影響細菌抗性代價因素研究進展

楊小慶，林思彤，孫 磊，張德顯，劉明春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

抗菌藥物的使用為防治人和動物細菌性疾病做出了重要貢獻，其使用量也不斷增加。據(jù)估計，從2002年開始每年全球使用抗菌藥物的量大約在10萬噸到20萬噸，自20世紀(jì)40年代以來抗菌藥物的使用總量已超過200萬噸[1]。全球范圍內(nèi)抗菌藥物的大量使用加速了人和動物病原菌耐藥性的出現(xiàn)，增加了所致疾病的治療難度[2]。近年來，抗菌藥物的開發(fā)速度有所降低，細菌耐藥性的產(chǎn)生使人和動物可能會面臨后抗生素時代的窘境[3]，因此，尋找新的途徑來減緩或阻止耐藥性的產(chǎn)生受到人們的關(guān)注。

抗性代價(fitness cost)是指細菌耐藥菌株在不含抗菌藥物的環(huán)境中表現(xiàn)出的生長速率、毒力以及致病力等方面降低的現(xiàn)象[4-5]。在此理論基礎(chǔ)上，有些學(xué)者認為可利用耐藥性所致的抗性代價來減緩或阻止細菌耐藥性的產(chǎn)生，即停止抗菌藥物使用將有利于敏感菌株的生長，降低耐藥菌株在環(huán)境中的比例，進而實現(xiàn)消除耐藥菌株[6]。但是，隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，細菌可通過耐藥基因或其他基因的補償性突變以及遺傳共同選擇而降低耐藥菌株的抗性代價，從而使得這一理論在臨床應(yīng)用變得更加困難[7]。本綜述對細菌抗性代價及其影響因素進行討論，并探討利用該現(xiàn)象消除或減緩菌株耐藥的可能性。

1 耐藥性的產(chǎn)生和抗性代價

1.1 靶基因序列突變和質(zhì)粒介導(dǎo)的耐藥性

多種機制能夠?qū)е录毦退幮缘漠a(chǎn)生，其中，靶基因序列突變和質(zhì)粒攜帶的耐藥基因是細菌產(chǎn)生耐藥性的兩種重要機制。靶基因序列突變通常導(dǎo)致抗菌藥物作用靶位結(jié)構(gòu)的改變、或者增加細菌對藥物的外排作用，有時靶基因序列突變也會導(dǎo)致基因表達量的升高或降低[8]。質(zhì)粒介導(dǎo)的耐藥性通常是通過水解藥物、保護藥物作用靶位、耐藥的作用靶位代替藥物敏感的作用靶位或者獲得新的外排泵來實現(xiàn)的[9-10]。

1.2 遺傳共選擇現(xiàn)象

質(zhì)粒是細菌產(chǎn)生耐藥性的重要機制之一。某些耐藥基因通常是和其他耐藥基因一起存在于某些質(zhì)粒上，并同時進行表達，因而，細菌獲得對某一種抗菌藥物耐藥的同時也會對其他藥物產(chǎn)生耐藥性，這種現(xiàn)象就是細菌的耐藥共選擇現(xiàn)象[11]。這種現(xiàn)象也就能解釋為什么某些抗菌藥物已經(jīng)不再應(yīng)用于臨床，但細菌針對此抗菌藥物的耐藥水平仍然不斷增加的現(xiàn)象。如磺胺類藥物已經(jīng)很少用于治療大腸埃希菌所致的疾病，但是該菌對磺胺類藥物的耐藥性仍然存在，甚至有增加的趨勢，推測介導(dǎo)磺胺類藥物耐藥的基因是質(zhì)粒骨架的組成部分，并且和其他耐藥基因存在遺傳共選擇的現(xiàn)象[12]。

