耐藥基因在食品鏈中的傳播及風險管控

周瑜橋，高勝普，賀 澤，張恩寶，曲道峰*

（1 浙江工商大學食品與生物工程學院 杭州310018 2 中國動物疫病預防控制中心 北京100000）

多年來，抗生素作為促進生長，提高飼料效率，預防和治療傳染病的藥物被用于畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等[1]。細菌通過細菌基因突變或通過獲得攜帶在移動元件上的外源性耐藥基因來抵抗一種或幾種抗生素作用的能力被定義為耐藥性（Antimicrobial resistance，AMR）。耐藥菌的廣泛流行使得這些抗生素喪失了在治療威脅生命的感染中的價值。世界衛(wèi)生組織認為，過去10年中抗生素耐藥性已經(jīng)嚴重威脅到全世界人民的生命。耐藥性和耐藥基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）是天然存在的，然而，抗生素的廣泛使用及現(xiàn)代生產(chǎn)方式，驅(qū)動了耐藥基因“前體”或“隱身”的進化，更引起耐藥基因在病原菌之間的轉(zhuǎn)移，從而得到更多樣、更豐富、流動性更強的耐藥基因組[2]。進入21世紀以來，多種病原菌出現(xiàn)耐藥株（Drugresistant strain）、多重耐藥株（Multi-drug resistant strain），甚至泛耐藥株（Pan-drug resistant strain），給人類臨床醫(yī)療和獸類臨床醫(yī)療帶來巨大挑戰(zhàn)。耐抗生素細菌每年在全世界造成70 多萬人死亡[3]。在農(nóng)業(yè)中廣泛使用抗生素促進生長和預防疾病，對家畜生產(chǎn)和食品安全以及人類健康產(chǎn)生了重大影響[4]。國際、政府、食品行業(yè)部門和學術界都致力于抗擊日益嚴重的耐藥性感染。不同部門需協(xié)調(diào)努力，以解決動物和人類健康、農(nóng)業(yè)、食品和環(huán)境等方面的交叉問題。

1 耐藥基因

微生物在漫長的進化過程當中產(chǎn)生了能抵抗外界某些化學物質(zhì)的能力，形成相應的耐藥性。耐藥性的形成是由其耐藥基因決定的，并能夠遺傳給后代[5-6]。細菌耐藥性的進化和發(fā)展有2 條主要的生物學途徑：1）耐藥性可以通過自然細菌種群中預先存在的表型來調(diào)節(jié)。在進化過程中，耐藥基因在現(xiàn)有基因（染色體或質(zhì)粒）上積累并通過垂直基因轉(zhuǎn)移（Vertical gene transfer，VGT）到子代細胞[7]；2）通過細菌物種之間的基因內(nèi)部交流，即水平基因轉(zhuǎn)移[7]（Horizontal gene transfer，HGT），獲得新的耐藥基因，這些耐藥基因隱藏在可移動的遺傳元件上，如質(zhì)粒、整合子、轉(zhuǎn)座子、插入序列和噬菌體相關元件等遺傳材料中[8]，通過接合轉(zhuǎn)移（在細胞間接觸和性因子的協(xié)助下，DNA 從供體轉(zhuǎn)移到受體細菌）、變換（存在于環(huán)境中的裸DNA被受體細胞吸收）和轉(zhuǎn)導噬菌體作為載體將DNA插入受體細胞[5]。

1.1 耐藥基因的水平轉(zhuǎn)移

HGT 是指在不同生物個體或細胞內(nèi)部DNA之間進行的遺傳物質(zhì)的交流，這種現(xiàn)象突破了種、屬的界限，促進了遺傳物質(zhì)的交換和重組，在基因組進化和環(huán)境適應過程中十分重要[8]。HGT 在很大程度上促進了耐藥性的迅速傳播，然而人們對耐藥性基因的傳播動力學知之甚少。HGT 的多種機制將基因從正常的垂直遺傳中解放出來[9]，在耐藥性的傳播中起到了關鍵作用。

