孫明偉，鄭焙文，高福，朱寶利

1 中國科學(xué)院微生物研究所 中國科學(xué)院病原微生物與免疫學(xué)重點實驗室，北京 100101

2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥 230027

3 中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

4 中國科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院，北京 100101

科學(xué)進展

人類與病原菌的軍備競賽：NDM-1耐藥基因與超級細菌

孫明偉1,2，鄭焙文1,3，高福1,4，朱寶利1

1 中國科學(xué)院微生物研究所 中國科學(xué)院病原微生物與免疫學(xué)重點實驗室，北京 100101

2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥 230027

3 中國科學(xué)院研究生院，北京 100049

4 中國科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院，北京 100101

在人類歷史上，每一次諸如鼠疫和肺結(jié)核病等瘟疫的大流行，都曾給人類的生存帶來巨大的威脅?？股氐膽?yīng)用使人類掌握了抵抗細菌感染的銳利“武器”，但同時病原菌也通過突變和水平基因轉(zhuǎn)移等方式產(chǎn)生了諸多耐藥基因，從而獲得了應(yīng)對抗生素殺傷的堅固“盾牌”；于是人類又不斷地開發(fā)新式抗生素“武器”來破解病原菌的耐藥“盾牌”——一場“軍備競賽”愈演愈烈。近來研究發(fā)現(xiàn)，攜帶編碼NDM-1基因的耐藥質(zhì)粒不僅可以在細菌間轉(zhuǎn)移，而且能使所在宿主菌成為可以耐受幾乎全部抗生素的超級細菌。但是，憑借著日益進步的科技和醫(yī)學(xué)，以及科學(xué)的用藥策略，我們一定可以再次戰(zhàn)勝超級細菌。

NDM-1，超級細菌，軍備競賽，耐藥基因

Abstract:Throughout human history, pandemic bacterial diseases such as the plague and tuberculosis have posed an enormous threat to human beings. The discovery of antibiotics has provided us with powerful arsenal for the defense against bacterial infections. However, bacteria are acquiring more and more resistance genes to shield off antibiotics through mutation and horizontal gene transfer. Therefore, novel antibiotics must be produced and the arms race between bacterial pathogens and antibiotics is becoming increasingly intense. Recently, researchers have found that plasmids carrying a new metallo-β-lactamase gene,blaNDM-1,and many other antibiotics resistance genes can easily spread through bacterial populations and confer recipient stains resistance to nearly all of the current antibiotics. It is a threat to the human health and a great challenge for our medical science, which we are facing. We need to find new ways to fight and win this arms racing.

Keywords:NDM-1, superbugs, arms racing, resistance gene

從古至今，人類與致病菌一直在進行著無休止的戰(zhàn)斗?？股氐恼Q生結(jié)束了幾千年來人類對于病原菌的束手無策，鑄就了醫(yī)學(xué)史上的輝煌。于是間，一場細菌與抗生素間的“軍備競賽”拉開了帷幕。抗生素時代的人們一手捍衛(wèi)著文明，另一只手卻于無意間催生出更為危險的敵人。今天，具有多重耐藥基因的“超級細菌”兵臨城下，向我們發(fā)出了又一次挑戰(zhàn)的同時，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－傳染病》上的報道又戲劇性地將人們帶入另一片恐慌：研究者在印度、巴基斯坦和英國的許多地區(qū)均分離到可以產(chǎn)生新型金屬 β-內(nèi)酰胺酶NDM-1的超級耐藥細菌。這些細菌由于NDM-1及其他耐藥基因的作用，對現(xiàn)今幾乎所有類型的抗生素都具有耐藥性[1]。

1.1 超級細菌與NDM-1

通常一種細菌如果攜帶多個耐藥基因，我們便稱之為多重耐藥菌，或稱超級細菌 (Superbug)。其實，“超級細菌”一詞由來已久，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌 (MRSA)、耐青霉素肺炎鏈球菌 (PRSP)和抗萬古霉素腸球菌 (VRE) 等都曾被冠以“超級細菌”之名，但此時我們所面對的這類超級細菌較以往的耐藥菌可謂有過之而無不及。

