李金玲,李文茹,張建設,黃旭斌,廖康,謝小保
(1.浙江海洋大學國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心,浙江舟山 316022;2.廣東省科學院微生物研究所,華南應用微生物國家重點實驗室,廣東省菌種保藏與應用重點實驗室,廣東廣州 510070;3.中山大學附屬第一醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科,廣東廣州 510080;4.中山大學附屬第一醫(yī)院醫(yī)學檢驗科,廣東廣州 510080)
銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa,PA)是一種引起院內感染的主要條件致病菌,能適應惡劣的生存環(huán)境,且分布廣泛,常存在于水體、土壤以及空氣等自然環(huán)境中以及人類的皮膚、消化道和呼吸道等位置。該菌可引起肺炎、燒傷感染、血流感染等多種感染,致死率高。PA 具有龐大的基因庫,極易產(chǎn)生耐藥,對多種抗生素具有較強耐藥性[1-4]。據(jù)中國細菌耐藥監(jiān)測網(wǎng)(CHINET)報道2005-2020 年銅綠假單胞菌的臨床分離率均位于革蘭氏陰性菌的前五[5-11],一直是治療院內感染亟待解決的問題,給臨床抗感染治療帶來了極大困擾,已成為臨床關注焦點[12-13]。近年來,關于PA 異質性耐藥(heteroresistance,HR)的報道也越來越多,使其臨床治療越發(fā)棘手。
異質性耐藥是細菌中的不同細胞亞群對抗生素的敏感性不同,是細菌由敏感菌株發(fā)展成耐藥菌株的中間階段[14-15]。異質性耐藥現(xiàn)象最早見報于1947年[16],但1970 年這種現(xiàn)象才被命名為“異質性耐藥”[17]。NICOLOFF,et al[18]研究者認為當某種細菌在臨床檢驗中主要群體為藥敏,但存在最低抑菌濃度(minimum inhibitory concentration,MIC)與最高不抑菌濃度(maximum non inhibitory concentration,MNIC)比值大于8,且發(fā)生頻率大于1×10-7的耐藥亞群,則可以確認為是異質性耐藥。1997 年,有研究者發(fā)現(xiàn)對甲氧西林異質性耐藥的金黃色葡萄球菌[19],后續(xù)有研究人員相繼在肺炎克雷伯菌、肺炎鏈球菌、結核分枝桿菌等多種常見致病菌中發(fā)現(xiàn)了異質性耐藥現(xiàn)象[20-24]。但對PA 異質性耐藥的研究較少,大多局限于PA 對碳青霉烯類抗生素的異質性耐藥,目前PA 對頭孢菌素類抗生素異質性耐藥的相關報道較少,其異質性耐藥機制也尚不明確。
1.1.1 實驗菌株
實驗菌株為中山大學附屬第一醫(yī)院檢驗科臨床分離的50 株PA,質控菌株為銅綠假單胞菌ATCC27853,由廣東省科學院微生物分析檢測中心保存。
1.1.2 試劑及培養(yǎng)基
Kirby-Bauer(K-B)藥敏紙片:CAZ(30 μg),購自英國Oxoid 公司;頭孢他啶粉劑,購自北京索萊寶科技有限公司;水解酪蛋白胨(Mueller-Hinton,MH)瓊脂培養(yǎng)基、Luria-Bertani(LB)肉湯培養(yǎng)基,購自廣東環(huán)凱微生物科技有限公司;陽離子調節(jié)Mueller-Hinton(MH)肉湯(CAMHB)培養(yǎng)基,購自北京酷來搏科技有限公司;哥倫比亞血平板,購自廣州市左克生物科技發(fā)展有限公司。
1.2.1 菌株保存