耐藥基因通過HGT 使得新的細菌群體獲得新的耐藥基因和耐藥機制，從而產(chǎn)生了不同的耐藥譜。這一過程可以被認為是耐藥基因傳播的主要驅(qū)動力，可在物種間傳播，尤其在動物和人類的細菌微生物群落（胃腸道、鼻咽黏膜和皮膚）中廣泛存在[5]?？梢苿幽退幵谀退幮援a(chǎn)生和傳播中具有重要作用。介導耐藥基因移動的可移動元件及其側翼耐藥基因的總和稱為可移動耐藥基因組（Mobile resistome）[10]，可移動耐藥基因組增多意味著耐藥性傳播的風險增大。

1.2 我國細菌耐藥現(xiàn)狀

在全球范圍內(nèi)多重耐藥和泛耐藥細菌的種類很多，如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌[11]、產(chǎn)超廣譜β-內(nèi)酰胺酶的大腸埃希氏菌[12]和耐碳青霉烯類肺炎克雷伯菌[13]，它們都具有較高的患病率，在國內(nèi)這種耐藥菌也十分普遍[14]?；前奉惸退幓蚝退沫h(huán)素類耐藥基因是我國檢測最多的耐藥基因[15]。目前，臨床上對于這些耐藥性致病菌所引發(fā)疾病的治療藥物十分有限。動物病原菌是耐藥基因的主要儲存庫之一，并且可以通過食物鏈轉(zhuǎn)移給人類。在集約化生產(chǎn)越來越普遍的情況下，許多抗菌類藥物被用于動物飼料中，在我國一半以上的抗生素被用于動物養(yǎng)殖中[16]。這種做法雖增加經(jīng)濟效益但同時也帶來了巨大的衛(wèi)生安全隱患，長期大量使用抗菌劑會促進并加劇耐藥菌的出現(xiàn)。食品加工環(huán)境也可能是ARGs 獲取和傳播的潛在熱點[17]。耐藥基因通過食物鏈傳播的可能性日益令人擔憂。

2 食物鏈中耐藥基因的傳播

耐藥基因沿著食物鏈上的傳播是全球性的一個公共衛(wèi)生問題，一些研究報道食用動物產(chǎn)品已被耐藥菌株感染，如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）[18]，耐抗生素彎曲桿菌屬[19]、超廣譜-內(nèi)酰胺酶（ESBL）-腸桿菌科（即沙門氏菌屬，志賀氏菌屬）、大腸桿菌、克雷伯氏菌等[20-21]。最近，隨著具有重大流行潛力的耐抗生素細菌的出現(xiàn)，如碳青霉烯類耐藥腸桿菌科（CRE）[20]，和耐黏菌素大腸桿菌[22]，以及新興的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等，情況進一步惡化[18]。這些被認為來源于食用動物的有毒菌株，因其毒理機制和高基因交換，被認為是一個重要的衛(wèi)生安全問題。它們可能導致新的、更有抵抗力的、毒性更強的和可移動的毒株出現(xiàn)，而這些毒株對于人類來說是未知的[23]。

2.1 在食物鏈中的傳播趨勢

耐藥的人畜共患病原菌和攜帶耐藥基因的共生體菌株可以通過多種途徑感染人群，食品只是其中之一[24]。耐藥細菌可能通過直接或間接接觸的途徑沿食物鏈傳播，如圖1所示。人與動物和一些生物物質(zhì)（如血液、尿液、糞便、牛奶、唾液和精液）的直接接觸可能引起甚至促進耐藥細菌在宿主之間的迅速傳播。而相對應的，與這些傳播源密切接觸的人（如獸醫(yī)、農(nóng)民、屠宰場工人和食品加工者等），有很大的被耐藥細菌感染的風險。人們常因為在初期未感到明顯的危害而忽略自己已被感染的情況，這也加大了傳播風險，尤其容易傳播給密切接觸者（家人、朋友），從而進入各個家庭和社區(qū)[25]。此外，人類可能通過接觸或食用受污染的食品（如肉類、蛋類、牛奶和乳制品）而間接接觸到耐抗生素細菌和耐藥基因。最近，許多報道描述了大量來源于各種動物（如牲畜、家禽、豬、羊）、各種食品（即食肉類、煮熟的肉和散裝牛奶）以及在食品生產(chǎn)中的各階段的耐藥性細菌和耐藥基因的存在[18，26]。