2008年1月，英國加的夫大學(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金屬 β-內(nèi)酰胺酶(Metallo-β-lactamase，MBL) 的肺炎克雷伯桿菌Klebsiella pneumoniae，出人意料的是此細菌中編碼MBL的基因卻和已知的幾種MBL基因均不相同。該酶全長269個氨基酸，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%，且在酶活性位點附近具有獨特的氨基酸殘基以及插入序列，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被細菌感染的，于是研究者將這一新型金屬 β-內(nèi)酰胺酶命名為新德里金屬 β-內(nèi)酰胺酶 (New Delhi metallo-β-lactamase 1)，即 NDM-1，同時以blaNDM-1命名編碼NDM-1的基因[2]。

β-內(nèi)酰胺類抗生素 (包括常用的青霉素和頭孢霉素等) 一直被視為治療嚴重感染的中流砥柱，而碳青霉烯類抗生素由于在 β-內(nèi)酰胺類藥物中抗菌譜最廣、抗菌活性最強，以及對普通 β-內(nèi)酰胺酶高度穩(wěn)定等特點，已成為對抗超廣譜 β-內(nèi)酰胺酶(Extended-spectrum β-lactamase，ESBL) 的主要抗菌藥物之一，常用于產(chǎn) ESBL腸桿菌科細菌，尤其是大腸桿菌和肺炎克雷伯桿菌感染的治療[3]。然而，近年來出現(xiàn)的一些革蘭氏陰性菌能夠產(chǎn)生金屬 β-內(nèi)酰胺酶，其最大特點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)酰胺酶抑制劑的影響。因此，產(chǎn)生金屬 β-內(nèi)酰胺酶的細菌對所有 β-內(nèi)酰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)酰胺酶。

Walsh等在對產(chǎn)生NDM-1的肺炎克雷伯桿菌進行遺傳學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，編碼NDM-1的基因blaNDM-1位于一個180 kb的質(zhì)粒上，并且blaNDM-1基因片段上游的2個區(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，進一步的實驗證明該質(zhì)粒很容易轉(zhuǎn)移到其他細菌中，使得具有此類耐藥質(zhì)粒的細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。無獨有偶，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，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，因而具有廣泛的細菌宿主；如果這類質(zhì)粒在致病菌中得以快速傳播，將會是醫(yī)學(xué)界的噩夢[2]。

1.2 舊藥與新瓶？

很快，科學(xué)家們的擔憂變成了現(xiàn)實……

2010年 8月 11日，《柳葉刀－傳染病》 (The Lancet Infectious Diseases) 雜志報道了包括 Walsh教授在內(nèi)的英國、印度、巴基斯坦、瑞典和澳大利亞等國學(xué)者聯(lián)合進行的一項研究：他們在印度、巴基斯坦和英國共分離得到180株含有blaNDM-1質(zhì)?；虻募毦?。其中有些菌株中還不止有一個質(zhì)粒上帶有blaNDM-1基因。這些細菌中大多數(shù)為肺炎克雷伯桿菌(111株) 或大腸桿菌 (36株)。實驗發(fā)現(xiàn)，它們除了替加環(huán)素 (Tigecycline) 和多粘菌素 (Colistin) 以外，對其他所有抗生素都具有高度耐藥性[1]，這其中還包括對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，在“NDM-1”的發(fā)現(xiàn)尚未公布之前，英國健康保障機構(gòu) (Health Protection Agency，HPA)就已從英國一些醫(yī)院的腸桿菌科細菌樣本中檢測到分布于 4個屬的 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散！因此這次發(fā)現(xiàn)的“超級細菌”并不是一種細菌，而是指一類細菌。換句話說，任何一種細菌在獲得能表達NDM-1的質(zhì)粒后，都可以成為超級耐藥細菌，甚至還可能根據(jù)不同的細菌宿主而具有不同的致病能力。由于目前幾乎沒有新的抗生素問世，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)境中廣泛地傳播開來。

