家畜中抗菌素耐藥性：抗生素的進(jìn)展與替代

張江

摘 要：正如美國醫(yī)藥協(xié)會(huì)所報(bào)告的那樣，抗生素耐藥性被視為人類健康最大的威脅之一。生物技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)證明抗生素的功效能夠通過使用抗菌肽綴合物得到恢復(fù)。最近，研究人員已經(jīng)開發(fā)了多個(gè)治療和控制由微生物引發(fā)的疾病的高度有效的和可供選擇的方法。在疾病控制上的科學(xué)突破將能夠安全地解決抗生素耐藥性問題。世界需要更多的研究、開發(fā)和評(píng)估。

關(guān)鍵詞：抗體；耐藥性；噬菌體；乳酸；疫苗

中圖分類號(hào)：S831.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-0769（2018）06-0077-03

抗生素耐藥性被視為人類健康最大的威脅之一。美國每年有200多萬人感染抗生素耐藥菌，直接導(dǎo)致23 000人死亡。奧尼爾委員會(huì)（ONeil commission）對(duì)消除抗生素耐藥性全球威脅的手段進(jìn)行了評(píng)估，預(yù)測到2050年，全球?qū)⒂? 000萬人死于抗生素耐藥性。除了對(duì)現(xiàn)有藥物的抗性增加之外，新型抗生素的開發(fā)也較為缺乏。該委員會(huì)提出了減少抗生素使用的如下建議。

⑴開展大規(guī)模的全球公共衛(wèi)生活動(dòng)，提高民眾對(duì)抗生素耐藥性的認(rèn)識(shí)。

⑵改善衛(wèi)生，預(yù)防傳染性疾病的擴(kuò)散。

⑶減少在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不必要的抗菌劑使用及抗生素環(huán)境中的散播。

⑷改善對(duì)人類和動(dòng)物耐藥性及抗菌素使用的全球監(jiān)測。

⑸推動(dòng)新的快速診斷方法應(yīng)用，減少不必要的抗生素使用。

⑹推動(dòng)疫苗和替代品的開發(fā)和使用。

歐洲藥品管理局和歐洲食品安全管理局的一個(gè)委員會(huì)提出了在歐盟畜牧業(yè)生產(chǎn)中減少抗生素使用進(jìn)而降低對(duì)食品安全影響的實(shí)施措施。建議的措施包括：

⑴制定監(jiān)測抗菌藥物使用和抗生素耐藥性發(fā)展的國家戰(zhàn)略。

⑵制定減少抗生素使用的國家目標(biāo)。

⑶執(zhí)行牧場衛(wèi)生計(jì)劃。

⑷提高獸醫(yī)對(duì)處方抗菌劑的責(zé)任。

⑸提高快速可靠診斷方法的可用性。

⑹改善用于疾病預(yù)防控制的飼養(yǎng)管理措施。

⑺對(duì)畜牧生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行反思，減少內(nèi)在的疾病風(fēng)險(xiǎn)?？赡苡糜谔娲股氐漠a(chǎn)品包括益生菌和益生元、競爭性排斥菌、噬菌體、免疫調(diào)節(jié)劑、有機(jī)酸和乳頭密封膠（teat sealant）等。

1 大健康委員會(huì)

大健康（One Health）是指“多學(xué)科間協(xié)同努力——在本地、國內(nèi)和全球范圍內(nèi)開展工作——獲得人、動(dòng)物和環(huán)境的最佳健康。”抗生素耐藥性是體現(xiàn)大健康理念的最重要問題之一。不僅要基于大健康的原則，還要立足于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、社會(huì)平等以及在全球范圍內(nèi)為人類和動(dòng)物提供有效醫(yī)療保健的原則，尋求降低選擇壓力以及在全球范圍內(nèi)打破耐藥性傳播周期的綜合手段。國際協(xié)議有助于確保通過全球協(xié)調(diào)完成這些目標(biāo)。

