dǎo)致了耐藥菌的增多。因?yàn)椋哂锌股匦в玫姆肿釉谥委煗舛认码m然能暫時(shí)地抑制病菌的擴(kuò)散，但長(zhǎng)期施用就可能對(duì)環(huán)境起到截然不同的作用，即低濃度的抗生素可以引發(fā)不依賴于細(xì)菌應(yīng)激系統(tǒng)的特異性轉(zhuǎn)錄變化，使它們調(diào)整與微生物群落間的相互作用，從而更加適應(yīng)藥物環(huán)境。其實(shí)，就連Fleming本人也早在 1945年的《紐約時(shí)報(bào)》中警告過(guò)人們不要濫用青霉素，他指出:“如果使用劑量與所對(duì)抗的細(xì)菌數(shù)量相比太少，細(xì)菌會(huì)反克青霉素從而產(chǎn)生抗藥性。遺憾的是，人們只看到了抗生素所帶來(lái)的一時(shí)便利，而忽視了Fleming的忠告。在面臨抗生素的巨大壓力時(shí)，細(xì)菌通常比較穩(wěn)定的DNA聚合酶往往容易產(chǎn)生更多的錯(cuò)誤。這些錯(cuò)誤會(huì)在自身復(fù)制時(shí)造成功能變異。其中一些有益于生存的變異，如耐藥基因，就可能在后代中形成穩(wěn)定遺傳，從而將這些新特性保留下來(lái)。事實(shí)上，水平基因轉(zhuǎn)移所導(dǎo)致的耐藥性，也都是由于不合理的抗生素施用所帶來(lái)的選擇壓力間接促成的。所以，抗生素對(duì)細(xì)菌來(lái)說(shuō)具有殺菌武器和刺激耐藥性產(chǎn)生的雙重功效。

在抗生素時(shí)代的前 50年中，人類不僅在醫(yī)療和生活中無(wú)度地使用抗生素，而且在漁業(yè)、畜牧業(yè)中廣泛用作疾病預(yù)防和營(yíng)養(yǎng)添加劑的抗生素?cái)?shù)量更是大得驚人。由此產(chǎn)生的耐藥菌會(huì)經(jīng)排泄物等摻人土壤和塵埃，再通過(guò)風(fēng)、水等自然動(dòng)力反饋給人類。雖然醫(yī)學(xué)和工業(yè)的發(fā)展讓我們有能力不斷地研制出新的抗生素，但這些病原菌極高的突變率和極快的繁殖速度，再加上可以輕松實(shí)現(xiàn)耐藥基因的互通有無(wú)（即水平基因轉(zhuǎn)移），使得它們總能絕處逢生。如此往復(fù)，終于衍生出了具有多重耐藥性的超級(jí)細(xì)菌。

4 全球病原菌的耐藥概況

4.1 耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）

青霉素發(fā)明后，由金黃色葡萄球菌 Staphylococcus aureus引起的多種感染性疾病得到有效控制。但隨著青霉素的廣泛使用，有些金黃色葡萄球菌產(chǎn)生青霉素酶，能水解青霉素的β-內(nèi)酞胺環(huán)，呈現(xiàn)出青霉素耐藥性。于是，人們?cè)?1959年研制出了抗青霉素酶的半合成青霉素，即甲氧西林（Methicillin），從而有效地控制了產(chǎn)酶金黃色葡萄球菌的感染。然而好景不長(zhǎng)，時(shí)隔2年后英國(guó)學(xué)者 Jevons首次發(fā)現(xiàn)了耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA）。研究表明，它們不但能夠抵抗甲氧西林，而且對(duì)其他所有與甲氧西林有相似結(jié)構(gòu)的β-內(nèi)酞胺類和頭孢類抗生素均有一定的耐藥性；一些MRSA還通過(guò)修飾酶催化、改變抗生素作用位點(diǎn)等機(jī)制對(duì)氨基糖普類、大環(huán)內(nèi)醋類、四環(huán)素類、氟喹咯酮類、磺胺類以及利福平等多種抗生素也產(chǎn)生了不同程度的耐藥。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)MRSA能分泌一種酚可溶性調(diào)控蛋自（Phenol-soluble modulin, PSM）破壞人類的嗜中性粒細(xì)胞，形成嚴(yán)重感染—第一任“超級(jí)細(xì)菌”就此誕生。MRSA感染從發(fā)現(xiàn)至今幾乎遍及全球，已成為醫(yī)院內(nèi)感染的重要病原菌之一。今天，醫(yī)院內(nèi)分離到的金黃色葡萄球菌中60%～70%都是具有多重抗藥性的 MRSA。目前，經(jīng)美國(guó)FDA認(rèn)證可用于MRSA臨床治療的抗生素有萬(wàn)古霉素（Vanoomycin）、利奈唑胺（Linezolid）、達(dá)托霉素（Daptomycin）和替加環(huán)素（Tigecycline）。但也發(fā)現(xiàn)有一些醫(yī)院獲得性（Hospital-acquire, HA） MRSA對(duì)萬(wàn)古霉素和利奈唑胺產(chǎn)生了耐藥。數(shù)據(jù)顯示，MRSA耐藥性還在不斷增強(qiáng)，其耐藥菌的范圍也在不斷擴(kuò)大。