另外，在29位NDM-1陽性的英國患者中有至少17人在過去的一年內(nèi)到過印度和巴基斯坦，其中14人在當?shù)亟邮芰酸t(yī)療服務(wù)。今年7月，在美國發(fā)現(xiàn)的3株NDM-1陽性抗藥菌也都來自近期在印度接受過醫(yī)療護理的患者[4]。因此，英國健康保障機構(gòu)HPA認為：blaNDM-1耐藥基因可能來源于南亞地區(qū)，并與在印巴接受的醫(yī)療護理有著密切的關(guān)系；此類耐藥基因已多次從印度次大陸流入英國，且有在全世界流行的趨勢。但是，印度衛(wèi)生部和媒體對這一論述紛紛表示不滿，指責研究者將“超級細菌”的源頭指向印度，并強烈抗議以“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印度，而是擔心超級耐藥菌的爆發(fā)會對印度已經(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的發(fā)展，更會威脅到全人類的健康。事實上，人們長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：“任何國家，如果繼續(xù)濫用抗生素，像這樣具有超級耐藥性的質(zhì)粒一旦廣泛傳播，后果將不堪設(shè)想[2]。”

2 抗生素的歷史回顧

眾所周知，自然界中的細菌無處不在。人體37℃的體溫和濕潤的黏膜更是一些細菌理想的生存環(huán)境，這些細菌中只有少數(shù)病原菌會對人體有害。病原菌在感染人體后，經(jīng)過不斷分裂，產(chǎn)生大量毒素，威脅人體健康。早在人類誕生之初，人們就開始與細菌進行著血腥的戰(zhàn)爭。在抗生素誕生之前的漫長歲月里，這些看不見的病菌殘害過無數(shù)人的生命。19世紀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。從此人們開始尋找治病方法和抗菌藥物，并最終導(dǎo)致了抗生素的問世。

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”[5]。事實上，溶菌酶是人體免疫系統(tǒng)的第一道防線，細菌只有突破了這道防線，淋巴細胞等免疫防御才開始發(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)的天然抗生素對于真正的病原菌卻沒有明顯的效力。直到1928年9月3日，度假歸來的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)皿由于未及時清理而長出了青霉菌Penicillium notatum，但令人驚奇的是在霉菌菌落周圍出現(xiàn)了一圈白色的菌斑。他馬上意識到可能是青霉菌釋放了某種殺菌物質(zhì)，有效地阻止了細菌的傳播。于是他又有意識地在培養(yǎng)葡萄球菌或其他微生物的培養(yǎng)皿上接種了青霉菌，證實了其對許多細菌都有裂解作用。Fleming繼而轉(zhuǎn)向研究青霉菌培養(yǎng)物的無細胞提取物，發(fā)現(xiàn)它們的確有顯著的抗細菌作用，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認識到這種提取液中被他稱作青霉素(Penicillin) 的抗菌物質(zhì)[6]，正是全世界人苦苦等待的治病神藥。

早在19世紀70年代，微生物之間的拮抗現(xiàn)象就已經(jīng)被各國學(xué)者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并報道了[7-11]。1874年William Roberts在《英國皇家學(xué)會會志》上首次報道了真菌的生長常常抑制細菌的生長[12]，這一觀察還專門談到一種青霉菌對細菌生長的影響；此外，Tyndall在 1876年也報道了青霉菌溶解細菌的現(xiàn)象[13]。但甚為遺憾的是，這些發(fā)現(xiàn)因為不能即刻應(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對已知的微生物產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)進行了系統(tǒng)地研究，并在同事Ernest Chain及Norman Heatley的幫助下很快實現(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)爭中都有數(shù)百萬人因為壞疽而死去，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《時代》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。