本綜述的目的是對(duì)最近動(dòng)物飼料行業(yè)使用抗生素的進(jìn)展情況和抗生素替代品作一個(gè)概述。

2 使用CRISPR/Cas基因編輯系統(tǒng)逆轉(zhuǎn)抗生素耐藥性并用作抗菌劑

目前使用的抗生素往往是廣譜的，不加分辨地殺死有益共生菌，增加耐藥性。成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）/Cas系統(tǒng)已經(jīng)成功地用于編輯細(xì)菌中靶向毒力因子和抗生素抗性基因，因此可用于可編程序列特異性抗菌素的開發(fā)。CRISPR系統(tǒng)是低等生物免疫系統(tǒng)的重要組成部分。它們能夠切斷導(dǎo)致病毒攻擊的任何病毒DNA序列。CRISPR技術(shù)被認(rèn)為是生物技術(shù)的一項(xiàng)世紀(jì)發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了一個(gè)全新的基因編輯領(lǐng)域，可用于包括工程性抗菌劑開發(fā)在內(nèi)的治療目的。該技術(shù)可用于設(shè)計(jì)能選擇活性范圍的抗菌劑，并在體外和體內(nèi)通過噬菌體衣殼傳遞有效殺死目標(biāo)菌群（圖1）。此外該技術(shù)還可使耐藥菌重新變得對(duì)抗生素敏感。與其他方法相比，基于CRISPR技術(shù)的抗菌素的獨(dú)特優(yōu)勢在于它們能夠基于基因序列殺死細(xì)菌，它們可解決兩個(gè)問題：（1）防止不加分辨地清除腸道有益菌；（2）促進(jìn)非靶向菌群繁殖并擁有小生態(tài)，降低抗性的選擇壓力?；贑RISPR的技術(shù)將開辟控制菌群組成的新途徑，而不是使用傳統(tǒng)的廣譜抗生素。由于CRISPR/Cas技術(shù)的模塊化和簡單性，可以同時(shí)針對(duì)抗生素抗性和毒力決定簇快速構(gòu)建多重RNA引導(dǎo)核酸酶文庫，調(diào)節(jié)復(fù)雜的菌群組成。該技術(shù)將為新型抗菌劑的開發(fā)開啟途徑。

3 增強(qiáng)抗菌效力的抗生素綴合物

抗生素綴合物正日益成為治療或預(yù)防部分細(xì)菌性疾病的一種靶向治療方法。天然形式的抗生素在生物利用率、毒性、生物分布以及功效方面受到限制。與使用抗生素治療有關(guān)的問題通常與無法靶向特定部位有關(guān)。由于存在這些限制，加上游離抗生素具有快速和短效的特點(diǎn)，一般需要每日多次高劑量的抗生素來維持特定部位的治療濃度。這反過來會(huì)損傷共生菌群。使用綴合物可避免抗生素耐藥性產(chǎn)生，并有可能使對(duì)耐藥菌失去效力的抗生素重新恢復(fù)功效?？股鼐Y合物為將抗生素運(yùn)輸至身體中任何特定組織提供了新的手段。

4 以噬菌體作為抗菌劑

噬菌體是可以影響和殺死細(xì)菌的病毒。噬菌體可高特異性地感染細(xì)菌細(xì)胞，如果是裂解噬菌體，可破壞并裂解宿主細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞死亡（圖2）。穿透細(xì)胞壁的尾部將噬菌體DNA注入宿主細(xì)胞質(zhì)中。一旦進(jìn)入細(xì)胞，噬菌體會(huì)合成由噬菌體基因組編碼的特定酶，將宿主細(xì)胞的DNA和蛋白質(zhì)合成轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生新的噬菌體顆粒。在噬菌體復(fù)制循環(huán)結(jié)束的特定時(shí)間，噬菌體編碼的穿孔素在細(xì)胞膜上形成孔隙，導(dǎo)致細(xì)胞快速破壞。裂解噬菌體具有成倍增殖的能力，并且可以迅速清除細(xì)菌，且與其耐藥性無關(guān)。

對(duì)革蘭氏陽性菌和陰性菌引起的動(dòng)物急性感染，烈性噬菌體是非常有吸引力的候選治療劑。口服噬菌體通常會(huì)降低腸道病原體的濃度或使致病菌死亡。動(dòng)物中使用噬菌體的問題主要是噬菌體宿主范圍較窄，導(dǎo)致其廣譜保護(hù)方面受到限制，服用噬菌體可能誘導(dǎo)動(dòng)物體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，造成細(xì)菌對(duì)噬菌體產(chǎn)生抗性，另外噬菌體在胃部低pH（約pH 2）條件下不穩(wěn)定，但是在大腸pH條件下（約pH 6.8）非常穩(wěn)定。有研究表明，包被在脂質(zhì)體中的噬菌體可在雞盲腸中保留更長時(shí)間（數(shù)日以上）。研究人員最近開發(fā)了基于基因工程噬菌體釋放系統(tǒng)，作為抗金黃色葡萄球菌的抗菌劑。它們能夠克服目前的噬菌體給藥系統(tǒng)的缺陷，如低效釋放、宿主范圍狹窄以及毒力基因的潛在轉(zhuǎn)移等。該系統(tǒng)可以適用于其他重要的病原體。最近的研發(fā)將不斷解決對(duì)噬菌體療法的擔(dān)心，并最終釋放出作為抗菌劑的巨大潛力。我們還需要進(jìn)行更多研究來證明工程噬菌體的健康/安全問題，包括其傳播耐藥性能力。