菌株保存采用甘油保存法,采集的菌株于平板上劃線培養(yǎng),37 ℃恒溫培養(yǎng)過夜,挑取單菌落接種于LB 肉湯培養(yǎng)基中,37 ℃、180 r·min-1條件下振蕩培養(yǎng)至對數(shù)生長期,將高溫消毒后的50%甘油與處于對數(shù)生長期的菌液按1:1 的比例混勻,置于-80 ℃冰箱保存。
1.2.2 最小抑菌濃度測定
公共圖書館服務對象廣泛,涉及各個年齡段,一般采用調查問卷的方式來采集用戶評價。調查問卷包含3各部分,第一部分是用戶基本信息,如年齡、性別、家庭住址等;第二部分是調查問卷的核心內容,即LibQUAL+TM的各個指標;最后一部分是開放性問題,如用戶對圖書館服務的建議與意見。調查問卷的核心是用戶對LibQUAL+TM各指標的滿意情況,每一指標可分若干種滿意程度,并用不同分值計量。通過調查問卷的回收統(tǒng)計,對公共圖書館各服務層面進行客觀總結,以便提高圖書館服務質量。
CAZ 對PA 的MIC 測定按照標準微量肉湯稀釋法進行[25]。在12×8 孔板中每孔各加入100 μL CAMHB培養(yǎng)基,設置CAZ 濃度梯度為0.5、1、2、4、8、16、32、64、128、256 μg·mL-1,以指數(shù)生長期的PA 細胞配制菌懸液,實驗菌株終濃度為5×105CFU·mL-1。本實驗陽性對照孔內無CAZ,陰性對照孔內無菌液,實驗均設置3 個平行。將加好樣的孔板在37 ℃靜置培養(yǎng)16~20 h 后讀取結果。本實驗所用質控菌株為銅綠假單胞菌ATCC27853。根據(jù)CLSI 2020版[25]進行結果判讀,裸眼觀察到的孔內無明顯細菌生長的最低CAZ 濃度判定為MIC。陽性對照孔內細菌正常生長,陰性對照孔內沒有細菌生長,參考質控菌株的抗生素MIC 結果在指南要求范圍內。
1.2.3 K-B 藥敏實驗
K-B 藥敏紙片擴散法的實驗操作步驟參考臨床和實驗室標準協(xié)會(Clinical and Laboratory Standard Institute,CLSI)2020版[25]。挑取血平板上過夜生長的單菌落配制菌懸液,使用生理鹽水將菌懸液濃度調整為(1~2)×108CFU·mL-1。以上述菌液濃度接種,使用無菌棉簽浸入菌懸液后均勻的涂布于MH 瓊脂平板上,將CAZ 藥敏紙片平置于涂布菌液的平板中央。37 ℃條件下恒溫培養(yǎng)16~18 h,測定CAZ 抑菌圈的直徑。根據(jù)CLSI 2020版[25]進行結果判讀。通過裸眼觀察抑菌圈內是否有菌落出現(xiàn),抑菌圈內出現(xiàn)菌落生長則初步判斷為異質性耐藥。本實驗所用質控菌株為銅綠假單胞菌ATCC27853。
1.2.4 菌落譜型分析(population analysis profile,PAP)
菌落譜型分析法作為一種菌落計數(shù)的相對定量方法,也被認為是異質性耐藥確證的金標準[26]。使用MHA 培養(yǎng)基配制CAZ 濃度梯度為0、0.25、0.5、1、2、4、8、16、32、64、128、256 μg·mL-1的MH 平板,以指數(shù)生長期的PA 細胞配制菌懸液,菌液濃度為107~102CFU·mL-1。以上述菌液濃度取100 μL 均勻涂布于MH平板上,實驗均設置3 個平行。37 ℃靜置培養(yǎng)48 h 后進行菌落計數(shù),使用Microsoft Excel 處理數(shù)據(jù)并作圖,若菌株MIC 與MNIC 比值大于8,且耐藥亞群發(fā)生頻率大于1×10-7,則可以確認為是HR 菌株。對照菌株為非異質性耐藥的銅綠假單胞菌ATCC27853 和臨床分離的耐藥菌株PAS96。
1.2.5 適應成本測定
生長實驗主要是檢測實驗菌株的生長曲線特征[27]。本實驗主要是通過對比親本菌株和異質性耐藥亞群兩者在相同培養(yǎng)條件下的生長速率是否有顯著差異以判斷異質性耐藥菌株是否產(chǎn)生適應成本。