青霉素的發(fā)現(xiàn)被譽為“20世紀醫(yī)學(xué)界最偉大的收獲”。數(shù)據(jù)顯示，青霉素的運用使人類的平均壽命延長了10年。隨著時間的推移，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。在過去的幾十年里，已經(jīng)有近 200種抗生素先后誕生。抗生素的崢嶸讓人類擺脫了醫(yī)療的黑暗時代，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，人們不僅用它來治療嚴重疾病，也用它們來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了人類的壽命，也大大提高了人們的生活質(zhì)量，同時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成是能治百病的靈丹妙藥，甚至還把它們加進各種日用品中。因而，抗生素的開發(fā)還帶動了其他產(chǎn)業(yè)[14-15]。例如，人們發(fā)現(xiàn)把抗生素加入到動物飼料和水中不僅能夠預(yù)防疾病，還能促進家畜的生長。此舉不但降低了飼養(yǎng)成本，同時也大大提升了禽畜的產(chǎn)量[16]。于是，抗生素又成了一種生產(chǎn)工具。但當時，很少有人想過這種物質(zhì)對人類會造成怎樣的影響，否則可能就不會有今日的擔憂了。

3 細菌耐藥基因的來源

抗生素的發(fā)明和大量制造使它成為人類抵御細菌感染類疾病的主要武器。一時間許多曾經(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)勝各種病原菌的時候，殊不知這些在自然界生存了30多億年的微生物怎會如此輕易地投降？這群微小的敵人正在孕育著一場反擊……

3.1 細菌的耐藥機制

抗生素 (Antibiotic) 是由微生物或高等動植物在生活過程中所產(chǎn)生的具有抗病原體或其他活性的一類次級代謝產(chǎn)物，能夠干擾或抑制病原體的生長和存活。但迄今為止所開發(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)酰胺類抗生素就是通過抑制細菌細胞壁的合成而起到殺菌效果的；而其他一些抗生素則通過抑制細菌蛋白質(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) 以及干擾細菌代謝途徑(如磺胺類) 等方式殺滅細菌的。

抗生素類藥物的種類之所以如此繁雜，正是因為一種抗生素只能對一類或幾類細菌有抑制效果。一些細菌經(jīng)過長期的繁衍和進化，對某些外界的不良環(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)了以下幾種機制[17]：1)防滲屏障：某些細菌具有非滲透性的細胞膜，或者缺乏某些抗生素的作用位點，因而對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入細胞的抗生素、重金屬或其他毒性分子排出胞外[18-20]；或經(jīng)主要易化超家族 (Major facilitator superfamily，MFS) 的轉(zhuǎn)運子先將抗生素釋放到周質(zhì)空間，再排出細胞外。3) 耐藥性突變：某些改變抗生素的靶蛋白突變能在細胞內(nèi)的其他功能蛋白不受影響的同時，改變抗生素結(jié)合位點的構(gòu)型，使抗生素不能識別。例如：DNA拓撲異構(gòu)酶發(fā)生突變，能夠抵御喹諾酮類抗生素；RNA聚合酶B亞基的突變可導(dǎo)致對利福平的耐藥；若突變點位于細菌30S核糖體亞基S12則會對鏈霉素不再敏感。4) 使抗生素失活：導(dǎo)致抗生素失活的方式可以通過鈍化酶對抗生素進行共價修飾，如乙酰轉(zhuǎn)移酶的催化可使氨基糖苷類抗生素失去效用；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“超級細菌”就是利用blaNDM-1基因所表達的金屬 β-內(nèi)酰胺酶對碳青霉烯類抗生素的降解作用而形成超強耐藥的。