1.3 細菌耐藥所致的抗性代價和補償性進化

抗菌藥物通常是影響細菌體內(nèi)的重要細胞結(jié)構(gòu)如細胞壁合成過程、細菌染色體的超螺旋結(jié)構(gòu)、RNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的合成等[13]。因此，細菌對抗菌藥物產(chǎn)生耐藥性之后，菌體內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化，這種變化有些是有利的，但絕大多數(shù)都是有害的，進而產(chǎn)生抗性代價?？剐源鷥r為防止和減緩耐藥性的產(chǎn)生提供了思路，即減少抗菌藥物的使用，通過自然選擇降低耐藥菌株在環(huán)境中的比例，消除或減緩細菌耐藥性。研究也發(fā)現(xiàn)，細菌可通過其他基因或同一基因不同部位的突變來補償耐藥所致的抗性代價[14]。如沙門菌的rpsL(AAA42ACA)發(fā)生突變可對鏈霉素產(chǎn)生耐藥性，對小鼠的致病力也下降；但是，rpsL(AAA42ACA)同時發(fā)生其他突變(如CGT93CAT)不但保持了對鏈霉素的耐藥性，且對小鼠的致病力與野生株相當(dāng)[15]，這提示沙門菌rpsL的突變(CGT93CAT)可恢復(fù)鏈球菌耐藥菌株的致病力，推測此突變具有對抗性代價的補償作用。

2 影響細菌抗性代價的因素

抗性代價是相對的，為確定是否存在抗性代價或者抗性代價大小，應(yīng)在不同的環(huán)境中測定細菌的抗性代價，確定其在臨床感染性疾病中的應(yīng)用價值。在某些情況下，耐藥菌株的致病力與敏感細菌并無差異，在這種情況下，耐藥菌株又不存在抗性代價，因此，需要進一步明確影響細菌抗性代價的影響因素。

2.1 上位作用對抗性代價的影響

上位作用是指兩對獨立遺傳基因共同對一對性狀發(fā)生作用，而且其中一對基因?qū)α硪粚虻谋憩F(xiàn)有遮蓋作用[16]。上位作用對細菌抗性代價也能夠產(chǎn)生影響。rpsL(編碼30S核糖體蛋白S12亞基)突變可引起細菌對鏈霉素的耐藥，而鏈霉素耐藥所致的抗性代價受到環(huán)境和上位作用的影響[17]。如沙門菌RpsL蛋白的K42N或P90S可導(dǎo)致鏈霉素耐藥，該鏈霉素耐藥菌株在營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中的生長速度低于敏感菌株，而在碳源缺乏的培養(yǎng)基中生長速度則高于敏感菌株[18]。RpoS是能夠抑制處于生長對數(shù)后期和低營養(yǎng)環(huán)境中細菌分裂的一個重要調(diào)控因子，通過限制細菌的增長，保持細菌在環(huán)境中的長期生存，而耐藥菌株的生長速率增加會導(dǎo)致菌體快速消耗環(huán)境中的營養(yǎng)，進而減少耐藥菌株的存活時間，推測沙門菌鏈霉素耐藥導(dǎo)致rpsL基因?qū)poS產(chǎn)生上位作用，引起RpoS的功能失調(diào)，導(dǎo)致耐藥沙門菌在低營養(yǎng)環(huán)境中的存活能力下降[19]。此外，空腸彎曲菌體內(nèi)編碼DNA回旋酶亞單位A(gyrase subunit A，GyrA)的gyrA基因突變可致環(huán)丙沙星耐藥，同時gyrA的突變可增強耐藥菌株對雞的致病力，但是，當(dāng)將該菌株的gyrA電轉(zhuǎn)至其他空腸彎曲菌分離株時，在空腸彎曲菌產(chǎn)生環(huán)丙沙星耐藥的同時，也產(chǎn)生了抗性代價[20]。因此，在測定耐藥菌株的抗性代價時應(yīng)當(dāng)在不同條件下進行，從而能更精確的找到耐藥菌株的抗性代價機理，有利于新藥的開發(fā)或者藥物之間的聯(lián)合應(yīng)用。