4.2 多重抗藥性結(jié)核桿菌（MDR-TB）

全世界對(duì)于具有多種抗菌劑耐藥性的微生物尚無(wú)統(tǒng)一的定義。但通常將具有兩種或兩種以上的抗菌劑抗性稱為多重耐藥性（Multidrug-resi stant, MDR）。若細(xì)菌對(duì)所有已獲批使用的抗菌藥都具有抗藥性，則又被稱為泛耐藥性（Pandrug-resistant, PDR）。在肺結(jié)核中，多重抗藥性肺結(jié)核（MDR-TB）專指對(duì)利福平（Rifampicin）和異煙肼（Isoniazid）等一線抗結(jié)核藥物具有抗藥性的結(jié)核病。根據(jù) 2006年 10月世界衛(wèi)生組織的定義，在MDR-TB基礎(chǔ)上，對(duì)全部喹諾酮（Quinolone）類抗生素以及二線抗結(jié)核藥物卡那霉素（Kanamycin），卷曲霉素（Capreomycin）和阿米卡霉素（Amikacin）中的至少一種具有抗藥性的結(jié)核病稱為廣泛耐藥性肺結(jié)核(Extensively drug-resistant, XDR-TB)。對(duì)于普通的結(jié)核病，服用一線藥物半年左右即可治愈，而感染了MDR-TB的患者的治療時(shí)間則要延長(zhǎng)2倍，同時(shí)治療費(fèi)用要增長(zhǎng) 10倍。世界衛(wèi)生組織在今年的全球檢測(cè)報(bào)告中指出：僅 2008年，世界范圍內(nèi)就有 44萬(wàn)人感染MDR-TB，其中約1/3死亡，約有50%的MDR-TB患者分布在中國(guó)和印度。目前，我國(guó)已被WHO列為“耐藥結(jié)核病需引起警示”的國(guó)家之一，肺結(jié)核病控制面臨巨大挑戰(zhàn)。

4.3 耐多藥肺炎鏈球菌（MDRSP）

肺炎鏈球菌Streptococcus pneumoniae是一種球狀革蘭氏陽(yáng)性菌，能普遍導(dǎo)致成人感染細(xì)菌性肺炎，兒童患腦膜炎、中耳炎、菌血癥等疾病。近年來(lái)，由于許多國(guó)家和地區(qū)在治療時(shí)廣泛使用β-內(nèi)酞胺類和大環(huán)內(nèi)醋類抗生素，使得多種類型的耐藥肺炎鏈球菌日益流行。自 1967年發(fā)現(xiàn)第一例耐青霉素肺炎鏈球菌（Penicillin-resistant Streptococcus pneumonia, PRSP）以來(lái)，肺炎鏈球菌對(duì)抗生素的抵抗力一直不斷上升。由于大環(huán)內(nèi)醋類抗生素相對(duì)β-內(nèi)酞胺類不易引起過(guò)敏反應(yīng)，因而在臨床上的使用日趨增加，從而也導(dǎo)致了耐大環(huán)內(nèi)醋類肺炎鏈球菌（Macrolide-resistant Streptococcus pneumoniae，MRSP）檢出率逐年升高，并且其流行具有明顯的地區(qū)差異。亞洲國(guó)家的MRSP耐藥最為嚴(yán)重：經(jīng)不完全統(tǒng)計(jì)，耐紅霉素肺炎鏈球菌在我國(guó)的臨床檢出率已達(dá)到90%以上。MRSP主要通過(guò)由甲基化酶（ermB基因編碼）催化的核糖體甲基化、rRNA和核糖體蛋自突變以及紅霉素外排泵（mefA基因編碼）等機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)紅霉素等大環(huán)內(nèi)醋類抗生素的耐藥?，F(xiàn)在甚至有些耐多藥肺炎鏈球菌（Multidrug-resistant Streptococcus pneumoniae，MDRSP）對(duì)鹽酸克林霉素（Clindamycin hydrochloride）及喹諾酮（Quinolone）等抗生素也產(chǎn)生了不同程度的耐藥性。但是肺炎鏈球菌對(duì)泰利霉素（Telithromycin）、利奈唑胺（Linezolid）以及左氧氟沙星（Levofloxacin）的耐藥還較為罕見(jiàn)，因此這些抗生素仍表現(xiàn)出很好的臨床療效和細(xì)菌學(xué)療效。