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發(fā)，同時又不斷地失去了效用。同時，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化規(guī)律下，不再只有單一的耐藥機制，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，以保護自身在對抗競爭者的同時不受損害。但令人奇怪的是，一些不產(chǎn)生抗生素的細菌也漸漸具有了某些耐藥因子。一種合理的解釋是，細菌的某些基因位點發(fā)生突變而獲得了耐藥性[21]，從而在相應(yīng)抗生素存在的環(huán)境中得以存活下來?？墒牵蛲蛔兊念l率十分有限，因而要產(chǎn)生像“超級細菌”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)[22-23]。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)，這些基因可以通過細菌細胞間的轉(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)[24]。最早發(fā)現(xiàn)表達NDM-1的肺炎克雷伯桿菌Klebsiella pneumoniae05-506就是在一段已有多種耐藥基因排列的整合子下游插入了blaNDM-1基因，從而獲得了廣泛的抗生素耐藥性。可見，這些可怕的病原菌正在通過水平基因轉(zhuǎn)移積累著越來越多的耐藥基因。

在來自環(huán)境的耐藥基因中，有一些原本并不是針對抗生素的。例如許多生物的細胞膜上都具有多重耐藥性外排泵，而這些外排泵元件相對于排出抗生素，更多的是參與細胞中間代謝產(chǎn)物的解毒和信號傳導(dǎo)[25]。一些抗性基因往往在其原始宿主內(nèi)充當著調(diào)控與代謝網(wǎng)絡(luò)的一部分，但當這些基因遷移到其他菌種時，難以很快地融入新的系統(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-乙酰轉(zhuǎn)移酶，可以修飾細菌肽聚糖，而慶大霉素與該酶的底物相似性使它也同樣可以被修飾[26]。但如果編碼該酶的基因通過質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到其他菌種中，因為離開了原本的生化環(huán)境，就可能只剩下對慶大霉素的抗性了[27]。另外，生存環(huán)境的改變也常常導(dǎo)致微生物抗性的進化。自然環(huán)境為微生物提供了一個巨大的耐藥基因文庫，環(huán)境的改變、人類的活動、動物的遷徙等都可能影響到細菌的種群動態(tài)進化，產(chǎn)生未知的耐藥基因。而此時，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[28]。

3.3 濫用抗生素

圖1 耐藥基因的來源Fig.1 Sources of resistance genes.

自抗生素問世以來，細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關(guān)系。如果說，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疑是現(xiàn)今耐藥菌泛濫的外在動力。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，使用過去幾十倍劑量的青霉素也很難獲得相同的療效。據(jù)國內(nèi)不完全統(tǒng)計，一些細菌的青霉素耐藥性已經(jīng)高達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，細菌的耐藥性也高達 30%～50%，是抗生素的濫用最終導(dǎo)致了耐藥菌的增多。因為，具有抗生素效用的分子在治療濃度下雖然能暫時地抑制病菌的擴散，但長期施用就可能對環(huán)境起到截然不同的作用，即低濃度的抗生素可以引發(fā)不依賴于細菌應(yīng)激系統(tǒng)的特異性轉(zhuǎn)錄變化[29]，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[30]。其實，就連Fleming本人也早在1945年的《紐約時報》中警告過人們不要濫用青霉素，他指出：“如果使用劑量與所對抗的細菌數(shù)量相比太少，細菌會反克青霉素從而產(chǎn)生抗藥性[31]”。遺憾的是，人們只看到了抗生素所帶來的一時便利，而忽視了 Fleming的忠告。在面臨抗生素的巨大壓力時，細菌通常比較穩(wěn)定的DNA聚合酶往往容易產(chǎn)生更多的錯誤。這些錯誤會在自身復(fù)制時造成功能變異。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[32]。事實上，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的選擇壓力間接促成的。所以，抗生素對細菌來說具有殺菌武器和刺激耐藥性產(chǎn)生的雙重功效[33]。

在抗生素時代的前50年中，人類不僅在醫(yī)療和生活中無度地使用抗生素，而且在漁業(yè)、畜牧業(yè)中廣泛用作疾病預(yù)防和營養(yǎng)添加劑的抗生素數(shù)量更是大得驚人。由此產(chǎn)生的耐藥菌會經(jīng)排泄物等摻入土壤和塵埃，再通過風(fēng)、水等自然動力反饋給人類[17]。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，再加上可以輕松實現(xiàn)耐藥基因的互通有無 (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細菌。