在12×8 孔板中每孔各加入100 μL 的LB 肉湯培養(yǎng)基,用處于指數(shù)生長期的PA 菌株配制菌懸液,實驗菌株終濃度為1×106CFU·mL-1。實驗設置3 個平行??装逯糜谌ㄩL酶標儀37 ℃振蕩培養(yǎng)24 h,每小時測定1 次OD600值,直至24 h。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制時間生長曲線圖,對測量結果進行生物統(tǒng)計學分析,判斷生長速度是否有顯著差異。
1.2.6 耐藥穩(wěn)定性測試
耐藥穩(wěn)定性實驗是為了證實CAZ 異質性耐藥亞群在無抗生素壓力下是否能夠穩(wěn)定遺傳。挑取PAP實驗中最高CAZ 濃度平板上的耐藥亞群,制備甘油管于-20 ℃冰箱保存。按照1%的接種量在無抗生素的MH 平板上進行傳代培養(yǎng),37 ℃恒溫培養(yǎng)箱孵育過夜,連續(xù)傳代50 代并且在超低溫冰箱(-80 ℃)保存菌株。使用CAMHB 培養(yǎng)基對原始菌株和耐藥亞群以及傳代菌株進行MIC 值的測定。
根據(jù)CLSI(2020)發(fā)布的M100-S30 文件中所制定的PA 的CAZ 耐藥標準[25],采用肉湯稀釋法根據(jù)MIC值判斷藥敏結果為:MIC 值≤8 μg·mL-1為敏感(susceptible,S),MIC 值≥32 μg·mL-1為耐藥(resistant,R),MIC 值是16 μg·mL-1時為中介(intermediate,I)。本次研究對50 株臨床分離的PA 對CAZ 的MIC 范圍為1~256 μg·mL-1,其中,37 株菌株的MIC 值在1~8 μg·mL-1范圍內,判定為CAZ 敏感;1 株菌株MIC 值為16 μg·mL-1,判定為中介;12 株菌株MIC 值在32~256 μg·mL-1范圍內,判定為CAZ 耐藥(表1)。其中菌株PAS56、PAS73、PAS95 的MIC 為4 μg·mL-1,菌株PAS81 的MIC 為8 μg·mL-1。
表1 50 株銅綠假單胞菌對頭孢他啶的藥敏結果Tab.1 Experimental results of 50 P.aeruginosa strains susceptibility to CAZ
根據(jù)CLSI(2020)中所制定的PA 的CAZ 耐藥標準[25],采用紙片擴散法并根據(jù)抑菌圈直徑大小判斷其藥敏結果為:抑菌圈直徑≥18 mm 為敏感,抑菌圈直徑≤14 mm 為耐藥,抑菌圈直徑介于15 mm 與17 mm 之間的為中介耐藥,標準菌株ATCC27853 的抑菌圈直徑質控范圍為22~29 mm。
本次研究對50 株臨床分離的PA 進行了K-B 藥敏實驗,結果如表1 所示。50 株PA 對CAZ 的抑菌圈直徑的范圍為8.29~31.55 mm,其中,37 株菌株的抑菌圈直徑范圍為22~32 mm,判定為CAZ 敏感,占比74%;1 株菌株的抑菌圈直徑則為15 mm,判定為中介,占比2%;12 株菌株其抑菌圈直徑范圍為8~11 mm,判定為CAZ 耐藥,占比24%。
PA 對CAZ 的K-B 藥敏表型如圖1 所示,通過觀察抑菌圈內是否出現(xiàn)大小不等的菌落生長,對實驗菌株進行異質性耐藥情況的初步篩選。質控菌株銅綠假單胞菌ATCC27853 的K-B 藥敏結果,抑菌圈的直徑為28 mm 且圈內無菌落生長,根據(jù)CLSI 標準該菌株為CAZ 敏感(圖1A);臨床分離株PAS64 的抑菌圈直徑為25 mm,根據(jù)CLSI 標準該菌株為CAZ 敏感(圖1B);臨床分離株PAS96 的抑菌圈直徑為9 mm,根據(jù)CLSI 標準該菌株為CAZ 耐藥(圖1C);臨床分離株PAS81 的抑菌圈直徑為26 mm,CAZ 紙片抑菌環(huán)的邊緣出現(xiàn)了一些菌落(透射光下裸眼可見),這些菌落是可能的異質性耐藥菌落(圖1D),初步判定為CAZ 異質性耐藥。初步篩選到異質性耐藥菌株20 株,占總實驗菌株的40%。