4.4 抗萬(wàn)古霉素腸球菌（VRE）

萬(wàn)古霉素（Vancomycin）是一種糖膚類抗生素，通過(guò)抑制細(xì)菌細(xì)胞壁殼聚糖的合成來(lái)達(dá)到抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的目的，主要用于預(yù)防和治療革蘭氏陽(yáng)性菌的感染。1958年，萬(wàn)古霉素憑借對(duì)耐青霉素金黃色葡萄球菌的良效而問(wèn)世，到20世紀(jì)80年代已被臨床廣泛使用。由于對(duì)萬(wàn)古霉素的耐藥性產(chǎn)生幾率較低，因而一直被醫(yī)學(xué)界視為對(duì)抗革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的“最后防線”。自從1985年人們首次發(fā)現(xiàn)了抗萬(wàn)古霉素腸球菌（Vancomycin-resistant Enterococcus, VRE），之后，僅僅幾年時(shí)間VRE就傳遍了全世界。到20世紀(jì)90年代中期，幾乎所有醫(yī)院都遇到了抗萬(wàn)古霉素的細(xì)菌感染，導(dǎo)致在癌癥化療和器官移植手術(shù)中因感染 VRE而死亡的人數(shù)不斷升高。腸球菌對(duì)萬(wàn)古霉素的耐藥性是由Tan A，Tan B，Tan C，Tan D四種耐藥基因決定的，它們可以使腸球菌對(duì)糖膚類藥物的親和力降低，使細(xì)菌細(xì)胞壁的合成不再被此類抗生素所抑制VRE對(duì)一般用于腸球菌的抗生素如氨節(jié)青霉素、氟喹諾酮以及碳青霉烯類抗生素也都有耐藥性，并且在2001年又發(fā)現(xiàn)了耐利奈唑胺的VRE。對(duì)于VRE抗藥性的出現(xiàn)，一般認(rèn)為是在家畜飼料中產(chǎn)生的。在動(dòng)物飼料中不斷地添加抗生素，這也是抗藥細(xì)菌難以斬盡殺絕的重要原因。研究者發(fā)現(xiàn)，由于家畜攝取了大量的抗生素，很快引起了腸球菌的抗藥性，這些細(xì)菌的抗藥基因與動(dòng)物體內(nèi)的抗藥基因相同。于是，與萬(wàn)古霉素相似而用在禽畜飼料上的阿伏霉素在 1996年被歐盟禁止其成員國(guó)使用。但萬(wàn)古霉素因?yàn)樵诮瘘S色葡萄球菌、化膿鏈球菌、肺炎鏈球菌、難辨梭狀芽胞桿菌、自喉?xiàng)U菌等感染中的良好抑菌效果而沿用至今。但面對(duì)VRE，這“最后防線”的崩潰使得研制抗耐萬(wàn)古霉素菌株的窄譜抗菌藥劑迫在眉睫。