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)酰胺環(huán)，呈現(xiàn)出青霉素耐藥性。于是，人們在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，時隔2年后英國學(xué)者Jevons首次發(fā)現(xiàn)了耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌 (Methicillin-resistantStaphylococcus aureus，MRSA)。研究表明，它們不但能夠抵抗甲氧西林，而且對其他所有與甲氧西林有相似結(jié)構(gòu)的 β-內(nèi)酰胺類和頭孢類抗生素均有一定的耐藥性；一些MRSA還通過修飾酶催化、改變抗生素作用位點等機制對氨基糖苷類、大環(huán)內(nèi)酯類、四環(huán)素類、氟喹喏酮類、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[34]。此外，還有研究發(fā)現(xiàn) MRSA能分泌一種酚可溶性調(diào)控蛋白(Phenol-soluble modulin，PSM) 破壞人類的嗜中性粒細胞[35]，形成嚴重感染——第一任“超級細菌”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FDA認證可用于 MRSA 臨床治療的抗生素有萬古霉素(Vancomycin)、利奈唑胺 (Linezolid)、達托霉素(Daptomycin) 和替加環(huán)素 (Tigecycline)。但也發(fā)現(xiàn)有一些醫(yī)院獲得性 (Hospita1-acquire，HA) MRSA對萬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，其耐藥菌的范圍也在不斷擴大[36-37]。

4.2 多重抗藥性結(jié)核桿菌 (MDR-TB)

全世界對于具有多種抗菌劑耐藥性的微生物尚無統(tǒng)一的定義[38-39]。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-resistant，MDR)[40]；若細菌對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)[41]。在肺結(jié)核中，多重抗藥性肺結(jié)核(MDR-TB) 專指對利福平 (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)[42-44]。對于普通的結(jié)核病，服用一線藥物半年左右即可治愈，而感染了MDR-TB的患者的治療時間則要延長2倍，同時治療費用要增長10倍。世界衛(wèi)生組織在今年的全球檢測報告中指出：僅2008年，世界范圍內(nèi)就有 44萬人感染 MDR-TB，其中約1/3死亡，約有50%的MDR-TB患者分布在中國和印度。目前，我國已被 WHO列為“耐藥結(jié)核病需引起警示”的國家之一，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性菌，能普遍導(dǎo)致成人感染細菌性肺炎，兒童患腦膜炎、中耳炎、菌血癥等疾病[45-47]。近年來，由于許多國家和地區(qū)在治療時廣泛使用 β-內(nèi)酰胺類和大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，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-resistantStreptococcus pneumoniae，PRSP) 以來，肺炎鏈球菌對抗生素的抵抗力一直不斷上升。由于大環(huán)內(nèi)酯類抗生素相對β-內(nèi)酰胺類不易引起過敏反應(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)酯類肺炎鏈球菌 (Macrolide-resistantStreptococcus pneumoniae，MRSP) 檢出率逐年升高，并且其流行具有明顯的地區(qū)差異[48-51]。亞洲國家的MRSP耐藥最為嚴重：經(jīng)不完全統(tǒng)計，耐紅霉素肺炎鏈球菌在我國的臨床檢出率已達到90%以上。MRSP主要通過由甲基化酶(ermB基因編碼) 催化的核糖體甲基化、rRNA和核糖體蛋白突變以及紅霉素外排泵 (mefA基因編碼)等機制實現(xiàn)對紅霉素等大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的耐藥[52]。現(xiàn)在甚至有些耐多藥肺炎鏈球菌 (MultidrugresistantStreptococcus pneumoniae，MDRSP) 對鹽酸克林霉素 (Clindamycin hydrochloride) 及喹諾酮(Quinolone) 等抗生素也產(chǎn)生了不同程度的耐藥性[53]。但是肺炎鏈球菌對泰利霉素 (Telithromycin)、利奈唑胺 (Linezolid) 以及左氧氟沙星 (Levofloxacin) 的耐藥還較為罕見，因此這些抗生素仍表現(xiàn)出很好的臨床療效和細菌學(xué)療效[54]。