圖1 銅綠假單胞菌對頭孢他啶的K-B 藥敏表型Fig.1 Phenotypic susceptibility of P.aeruginosa to CAZ by K-B test
本研究對初步篩選出的20 株異質性耐藥菌株進行菌落譜型分析驗證,實驗結果表明,有4 株為異質性耐藥菌株(圖2)。敏感菌株ATCC27853 在CAZ 濃度達到8 μg·mL-1無菌落生長;耐藥菌株PAS96 在藥物濃度為128 μg·mL-1時,仍保持穩(wěn)定生長;而這4 株(PAS56、PAS73、PAS81、PAS95)異質性耐藥菌株的曲線則是緩慢下降,隨著頭孢他啶濃度的增加,菌株可以在平板上生長的耐藥亞群數(shù)量也逐漸減少,且MIC 與MNIC 比值大于8,異質性耐藥亞群的發(fā)生頻率也均大于等于1×10-7(表2)。其中圖2A 中銅綠假單胞菌ATCC27853 的MIC/MNIC 值為4,判定為CAZ 敏感菌株;臨床分離株PAS96 的MIC 值大于32 μg·mL-1,且在藥物濃度為128 μg·mL-1時,仍保持穩(wěn)定生長,判定為CAZ 耐藥菌株;臨床分離株PAS56 的MIC/MNIC 值為32,判定為CAZ 異質性耐藥菌株;臨床分離株PAS81 的MIC/MNIC 值為16,判定為CAZ 異質性耐藥菌株;圖2B 中臨床分離株PAS73 的MIC/MNIC 值為64,判定為CAZ 異質性耐藥菌株;臨床分離株PAS95 的MIC/MNIC 值為32,判定為CAZ 異質性耐藥菌株。這4 株(PAS56、PAS73、PAS81、PAS95)異質性耐藥菌株的MIC 值均表現(xiàn)為CAZ 敏感,而PAP 實驗結果顯示一部分亞群細胞對CAZ 耐藥。當耐藥發(fā)生頻率大于10-7時,將抗生素濃度最高的平板上生長的菌落數(shù)除以對照(無抗生素)平板上的菌落數(shù),計算得到本次這4 株菌株的異質性耐藥亞群的發(fā)生頻率范圍為1×10-7~1.2×10-5。
圖2 6 株銅綠假單胞菌對頭孢他啶的菌落譜型分析曲線圖Fig.2 Population analysis profiling curves of 6 P.aeruginosa strains to CAZ
表2 4 株銅綠假單胞菌頭孢他啶異質性耐藥菌株的菌落譜型分析結果Tab.2 Population analysis profiles results of 4 P.aeruginosa heteroresistance to CAZ
生長曲線的實驗結果如圖3 所示,圖3A 中異質性耐藥菌株(親本菌株)PAS56 與其兩株PAP 實驗中最高CAZ 濃度平板上的耐藥亞群在對數(shù)生長期(4~12 h)的生長速率均沒有表現(xiàn)出統(tǒng)計學差異(PAS56-1(P=0.079 4)、PAS56-3(P=0.084 3)),但同樣從PAP 實驗中最高濃度平板上分離的耐藥亞群(記作PAS56-2)則比親本菌株在對數(shù)生長期(4~8 h)的生長速率明顯慢許多,有極顯著差異(P=0.007 7),而在9~12 h 時則無統(tǒng)計學差異(P=0.059 6),從整體來看,生長速率并無統(tǒng)計學差異;圖3B 中PAS95 與3 株PAP 實驗中最高CAZ 濃度平板上的耐藥亞群在對數(shù)生長期的生長速率(4~12 h) 均表現(xiàn)為有極顯著差異(P<0.01) (PAS95-1(P=1.4E-7)、PAS95-2(P=3.2E-7)、PAS95-3(P=5.8E-7)),3 株耐藥亞群在對數(shù)生長期的生長速率與親本菌株相比明顯快許多,并且親本菌株的細菌總量相對較少。本結果表明異質性耐藥菌株的耐藥亞群的生長速率與親本菌株相比沒有顯著差異。
