抗生素耐药性的来源与控制对策
2016/5/22 中科院之声
抗生素的发现和大规模生产与使用是人类医学史上的巨大进步，挽救了数以亿计的病人。自1928年弗莱明发现青霉素以来，历史上曾有3次诺贝尔医学或生理学奖颁给了发现抗生素的科学家。除临床使用外，1950年美国食品与药品管理局(FDA)还首次批准抗生素可作为饲料添加剂，抗生素因此被全面推广应用于动物养殖业，在预防和治疗动物传染性疾病，促进动物生长及提高饲料转化率等方面发挥了重要作用。而几乎在20世纪40年代第一代青霉素开始使用之时，就出现了细菌对其的耐药性，科学家也意识到抗生素的耐药性问题。
事实上，抗生素耐药性是微生物的一种自然进化过程，但是在迄今的70年间，由于抗生素在医疗及养殖领域的大量使用，甚至滥用，这一进化过程被大大加快，导致抗生素耐药性的不断发展，在人类致病菌、动物致病菌、动物肠道传染病原体及人与动物共生菌中都出现了抗生素耐药性，并且由单一耐药性发展到多重耐药性。
近年来，耐药性病原菌特别是多重耐药菌的增多与人类研发新型抗生素进展缓慢间的矛盾日益凸显，有学者惊呼，人类即将进入无药可用的后抗生素时代"或"耐药时代"。根据英国首相专门任命的一个独立研究委员会的报告指出：如果抗生素耐药性得不到有效控制，至2050年全球每年耐药感染的死亡人数可达1 000万，远远超出癌症所导致的死亡数。从经济角度讲，至2050年抗生素耐药性将造成的全球GDP损失累计达100万亿美元。由于耐药性的蔓延及其健康危害，抗生素已成为全球紧缺的不可再生资源。
我国作为抗生素的生产和消费大国，由于长期不合理的使用及严格监管的缺乏，所导致的抗生素耐药性问题十分严峻，耐药感染性疾病已成为当前临床感染性疾病死亡的主要原因，亟需从国家战略的高度加以重视和采取积极有效的应对策略，一方面避免新的耐药性产生，另一方面阻止已经存在的耐药性传播，从而维护人体健康和生态系统安全。
微生物对抗生素的耐性是自然界固有的，因为抗生素实际上是微生物的次生代谢产物，因此能够合成抗生素的微生物首先应该具有抗性，否则这些微生物就不能持续生长。这种固有的抗生素耐药性，也称作内在抗性(intrinsic resistance)，是指存在于环境微生物基因组上的抗性基因的原型、准抗性基因或未表达的抗性基因。这些耐药基因起源于环境微生物，并且在近百万年的时间里进化出不同的功能，如控制产生低浓度的抗生素来抑制竞争者的生长，以及控制微生物的解毒机制，微生物之间的信号传递，新陈代谢等，从而帮助微生物更好地适应环境。因此，抗生素耐药性的问题其实是自然和古老的。科学家在北极的冻土中提取到3万年前的古DNA，从中发现了较高多样性的抗生素抗性基因，而且部分抗性蛋白的结构与现代的变体相似，也证实了抗生素耐药性问题是古老的。
虽然一些抗生素抗性微生物和抗性基因很早就存在于自然界，但是抗生素大规模的生产和使用加速了固有抗性微生物和抗性基因的扩散，极大地增加了抗生素耐药性的发生频率。抗生素耐药基因的存在往往与抗生素的使用之间存在良好的相关性。由外源进入并残留在环境中的抗生素对环境微生物的耐药性产生选择压力，携带耐药基因的具有抗性的微生物能存活下来并逐渐成为优势微生物，并不断地将其耐药基因传播给其他微生物。众多研究证实抗生素耐药基因具有较高的移动性，主要是通过基因水平转移(Horizontal gene transfer，HGT)机制，又称基因横向转移(Lateralgene transfer)。即借助基因组中一些可移动遗传因子，如质粒(plasmids)、整合子(integrons)、转座子(transposons)和插入序列(insertion sequences)等，将耐药基因在不同的微生物之间，甚至致病菌和非致病菌之间相互传播。环境中拥有基因横向转移等内在机制的微生物组成一个巨大的抗性基因储存库，并可能将抗生素耐药性转移到人类共生微生物和病原体中。医学专家很早就指出，抗生素的广泛使用导致了内源性感染和细菌耐药性的增加。而通过宏基因组学的研究方法，科学家在人类肠道微生物群中也发现了高丰度、高多样性的抗生素耐药基因，也印证了这一观点。
(1)新型抗菌药物及作用靶位