4.4 抗萬古霉素腸球菌 (VRE)

萬古霉素 (Vancomycin) 是一種糖肽類抗生素，通過抑制細菌細胞壁肽聚糖的合成來達到抑制細菌生長的目的，主要用于預(yù)防和治療革蘭氏陽性菌的感染。1958年，萬古霉素憑借對耐青霉素金黃色葡萄球菌的良效而問世，到20世紀80年代已被臨床廣泛使用。由于對萬古霉素的耐藥性產(chǎn)生幾率較低，因而一直被醫(yī)學(xué)界視為對抗革蘭氏陽性細菌的“最后防線”。自從 1985年人們首次發(fā)現(xiàn)了抗萬古霉素腸球菌 (Vancomycin-resistantEnterococcus，VRE)[55]之后，僅僅幾年時間 VRE就傳遍了全世界。到 20世紀90年代中期，幾乎所有醫(yī)院都遇到了抗萬古霉素的細菌感染，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。腸球菌對萬古霉素的耐藥性是由Van A、Van B、Van C、Van D四種耐藥基因決定的，它們可以使腸球菌對糖肽類藥物的親和力降低，使細菌細胞壁的合成不再被此類抗生素所抑制[34]。VRE對一般用于腸球菌的抗生素如氨芐青霉素、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。對于VRE抗藥性的出現(xiàn)，一般認為是在家畜飼料中產(chǎn)生的[56]。在動物飼料中不斷地添加抗生素，這也是抗藥細菌難以斬盡殺絕的重要原因[57]。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，這些細菌的抗藥基因與動物體內(nèi)的抗藥基因相同[58]。于是，與萬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使用。但萬古霉素因為在金黃色葡萄球菌、化膿鏈球菌、肺炎鏈球菌、難辨梭狀芽胞桿菌、白喉桿菌等感染中的良好抑菌效果而沿用至今。但面對VRE，這“最后防線”的崩潰使得研制抗耐萬古霉素菌株的窄譜抗菌藥劑迫在眉睫。

表1 世界范圍內(nèi)病原菌的耐藥情況Table 1 Antibiotic resistance of superbugs around the world

5 耐藥菌應(yīng)對策略

如何抵御病菌的侵襲是人類亙古不變的生存問題。隨著病原菌中耐藥基因的不斷積累，我們陷入了“抗生素-耐藥菌-新型抗生素”的惡性循環(huán)。如今，越來越長的超級細菌清單令人觸目驚心。人類站在“后抗生素時代”的邊緣，再談耐藥菌的對策，不可同日而語。

據(jù)報道，目前帶有NDM-1的超級細菌正在全球蔓延，在英國、美國、加拿大、澳大利亞、法國和荷蘭等地區(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)素和多粘菌素對其有效，但由于一些種類的細菌對替加環(huán)素的敏感性十分有限，而多粘菌素對人體腎臟和神經(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”，對于任何類型的細菌感染性疾病，再去一味地依賴抗生素，終究會重蹈覆轍。有一些學(xué)者提出對抗生素進行修飾，如在萬古霉素分子上增加疏水性支鏈，以增強靶位親合力。但這也只不過是權(quán)宜之計，細菌驚人的突變率很快便能形成新的耐藥機制。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)通過降低微生物復(fù)制時的錯誤頻率，可以防治病菌迅速進化出耐藥基因：2007年，美國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，它是細菌具有錯誤傾向的DNA聚合酶的一個關(guān)鍵開關(guān)。研究者們通過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菌變異。這種LexA抑制分子使抗生素變得更加有效，同時減緩細菌對于抗菌藥物的自然響應(yīng)[73]。另外，采用高通量篩選技術(shù)開發(fā)的新型治療藥物可以有效針對病菌的特異性靶位[74]。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散的機會，這當然還要有相應(yīng)的快速診斷系統(tǒng)與之相匹配。因此，發(fā)展快速準確的耐藥性檢測手段至關(guān)重要。病原菌及其耐藥性的快速檢出，會大大減少抗生素處方的誤用率；令人們及時選取針對性更強的抗生素，減輕細菌耐藥基因產(chǎn)生的選擇壓力，從而控制耐藥菌的出現(xiàn)。與此同時，近年來提出的“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、提高機體防御功能，也不失為一種防治感染性疾病的新途徑[75-77]。