2.2 環(huán)境影響細菌抗性代價

某些耐藥菌株在實驗室培養(yǎng)條件下無抗性代價，且對小鼠產(chǎn)生致病力與敏感菌株基本相似；相反，雖然某些耐藥菌株對小鼠的致病力與敏感菌株相似，但在實驗室培養(yǎng)條件下具有明顯的抗性代價。沙門菌fusA基因突變可通過影響鳥苷四磷酸調(diào)控因子的表達對夫西地酸產(chǎn)生耐藥性；fusA基因的突變可導(dǎo)致其他多個基因表達的變化，從而導(dǎo)致在不同環(huán)境條件下所觀察到的抗性代價也有所不同[21]。此外，沙門菌fusA突變可導(dǎo)致對頭孢菌素等抗菌藥物的超敏感現(xiàn)象，可能是由于fusA突變導(dǎo)致的耐藥引起了抗性代價，而抗性代價的產(chǎn)生導(dǎo)致了耐藥菌株對其他抗菌藥物的超敏感現(xiàn)象。同時提示沙門菌fusA突變所致的夫西地酸耐藥菌株可采用這些超敏感的抗菌藥物進行治療。

細菌對利福平耐藥的主要機制為編碼RNA聚合酶亞單位的rpoB基因發(fā)生突變，利福平產(chǎn)生耐藥后可產(chǎn)生細菌抗性代價，但是，甲氧西林耐藥的金黃色葡萄球菌分離株S464P同樣對利福平具有耐藥性時，其對小鼠的病致力和敏感菌株基本相同[22]。產(chǎn)生這種差異的原因仍不清楚，推測可能是由于環(huán)境差異所導(dǎo)致的。

2.3 耐藥機制對抗性代價的影響

沙門菌和大腸埃希菌30S核糖體蛋白S12的氨基酸變化(K42R)可產(chǎn)生鏈霉素耐藥，但不會產(chǎn)生抗性代價，甚至該30S核糖體蛋白S12氨基酸變化會引起菌株對小鼠和豬致病力的升高[23]。同時，對鏈霉素耐藥的結(jié)核桿菌30S核糖體蛋白S12也具有相同的氨基酸變化，且致病力也不會下降，這提示30S核糖體蛋白S12中的氨基酸K42R變化可導(dǎo)致鏈霉素耐藥，但不會產(chǎn)生抗性代價。

金黃色葡萄球菌通過獲得含有vanA的質(zhì)粒產(chǎn)生與萬古霉素低結(jié)合能力的細胞壁前體物而產(chǎn)生耐藥。攜帶vanA基因的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌臨床分離株在含有萬古霉素的環(huán)境中能夠誘導(dǎo)vanA基因的表達，產(chǎn)生耐藥，生長速率會下降20%～38%抗性代價比較明顯；相反，將相同菌株置于無萬古霉素的環(huán)境中時，其生長速率只下降0.04%～0.3%[24]。因此，對甲氧西林耐藥的金黃色葡萄球菌中vanA能夠根據(jù)菌體所處的環(huán)境而調(diào)整抗性代價。

2.4 耐藥菌株的補償進化對抗性代價的影響

對喹諾酮類藥物耐藥的大腸埃希菌gyrA基因會發(fā)生多處突變。細菌體內(nèi)外試驗發(fā)現(xiàn)，隨著gyrA突變數(shù)量的增加，抗性代價不斷降低。如當(dāng)大腸埃希菌gyrA基因的突變點從3個增加到4個時，不僅能增加對喹諾酮類藥物的耐藥，而且能夠降低耐藥菌株的抗性代價[25]。這提示可能細菌正向耐藥性更強、抗性代價更低的方向進化。

3 結(jié)論

不同種類的細菌甚至是不同菌株，由于受到多種因素的影響，其抗性代價會有所差異。細菌通過補償性突變或者遺傳選擇可彌補由耐藥所產(chǎn)生的抗性代價，因此，目前條件下，依靠抗性代價來消除耐藥菌株是比較緩慢，甚至是不能夠?qū)崿F(xiàn)的。通過研究細菌抗性代價，從而在臨床上選擇高抗性代價同時菌又不易產(chǎn)生補償性突變的抗菌藥物，進而阻止或延緩細菌耐藥性的產(chǎn)生。

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