有研究表明，動物之間的接觸和人對食用動物對于mcr-1（能對終極抗生素——多黏菌素產(chǎn)生強耐藥性的新基因）耐藥基因的傳播起關鍵作用[27]，其中人在食用了含耐藥基因的動物食品后，有幾率會從易感人群轉(zhuǎn)化為耐藥人群，然而這一因素很難進行人為控制。

2.2 耐藥基因傳播的驅(qū)動力

抗生素的使用是耐藥基因傳播的關鍵因素?？股刈鳛橹委焺㈩A防性藥物以及生長促進劑被廣泛用于食品動物生產(chǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖中，加劇了耐藥菌和耐藥基因的出現(xiàn)和傳播[28]。抗生素耐藥基因在食物鏈中傳播的驅(qū)動力主要有3 個：1）抗生素廣泛用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜牧生產(chǎn)和作物栽培[29]；2）耐藥菌和耐藥基因易在食品生產(chǎn)鏈的各個階段傳播[30]；3）可能導致人類感染?？股卦谶M入動物體后，很大一部分并沒有轉(zhuǎn)化為非活性化合物，在腎臟或膽道排泄后仍能保持其活性[31]。這些抗生素的活性部分、代謝物或降解產(chǎn)物通過動物糞便排出，使得農(nóng)田土壤、糞便和廢水被確定為耐藥菌污染的熱點，環(huán)境因此成為耐藥菌的另一個重要“蓄水池”（圖1）。

圖1 耐藥基因在食物鏈中的可能傳播途徑Fig.1 Possible routes of transmission of resistant genes in the food chain

人類的活動，動物的遷徙，環(huán)境的改變都可能導致新的耐藥基因的產(chǎn)生。生態(tài)環(huán)境中的抗生素、消毒劑、金屬離子[32]等選擇壓力的持續(xù)存在，使可移動耐藥基因組不斷增加，加速了耐藥基因在菌種間的快速傳播。在農(nóng)場和屠宰場廣泛使用的殺菌劑，包括消毒劑、防腐劑可能有助于抗生素耐藥性的發(fā)展[1]。有研究表明，減少或者不使用抗生素，耐藥致病菌和共生菌仍可在場所內(nèi)和場所之間持續(xù)存在和傳播。造成這種情況的原因復雜多樣，可能包括：細菌之間的抗性遺傳基因水平傳播；細菌通過運動的物理轉(zhuǎn)移（動物、工人和設備）；無效地清潔和消毒；其它選擇性抵抗某些細菌的抗生素、重金屬、農(nóng)藥[29]。由于基因的水平轉(zhuǎn)移會進一步發(fā)生在糞肥、水和土壤中，導致微生物群落中含有不同水平的耐藥菌和耐藥基因[31，33]，因此環(huán)境污染可能會導致新的耐抗生素細菌和耐藥基因在魚類、貝類、蔬菜、飼料和水等食品中出現(xiàn)和傳播，它們可能反過來感染動物和人類，進而增加了食物鏈中耐藥基因的存在。

2.3 耐藥基因在高校中傳播的風險

近年來，我國人口流動性較大，人員交流頻繁，高校作為大學生和教師學習和生活的主要場所，具有人數(shù)較多、接觸密切、密度較大等特點。高校的食品安全衛(wèi)生問題，關系到每一位教職工、學生的生命健康和正常的教學秩序[34]。