5 耐藥菌應(yīng)對(duì)策略

如何抵御病菌的侵襲是人類亙古不變的生存問(wèn)題。隨著病原菌中耐藥基因的不斷積累，我們陷人了“抗生素—耐藥菌—新型抗生素”的惡性循環(huán)。如今，越來(lái)越長(zhǎng)的超級(jí)細(xì)菌清單令人觸目驚心。人類站在“后抗生素時(shí)代”的邊緣，再談耐藥菌的對(duì)策，不可同日而語(yǔ)。

據(jù)報(bào)道，目前帶有 NDM-1的超級(jí)細(xì)菌正在全球蔓延，在英國(guó)、美國(guó)、加拿大、澳大利亞、法國(guó)和荷蘭等地區(qū)也都出現(xiàn)了疑似感染病例。雖然，仍有兩種抗生素—替加環(huán)素和多粘菌素對(duì)其有效，但由于一些種類的細(xì)菌對(duì)替加環(huán)素的敏感性十分有限，而多粘菌素對(duì)人體腎臟和神經(jīng)系統(tǒng)又具有毒副作用，因而都不適合大規(guī)模使用。況且，抗生素早已成了“雙刃劍”，對(duì)于任何類型的細(xì)菌感染性疾病，再去一味地依賴抗生素，終究會(huì)重蹈覆轍。有一些學(xué)者提出對(duì)抗生素進(jìn)行修飾，如在萬(wàn)古霉素分子上增加疏水性支鏈，以增強(qiáng)靶位親合力。但這也只不過(guò)是權(quán)宜之計(jì)，細(xì)菌驚人的突變率很快便能形成新的耐藥機(jī)制。因此，許多醫(yī)學(xué)家和研究者們已紛紛著手尋找新型抗菌藥物和新的抗感染方法。例如，有人發(fā)現(xiàn)通過(guò)降低微生物復(fù)制時(shí)的錯(cuò)誤頻率，可以防治病菌迅速進(jìn)化出耐藥基因：2007年，美國(guó)加州斯克利普斯研究所的 Floyd Romesberg等人發(fā)現(xiàn)了一種名為 LexA的基因，它是細(xì)菌具有錯(cuò)誤傾向的 DNA聚合酶的一個(gè)關(guān)鍵開(kāi)關(guān)。研究者們通過(guò)篩選找到了能夠抑制 LexA的小分子化合物，從而能夠防止在環(huán)丙沙星等 DNA抑制型抗生素存在下的細(xì)菌變異。這種 LexA抑制分子使抗生素變得更加有效，同時(shí)減緩細(xì)菌對(duì)于抗菌藥物的自然響應(yīng)。另外，采用高通量篩選技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型治療藥物可以有效針對(duì)病菌的特異性靶位。雖然比傳統(tǒng)的抗生素具有較窄的作用譜，但這些藥物可以有效減少耐藥基因選擇和擴(kuò)散的機(jī)會(huì)，這當(dāng)然還要有相應(yīng)的快速診斷系統(tǒng)與之相匹配。因此，發(fā)展快速準(zhǔn)確的耐藥性檢測(cè)手段至關(guān)重要。病原菌及其耐藥性的快速檢出，會(huì)大大減少抗生素處方的誤用率；令人們及時(shí)選取針對(duì)性更強(qiáng)的抗生素，減輕細(xì)菌耐藥基因產(chǎn)生的選擇壓力，從而控制耐藥菌的出現(xiàn)。與此同時(shí)，近年來(lái)提出的“源于自然，回歸自然”的微生態(tài)療法主張扶持生理性微生物，通過(guò)生物拮抗抑制某些致病菌、調(diào)整和改善人體微環(huán)境、提高機(jī)體防御功能，也不失為一種防治感染性疾病的新途徑。