圖3 銅綠假單胞菌頭孢他啶異質性耐藥菌株的生長曲線Fig.3 Growth curve of P.aeruginos heteroresistance to CAZ
將PAP 實驗中最高CAZ 濃度平板上生長的的耐藥亞群接種在無抗生素的平板上連續(xù)傳代50 代后,每5 代進行1 次MIC 值的測定,結果如表3 所示。PAS56 親本菌株經(jīng)微量肉湯稀釋實驗測定MIC 為4 μg·mL-1,其耐藥亞群(PAS56-1、PAS56-2、PAS56-3)的初始MIC 為32 μg·mL-1,耐藥亞群的MIC 值是親本菌株的8 倍。經(jīng)過在不含抗生素的平板傳代50 代后,PAS56-1 和PAS56-2 亞群的MIC 值一直保持在32 μg·mL-1,未發(fā)生CAZ 敏感性回復。耐藥亞群PAS56-3 的MIC 值在10-15 代左右由32 μg·mL-1回復為16 μg·mL-1,并且在后續(xù)傳代過程中MIC 值保持在16 μg·mL-1,是親本菌株的4 倍,回復為CAZ 中介。PAS95 親本菌株的MIC 經(jīng)實驗測定為4 μg·mL-1,其耐藥亞群(PAS95-1、PAS95-2、PAS95-3)的初始MIC 均為32 μg·mL-1,耐藥亞群MIC 是親本菌株的8 倍,在經(jīng)過50 代傳代后,PAS95-1、PAS95-2、PAS95-3 的MIC 均保持在32 μg·mL-1,CAZ 敏感性未發(fā)生回復。結果表明,除PAS56-3 亞群分離株CAZ 敏感性傳代后回復為中介,其他亞群分離株PAS56-1、PAS56-2、PAS95-1、PAS95-2、PAS95-3 傳代后耐藥亞群的CAZ 敏感性均未發(fā)生回復,耐藥表型穩(wěn)定。
表3 銅綠假單胞菌頭孢他啶異質性耐藥菌株耐藥穩(wěn)定性實驗Tab.3 Resistance stability test of P.aeruginos heteroresistance to CAZ
本研究基于藥敏實驗(K-B test)并結合微量肉湯稀釋法對臨床分離的PA 進行異質性耐藥菌株的初篩,50 株PA 中有37 株對CAZ 敏感,占比74%(37/50);1 株對CAZ 中介,占比2%(1/50);12 株對CAZ 耐藥,占比24%(12/50)。其中,37 株CAZ 敏感菌株有20 株初步判定為異質性耐藥,占比40%(20/50)。吳婷婷[28]研究發(fā)現(xiàn)PA 對頭孢他啶(CAZ)藥敏紙片的耐藥率為23.5%,與本研究結果一致。本研究通過對初篩結果中的異質性耐藥菌株進行菌落譜型分析驗證,顯示PA 對CAZ 的異質性耐藥率為8%(4/50)。本研究PA 對CAZ 異質性耐藥率低于許磊[29]研究中PA 對多粘菌素的異質性耐藥率35%(7/20),略低于吳婷婷[28]研究中PA 對亞胺培南的異質性耐藥率11.6%(36/310),且明顯低于何建春[30]研究中PA 對亞胺培南和美羅培南的異質性耐藥率(54.3%,72.5%),以及JIA Xiaojiong,et al[31]研究中PA 對頭孢吡肟的異質性耐藥率(57.3%)。本課題組選用這50 株PA 對哌拉西林異質性耐藥進行研究,研究發(fā)現(xiàn)PA 對哌拉西林的異質性耐藥率為26%(13/50),表明同一PA 可能對不同抗生素產(chǎn)生異質性耐藥率不同[32]。篩選到的異質性耐藥菌株的比例差異與多種因素有關,如實驗菌株的來源、抗生素的種類以及檢測異質性耐藥菌株的實驗方法的不同等。