在上海某高校校區(qū)的抗性基因檢測中發(fā)現(xiàn)，在試驗區(qū)和食堂區(qū)檢出的抗性基因相對較多[35]。食堂作為高校的一大主要就餐地點，一旦出現(xiàn)食品安全問題，可能會有較大面積的疾病爆發(fā)，這會嚴重影響到師生的健康以及學校的穩(wěn)定。高校食堂的原料品種多、部分食材即食性強、工藝流程復雜[36]，對于食材中可能出現(xiàn)的耐藥菌以及耐藥基因的情況需要引起重視。食堂后勤部的職工較多，參與采購、制作、烹飪等崗位的職工屬于食物鏈的密切接觸者，存在直接或間接傳播耐藥菌和耐藥基因的風險。

大學校園在寒、暑假期間具有大量的人口流動，且流動范圍遍布全國各個地區(qū)，每位師生在假期可能會接觸到耐藥菌或耐藥基因，成為耐藥菌或耐藥基因的感染者或攜帶者，校園的多人口、高流動特性大大增加了耐藥基因傳播的風險。

3 耐藥傳播風險管控

人類現(xiàn)代生產(chǎn)和生活方式驅(qū)動了耐藥性的進化和流動，而人類對抗生素使用的盲目和監(jiān)管的缺失進一步加速了耐藥性在環(huán)境菌株、條件致病菌和致病菌中的產(chǎn)生和快速傳播。目前嚴峻的形勢凸顯了在危機時期食品安全及對其進行風險管控的重要性。

3.1 加強市場監(jiān)管

在預防耐藥基因大流行時，對于市場管理需要引起足夠的重視。市場對可持續(xù)發(fā)展和食品安全至關重要，其為全球數(shù)十億人提供新鮮、經(jīng)濟的糧食。然而，復雜擁擠的市場也是傳染源傳播的重要場所。生鮮市場是ARGs 的儲存庫，ARGs 從食用動物傳播給人類的風險很高[43]，世界衛(wèi)生組織建議加強對生鮮市場的監(jiān)管。同時，政府管理部門需要站在全球的高度認識細菌耐藥，制定相關管理法規(guī)，實施耐藥控制計劃。當前的危機引發(fā)了人們對進一步探索兼顧監(jiān)管確保安全的協(xié)作式短食品供應鏈的興趣[27]。

3.2 提高對耐藥性的認識

攜帶耐藥基因的菌種在進化過程中發(fā)生了突變，最后可能形成一種新型的耐藥基因，一般的抗生素無法治愈，一旦出現(xiàn)了耐藥基因的廣泛傳播，會嚴重危害到人類的生命安全。加強抗生素使用、耐藥菌、耐藥基因傳播和食品安全方面的宣傳活動，對于應對沿著食物鏈傳播耐藥基因的相關安全問題至關重要。設計簡單的關鍵信息，對目標人群和所有相關者（包括農(nóng)場和屠宰場工人、食品處理人員、獸醫(yī)、藥劑師、食品生產(chǎn)行業(yè)、消費者等）進行安全意識宣傳是必不可少的。通過大眾媒體和社交媒體不斷重復關鍵信息，加強安全意識，可能有助于有效減少抗生素消費和抗生素耐藥性的產(chǎn)生[37]。農(nóng)民、屠宰場工人、食品加工者和獸醫(yī)并不是唯一受到食物鏈威脅的群體，所有的普通民眾都應該參與并接受教育。大學生是信息傳播關鍵一環(huán)，是信息互動的龐大載體，在食品安全宣傳中，設計以大學生為主體的信息傳播方式能夠起到重要的作用。