5 設(shè)計(jì)用于控制體內(nèi)微生物疾病的抗菌肽

抗菌肽是一類有應(yīng)用前景的新一代抗生素，具有戰(zhàn)勝細(xì)菌耐藥性的巨大潛力?？咕氖顷栯x子（帶正電荷）兩性小肽（29～42個(gè)氨基酸），對(duì)革蘭氏陽性菌和陰性菌、真菌和病毒具有直接或間接的抗微生物活性。與常規(guī)抗生素相比，抗菌肽能夠誘導(dǎo)快速殺滅，且與常規(guī)抗生素相比產(chǎn)生抗藥性的傾向較低。但是，盡管過去30年取得了重大進(jìn)展，抗菌肽仍未進(jìn)入臨床使用。很遺憾的是，抗菌肽必須在克服一些缺點(diǎn)（包括穩(wěn)定性差、易于蛋白水解、生理?xiàng)l件下活性低以及生產(chǎn)成本高）后才能進(jìn)入市場。有研究人員合成了一類新的抗菌劑，稱為“納米結(jié)構(gòu)工程抗菌肽聚合物”。它們對(duì)所有測試的革蘭氏陰性菌能夠表現(xiàn)出亞微摩爾活性，且被證明毒性低?？傮w而言，納米結(jié)構(gòu)工程抗菌肽聚合物作為低成本高效抗菌劑具有很大的希望。它們可能在對(duì)抗革蘭氏陰性細(xì)菌日益增長的威脅上非常有效。需要進(jìn)一步的研究來確認(rèn)工程抗菌肽的安全性和有效性。

6 使用化學(xué)合成的病毒樣納米粒子（納米抗生素）殺死致病菌

抗菌肽（宿主防御肽）及其合成模擬物已經(jīng)成為殺死致病細(xì)菌的比較有前景的候選物。陽離子電荷及兩親性是抗生素的兩個(gè)關(guān)鍵性狀，幫助眾多抗菌肽通過協(xié)同疏水和電荷相互作用破壞細(xì)菌膜?？咕牡某杀尽⒍拘院褪芟薜慕M織分布阻礙了抗菌肽的直接應(yīng)用。由于抗菌肽的活性取決于其整體理化性質(zhì)而不是其特定的組成，因此人們對(duì)開發(fā)合成肽感興趣。合成抗菌肽的疏水性對(duì)于抗菌活性可能是至關(guān)重要的，但是也可能對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞造成毒性。

一般認(rèn)為，開發(fā)膜活性抗菌劑是尋求陽離子- 疏水性微妙的平衡。研究人員通過設(shè)計(jì)模擬噬菌體尾部球形和桿狀聚合物分子刷這兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)研究了納米結(jié)構(gòu)抗生素的作用。合成的尾刷參與顆粒與細(xì)菌細(xì)胞的結(jié)合。他們的研究證明，盡管單個(gè)聚合物分子刷具有親水性和弱抗菌性，但一旦納米結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，兩親性就不再是必需的抗生素性狀。納米結(jié)構(gòu)的聚合物分子刷在細(xì)菌中可誘導(dǎo)形成孔（致死性），但不會(huì)誘導(dǎo)哺乳動(dòng)物膜形成孔。納米結(jié)構(gòu)的大小和形狀可進(jìn)一步幫助確定聚合物分子對(duì)不同細(xì)菌的抗菌活性和選擇性。該研究強(qiáng)調(diào)了納米結(jié)構(gòu)在高活性、對(duì)真核生物的低毒性和靶特異性的膜活性設(shè)計(jì)中的重要性。此項(xiàng)研究可用于開發(fā)一種全新的化學(xué)合成抗菌劑，這種抗菌劑不會(huì)產(chǎn)生抗性，并可針對(duì)不同類型的細(xì)菌。新型抗生素可以飼料添加劑的方式廣泛用作促生長劑。休斯敦大學(xué)的研究人員認(rèn)為，這種令人興奮的新型抗菌劑可能成為一種關(guān)鍵工具，用以抗擊其他方式難以殺滅的耐藥菌。研究者謹(jǐn)慎樂觀地表示，通過生物工程技術(shù)可以合理設(shè)計(jì)具有最佳活性、選擇性、生物相容性和生物分布的納米抗生素。