抗菌药物可分为天然结构的抗生素和人工合成的抗菌药物。20世纪40-60年代是微生物学家发现抗生素的"黄金时代"，经过多年的密集筛选，天然结构抗生素的发现进入瓶颈。近年来随着微生物培养技术、宏基因组学、代谢组学以及高通量筛选方法的发展，使得人们再次将目光聚焦于从天然产物中发现新型抗生素。土壤中有约99%的微生物尚未能培养，这使得人们难以获得其产生的活性物质，而通过采用新兴的ichip培养技术，美国与德国科学家从土壤中未培养微生物中筛选出一种新型抗生素Teixobactin，该抗生素可通过与肽聚糖前体Lipid II和磷壁酸的前体Lipid III结合抑制细胞壁的合成，从而杀死多种病原菌，并且细菌很难对该抗生素产生耐药性。宏基因组学技术是人们获得未可培养微生物资源的重要手段之一，采用该技术，Brady小组从type-II polyketide合成基因簇超表达产物中分离纯化到一种新型抗生素Tetarimycin A，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)具有抗菌活性。除了传统的抗生素外，Timothy小组采用CRISPR-Cas技术开发出一类以RNA引导的核酸酶(RNA-guided nucleases，RGNs)，RGNs可在DNA水平以特异的DNA序列如抗性基因或细菌毒力因子为目标，通过噬菌体或质粒进入病原菌体内使特异的目标基因失活。
除了开发新型抗菌药物外，科学家们还致力于寻找新的作用靶位蛋白用于开发新型抗菌药物。采用晶体学方法，已鉴定出多种细菌膜蛋白的晶体结构和功能机制，这些膜蛋白包括病原菌福氏志贺氏菌的脂多糖转运(Lpt)蛋白、广泛存在于革兰氏阳性病原菌的能量转运蛋白以及革兰氏阴性菌的分泌独立因子的关键蛋白。这些蛋白晶体结构的解析为针对这类蛋白筛选或设计新的抗菌药提供了理论基础。
(2)抗生素佐剂
抗生素佐剂是指一类本身并不具有抗菌功能，但可与抗生素协同作用，促进抗生素对于细菌尤其是抗性细菌的杀菌活性的化合物。抗生素佐剂的研制和使用可以大大延长现有抗生素的使用寿命，这类化合物可以分为针对细菌抗性基因和细菌毒力因子的药物。
Wright小组从1 065种现有的非抗生素药物中筛选出69种可与二甲胺四环素协同作用的药物，这些药物可显著降低二甲胺四环素的最小抑制浓度，并在体内和体外实验中均表现出对多重耐药菌株的抗菌活性；该小组还筛选出多种抗生素抗性激酶抑制剂，其中黄酮醇槲皮素表现出最强的广谱活性，可抑制由蛋白激酶引起的抗生素耐药性。最近他们还从一株真菌Aspergillus versicolor的代谢产物中筛选出一个可抑制金属β-内酰胺酶(MBLs)活性的化合物Aspergillomarasmine A。该化合物可抑制包括超级细菌的抗性基因NDM-1的耐药活性，从而恢复碳青霉烯抗生素的杀菌活性。此外，人们还发现多种可抑制细菌外排泵的化合物，可降低细菌外排泵的活性、增加抗生素在细菌体内的浓度从而杀死细菌。
与传统抗菌药物不同的是，抗细菌独立因子的药物直接使病原菌特异的毒力因子失活，使其丧失致病能力，病原菌在这种状态下将更容易被抗生素杀死，而且人体的免疫系统和有益微生物将更容易杀死这类病原菌。Curtis等人采用高通量筛选从15万种小分子化合物中筛选出一种化合物LED209，该化合物可与多种重要病原菌毒力因子表达的信号受体QseC结合，从而使病原菌不能表达毒力因子。脂多糖是许多病原菌内毒素的成分，LpxC是其合成的关键酶，针对LpxC的抑制剂可抑制毒性脂多糖的合成，从而降低鲍氏不动杆菌的致病性。
除了上述两方面的研究外，目前关于抗击抗生素抗性的研究还包括：(1)捕食性微生物的研究；(2)抗菌肽的开发；(3)噬菌体；(4)通过基因编码技术发展新的酶；(5)金属离子，如铜和银制剂的开发等。
(1)分别在全球和国家层面建立跨部门的抗生素耐药性控制委员会(“耐药委”)，协调和管理抗生素的生产，人兽使用，废弃物处置及最终向自然环境排放的整个生命周期，该机构的职能包括制定相关政策、规范和监督等。
(2)在“耐药委”的框架下建立快速和透明的抗生素耐药性监测体系，涵盖医院、养殖业、污水处理厂等。
(3)建立抗生素药物创新基金，通过政府和企业的联合，加快新型药物的研制；同时加强知识产权保护，使新药创制走上可持续之路。
(4)加强抗生素耐药性相关的基础与应用研究，包括耐药性发生和传播的生态学机制，消除和缓解耐药性发生和传播的环境技术及其系统解决方案等，包括改进污水处理厂的处理工艺，削减出水中抗性基因和抗性菌的比例。
(5)加强抗生素耐药性的科普宣传，提高全社会对耐药性的认知能力，从而在源头上有效控制抗生素在农业和医疗方面的滥用及其环境污染。
作者：朱永官 欧阳纬莹 吴楠 苏建强 乔敏
来源：《中国科学院院刊》2015年第4期
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