本研究發(fā)現(xiàn)通過K-B 法初篩的異質性耐藥率與PAP 實驗后確證的異質性耐藥率相差較大,因此不能將K-B 法的結果作為臨床使用的標準,需結合K-B 和PAP 實驗結果進行綜合判定。前人也發(fā)現(xiàn)使用K-B 法以及Etest 法這2 種方法檢測異質性耐藥菌株仍存在較高的假陰性率,導致異質性耐藥菌株的漏檢[33]。K-B 法以及E-test 法兩種方法判斷是否為異質性耐藥菌的依據(jù)都是通過裸眼觀察藥敏紙片所形成的抑菌圈內是否有菌落生長。此類方法的優(yōu)點是對于臨床上來說操作簡單快捷,結果判定一目了然;但其缺點是國際上目前對異質性耐藥菌株的判斷沒有標準,只能通過主觀方面進行判斷,抑菌圈內的耐藥亞群的發(fā)生頻率不能準確計算,而且由于菌株對抗生素敏感性可能存在的差異性而導致異質性耐藥菌株的漏檢。目前菌群譜型分析法(PAP)被認為是判斷異質性耐藥細菌的金標準[19],但是該方法的缺點也十分明顯,實驗成本高、耗時長且操作繁瑣,只適合在實驗室中實施,不適用于臨床上的快速檢測。
4 株異質性耐藥菌株經(jīng)過PAP 實驗驗證后發(fā)現(xiàn),其耐藥亞群少數(shù)能在大于不抑制絕大多數(shù)群體生長的最高藥物濃度8 倍以上的抗生素平板上生長,極少數(shù)亞群甚至發(fā)展為高水平的耐藥。本次4 株異質性耐藥菌株耐藥亞群的發(fā)生頻率為1×10-7~1.2×10-5。POURNARAS,et al[34]研究中指出PA 對亞胺培南和美羅培南這兩種碳青霉烯類抗生素異質性耐藥耐藥亞群的發(fā)生頻率為1.2×10-7~6.9×10-5。吳婷婷[35]研究中臨床分離的PA 對亞胺培南異質性耐藥的發(fā)生頻率介于4.5×10-9與8.9×10-7之間。許磊[29]研究發(fā)現(xiàn)PA 對多粘菌素的異質性耐藥的發(fā)生頻率范圍為3.5×10-7~2×10-6。與本研究結果對比發(fā)現(xiàn),PA 對CAZ 異質性耐藥的發(fā)生頻率相對較高。課題組研究發(fā)現(xiàn)PA 對哌拉西林異質性耐藥亞群的發(fā)生頻率為7.3×10-7~1.2×10-5[32],與本研究結果相近。有研究指出異質性耐藥細菌中表現(xiàn)為高耐藥性的亞群在無抗生素作用下培養(yǎng)5~10 代后,有少數(shù)亞群仍保持高耐藥性,絕大多數(shù)亞群回復為敏感且保持異質性耐藥特性[36]。而本研究對挑取的高水平耐藥亞群進行無抗生素傳代50 代培養(yǎng),結果發(fā)現(xiàn)其耐藥表型可以保持穩(wěn)定遺傳,即高水平耐藥亞群保持高水平耐藥,低水平耐藥亞群保持低水平耐藥。本實驗結果表明PA 對CAZ 異質性耐藥的菌株極易發(fā)展為完全耐藥菌株。PAS95 親本菌株與其3 個耐藥亞群在生長速率上表現(xiàn)出極顯著差異,耐藥亞群生長速率均大于親本菌株,且其耐藥穩(wěn)定性實驗表明耐藥亞群保持高水平耐藥。高耐藥性亞群的穩(wěn)定遺傳將對臨床上抗生素的抗菌效果產(chǎn)生影響,其機制仍待進一步研究。
本研究中所有的樣本均來自臨床分離,數(shù)量有限,研究可能具有一定的局限性。從以上分析可以看出,PA 對CAZ 的異質性耐藥率相對較低,但其耐藥亞群的高耐藥性可以穩(wěn)定遺傳,極易發(fā)展成完全耐藥菌株,應當引起重視。異質性耐藥菌株在臨床上不易檢出,常規(guī)藥敏實驗中常表現(xiàn)為“假敏感”,導致用藥失效,進而發(fā)展為耐藥菌株。由于目前臨床上還沒有實用的方法來準確檢測出異質性耐藥菌株,因此開發(fā)新的檢測方法是當務之急。本研究在PA 對CAZ 異質性耐藥表型等方面做了一定的探究,在后續(xù)工作中將對其異質性耐藥機制進行深入研究,為相關臨床感染治療提供一些有效的依據(jù)。