目前發(fā)現(xiàn)的具 NDM-1的耐藥菌多在醫(yī)院內(nèi)流行，這可能表明此類細菌雖然耐藥性極強，但致病能力相對較弱，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世紀人類面臨威脅的三大病原微生物。當前，WHO也建議各國落實醫(yī)院感染控制措施，謹慎使用抗生素，從而減少細菌對抗生素產(chǎn)生抗藥性的機會。因此，也應(yīng)該盡快強化醫(yī)源性感染和交叉感染的預(yù)防和控制，建立細菌耐藥性的全球監(jiān)控。具體來說，首先必須合理選擇抗生素并適當控制使用劑量：抗生素種類繁多，合理選用是有效對抗病原菌的前提，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不到殺菌效果，并且長期使用還會對細菌有利，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間可使動物體內(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。這是因為一些細菌在獲得新的耐藥因子時往往伴隨著相應(yīng)生理途徑中的某些缺陷，耐藥細菌雖然更適于有抗生素存在的壓力環(huán)境，但在沒有抗生素的天然環(huán)境下反而不如其他非耐藥的細菌更具優(yōu)勢。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”為依托，利用抗生素給藥期的時間間隔淘汰掉相應(yīng)的耐藥細菌，并在反復(fù)用藥中達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)、新靶點抗菌藥物的現(xiàn)狀下，有計劃、有目的地合理使用抗菌藥物，延長現(xiàn)有藥物的使用壽命，才是當前最行之有效的策略。因此，抗擊超級細菌，需要國際社會的共同參與。

6 結(jié)語

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?？股氐某霈F(xiàn)從疾病和感染的災(zāi)難中挽救了無數(shù)人的生命。然而幾十年來，“道高一尺，魔高一丈”的軍備競賽最終給人們留下的卻是數(shù)以百計的抗生素以及源源不斷的耐藥菌。

當我們頭上的天空因氣候變暖而崩裂時，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細菌的反噬，那將同樣是一場巨大的災(zāi)難。今天，“超級細菌”帶給我們的不該僅僅是恐慌，更多的應(yīng)當是警鐘長鳴。

一個人的安全是脆弱的，共同的防御才是堅固的。當公共衛(wèi)生安全受到威脅的時候，沒有人可以獨善其身。超級細菌并不可怕，可怕的是不斷產(chǎn)生新的超級細菌。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耐藥菌的當務(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軍備競賽中贏得人類健康的最后勝利。

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Arms racing between human beings and pathogens: NDM-1 and superbugs

Mingwei Sun1,2, Beiwen Zheng1,3, George F. Gao1,4, and Baoli Zhu1

1CAS Key Laboratory of Pathogenic Microbiology and Immunology,Institute of Microbiology,Chinese Academy of Sciences,Beijing100101,China
2College of Life Sciences,University of Science and Technology of China,Hefei230027,China
3Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China
3Beijing Institutes of Life Science,Chinese Academy of Sciences,Beijing100101,China

Received:September 14, 2010;Accepted:September 27, 2010

Supported by:National Natural Science Foundation of China (No. 30770060), Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (No. 81021003).

Corresponding author:Baoli Zhu. Tel: +86-10-64807362; E-mail: zhubaoli@im.ac.cn

國家自然科學(xué)基金項目（No. 30770060），國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金（No. 81021003）資助。