目前發(fā)現(xiàn)的具NDM-1的耐藥菌多在醫(yī)院內(nèi)流行，這可能表明此類細(xì)菌雖然耐藥性極強(qiáng)，但致病能力相對(duì)較弱，或者更適于在醫(yī)院內(nèi)傳播。醫(yī)院感染的耐藥菌株已經(jīng)和耐多藥結(jié)核菌、艾滋病病毒一起被列為 21世紀(jì)人類面臨威脅的三大病原微生物。當(dāng)前，WHO也建議各國(guó)落實(shí)醫(yī)院感染控制措施，謹(jǐn)慎使用抗生素，從而減少細(xì)菌對(duì)抗生素產(chǎn)生抗藥性的機(jī)會(huì)。因此，也應(yīng)該盡快強(qiáng)化醫(yī)源性感染和交叉感染的預(yù)防和控制，建立細(xì)菌耐藥性的全球監(jiān)控。具體來(lái)說(shuō)，首先必須合理選擇抗生素并適當(dāng)控制使用劑量：抗生素種類繁多，合理選用是有效對(duì)抗病原菌的前提，也是提高抗生素使用效果，降低副作用的重要因素；而低于抑菌濃度的抗生素不但達(dá)不到殺菌效果，并且長(zhǎng)期使用還會(huì)對(duì)細(xì)菌有利，促其獲得耐藥性。此外，在飼養(yǎng)業(yè)中也一定要有科學(xué)的用藥策略和嚴(yán)格的停藥期：同一環(huán)境中連續(xù)使用同種抗生素容易使病菌產(chǎn)生耐藥性；停用一種抗生素一段時(shí)間可使動(dòng)物體內(nèi)殘留的抗生素排出體外，并逐漸衰減掉，從而減少環(huán)境中的抗生素污染。這是因?yàn)橐恍┘?xì)菌在獲得新的耐藥因子時(shí)往往伴隨著相應(yīng)生理途徑中的某些缺陷，耐藥細(xì)菌雖然更適于有抗生素存在的壓力環(huán)境，但在沒(méi)有抗生素的天然環(huán)境下反而不如其他非耐藥的細(xì)菌更具優(yōu)勢(shì)。因此，科學(xué)地輪換用藥和穿梭用藥，就是以包括多種抗菌藥物在內(nèi)的抗生素“核武庫(kù)”為依托，利用抗生素給藥期的時(shí)間間隔淘汰掉相應(yīng)的耐藥細(xì)菌，并在反復(fù)用藥中達(dá)到將其徹底消滅的目的。這其中，抗生素施用的戰(zhàn)略性思想顯得尤為重要。

總而言之，在缺乏新結(jié)構(gòu)、新靶點(diǎn)抗菌藥物的現(xiàn)狀下，有計(jì)劃、有目的地合理使用抗菌藥物，延長(zhǎng)現(xiàn)有藥物的使用壽命，才是當(dāng)前最行之有效的策略。因此，抗擊超級(jí)細(xì)菌，需要國(guó)際社會(huì)的共同參與。

6 結(jié)語(yǔ)

在人類數(shù)千年的文明史中，各種病原菌一直是我們最具威脅的敵人。抗生素的出現(xiàn)從疾病和感染的災(zāi)難中挽救了無(wú)數(shù)人的生命。然而幾十年來(lái)，“道高一尺，魔高一丈”的軍備競(jìng)賽最終給人們留下的卻是數(shù)以百計(jì)的抗生素以及源源不斷的耐藥菌。

當(dāng)我們頭上的天空因氣候變暖而崩裂時(shí)，腳下的大地也在塌陷—人類不合理的抗生素使用招致了超級(jí)細(xì)菌的反噬，那將同樣是一場(chǎng)巨大的災(zāi)難。今天，“超級(jí)細(xì)菌”帶給我們的不該僅僅是恐慌，更多的應(yīng)當(dāng)是警鐘長(zhǎng)鳴。

一個(gè)人的安全是脆弱的，共同的防御才是堅(jiān)固的。當(dāng)公共衛(wèi)生安全受到威脅的時(shí)候，沒(méi)有人可以獨(dú)善其身。超級(jí)細(xì)菌并不可怕，可怕的是不斷產(chǎn)生新的超級(jí)細(xì)菌。所以，在全球范圍內(nèi)停止抗生素的濫用是控制與防治超級(jí)耐藥菌的當(dāng)務(wù)之急。而這，需要全人類的共同努力。我們?nèi)匀幌嘈?，隨著醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的不斷發(fā)展，人們終將有能力在這場(chǎng)軍備競(jìng)賽中贏得人類健康的最后勝利。?

【作者單位：1. 中國(guó)科學(xué)院微生物研究所，中國(guó)科學(xué)院

病原微生物與免疫學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；

2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院；

3. 中國(guó)科學(xué)院研究生院；

4. 中國(guó)科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院】

（摘自《生物工程學(xué)報(bào)》2010年【第11期）