3.3 聯(lián)合多部門、多學科共同應對

糧農(nóng)組織發(fā)布了《2016—2020年抗生素耐藥性行動計劃》，該計劃旨在支持糧食和農(nóng)業(yè)部門實施《全球抗生素耐藥性行動計劃》，以最大限度地減少抗生素耐藥性的影響。快速了解耐藥基因流行情況以及相關信息，對合理使用抗菌藥物和遏制耐藥細菌數(shù)量增長具有重大意義。建立能夠抵御耐藥基因流行的食品安全系統(tǒng)，需要包括決策者在內(nèi)的整個食物鏈上的相關人員采取集體行動。要發(fā)展強化的、循環(huán)的食物鏈，可能需要在全球食品供應趨勢和當?shù)刳厔葜g建立一種精細的、互補的平衡。目前需要設立不同層次和領域的監(jiān)測體系，對包括對抗菌藥物在生產(chǎn)、流通、使用的各個階段進行監(jiān)測，各領域所獲得的信息互相配合，共同應對耐藥基因的傳播。耐藥基因沿著食物鏈傳播，人類有很大幾率會從中攝入耐藥基因，其潛在危害無法預測，需引起社會各界的廣泛重視。現(xiàn)有的數(shù)字技術和物理技術等，可能會在復雜的食物鏈運行和維護中發(fā)揮關鍵作用，以確保食品安全。面對這個公共安全衛(wèi)生問題，只有多部門、多領域、多學科（涉及食品相關科學/工程、社會或計算機科學、以及商業(yè)、政策/法規(guī)）共同合作、協(xié)調(diào)努力才能有效解決這個問題。

3.4 控制食品中抗生素耐藥性的新工具

脈沖場凝膠電泳（PFGE）迄今已被成功地用于評價菌株的遺傳親緣關系，并通過多位點序列分型（MLST）建立菌株的多樣性，其結果在實驗室之間具有可比性[38]。如今，新一代測序的出現(xiàn)，為監(jiān)測食品和食品生產(chǎn)環(huán)境、檢測引起疾病的抗生素耐藥細菌病原體提供了新的可能性[39]。例如，全基因組測序（WGS）對食源性分離物的分型具有重要作用，并為監(jiān)測在國家或全球范圍內(nèi)爆發(fā)的食源性疾病提供了解決方案[40]。WGS 還促進了細菌耐藥體、病毒體和可移動體的快速分析。利用數(shù)學模型的方法研究耐藥細菌在不同環(huán)境下的傳播機制、控制方式和預防措施等，一直是耐藥性傳播研究的重要內(nèi)容之一，在風險評估框架內(nèi)應用WGS和預測微生物學，是深入了解耐藥機制并有利于減少食物鏈中抗生素耐藥性傳播的關鍵[41]。研究者們基于所研究耐藥細菌的傳播機制，建立相應的數(shù)學模型，從理論上研究耐藥細菌在流動環(huán)境下的傳播情況[18]。

4 結語

抗生素的使用及人類現(xiàn)代生產(chǎn)生活方式驅(qū)動了“前體”或“隱身”耐藥基因的進化以及耐藥基因從環(huán)境菌株向病原菌株的轉(zhuǎn)移，從而得到更多樣、更豐富、流動性更強的耐藥基因組。多重耐藥菌的產(chǎn)生已經(jīng)逐漸威脅著人類的生命安全，并成為深層次的環(huán)境污染，給醫(yī)療帶來了新的挑戰(zhàn)?？焖倭私饽退幓蛄餍星闆r以及相關信息，對合理使用抗菌藥物和遏制耐藥細菌發(fā)展具有重大意義。目前人與動物以及一些生物物質(zhì)的直接接觸可能引起耐藥菌在宿主之間的快速傳播。耐藥基因通過與各個渠道的密切接觸進入到各個家庭、社區(qū)，人們也可能通過接觸或食用食物鏈中受污染的食品感染到耐抗生素細菌和耐藥基因。我國人口流動性較大，人員交流頻繁，高校更是典型的疾病的易感染區(qū)，需要引起足夠重視。需要設立不同層次和領域的監(jiān)測體系，對包括在抗菌藥物的生產(chǎn)、流通、使用的各個階段進行監(jiān)測，將各領域所獲得的信息互相配合，共同應對耐藥基因的傳播。監(jiān)測抗菌素耐藥性是風險評估計劃中的一個關鍵步驟，因為它是為全球戰(zhàn)略提供信息、監(jiān)測公共衛(wèi)生干預措施的有效性以及發(fā)現(xiàn)與食品有關的新趨勢和新出現(xiàn)的威脅的基礎。