課外閱讀科學家揭示超級細菌產(chǎn)生耐藥基因原因

［課外閱讀］科學家揭示超級細菌產(chǎn)生耐藥基因原因萬古霉素曾被譽為抗生素的最后一道防線，當這道防線失守后，人們開始廣泛使用碳青霉烯抗生素。如今攜帶NDM-1基因的耐藥菌開始流行，表明在抗生素研發(fā)與微生物變異之間的賽跑上，后者再次取得了勝利。這或許是人類噩夢的開始。就在WHO宣布甲型H1N1流感疫情進入尾聲的幾天后，人們又聽到了所謂的“末日細菌”的壞消息。在印度等南亞國家出現(xiàn)的“超級病菌"NDM-1,目前已經(jīng)蔓延到歐美多個國家。這一新型的耐藥菌與以往的耐藥菌如甲氧西林耐藥菌(MRSA)有很大的不同，它其實并不是一種細菌，而是一種由特殊的耐藥基因編碼的酶，因此它的出現(xiàn)引起了科學界的高度關(guān)注，更有媒體以《超級病毒NDM1不怕抗生素，末日細菌恐全球散播》為題進行聳人聽聞的報道。“百毒不侵”的機制8月11日的《柳葉刀》雜志發(fā)表題為“印度、巴基斯坦、英國發(fā)現(xiàn)新的病原菌耐藥機制”的論文，文章對這一新發(fā)現(xiàn)的耐藥基因進行了分子生物學、生物學、流行病學等方面的研究。科學家將它命名為新德里-金屬p-內(nèi)酰胺酶基因(NewDelhiMetalo-1)，簡稱NDM-1。硏究發(fā)現(xiàn)由NDM-1編碼的酶能夠分解碳青霉烯抗生素，而后者是目前抗感染治療中抗菌譜最廣、抗菌活性最強的一類抗生素，廣泛應用于重癥感染患者的治療。硏究還發(fā)現(xiàn)，NDM-1廣泛存在于印度和巴基斯坦的病例中。攜帶有該耐藥基因的大腸桿菌和肺炎克雷伯菌，對目前的絕大多數(shù)抗生素都具有耐藥性。更為嚴重的是，初步判斷NDM-1基因存在于細菌的質(zhì)粒上，能夠在微生物中自由傳播。根據(jù)英國健康保護署的數(shù)據(jù)，2007年在英國境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的“抗碳青霉烯抗生素”病例有7人，到2008年上升至20人，2009年則超過了40人。而且導致病菌抗性的NDM-1基因也呈現(xiàn)出多樣性。此次發(fā)現(xiàn)的NDM-1不同于以往的三種抗藥基因。它在臨床上引起的感染病例2008年為4人，2009年上升至18人。由于這種耐藥菌對絕大部分抗生素具有耐藥性加之NDM-1基因能借助質(zhì)粒在微生物間發(fā)生“水平基因轉(zhuǎn)移”，因此論文指出，NDM-1病菌在全球大規(guī)模蔓延的潛在危險“明確而令人恐懼”。原因在于，航空旅行、全球化和人口流動都為NDM-1在國家和大陸之間迅速蔓延提供了機會，而大多數(shù)國家還沒有引起警惕。有報道稱，目前全球已有170人被感染。英國健康保護署對此發(fā)出了“三級國家預警”。由于這種基因以“新德里”命名，因此引起了印度方面的質(zhì)疑。加之《柳葉刀》刊出的文章注明，該研究受制藥公司（惠氏）的資助，而惠氏公司在抗感染領(lǐng)域的主打產(chǎn)品替加環(huán)素，又恰是僅有的對NDM-1病菌有效的兩種抗生素之一，因此有人懷疑此新聞背后的推手是制藥企業(yè)。帶有NDM-1的耐藥菌，多為大腸桿菌或者肺炎桿菌，屬于革蘭氏陰性菌，對絕大多數(shù)常用抗生素耐藥，其中包括頭孢類、碳氫霉烯類、氨基糖苷類等。作為抗生素最后一道防線的萬古霉素，可用于耐藥性的革蘭氏陽性菌，但對于革蘭氏陰性菌則不具活性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的耐藥菌屬于革蘭氏陰性菌。革蘭氏陰性菌本身就對抗生素存在多種耐藥機制。它既具有不能滲透抗生素的物理屏障，也可以通過“外排系統(tǒng)”泵出胞內(nèi)抗生素。此外，抗生素結(jié)合的靶點還易發(fā)生變異，還能夠產(chǎn)生分解抗生素的特異性酶。NDM-1病菌耐藥的原理就屬于后者。正是革蘭氏陰性菌的多重耐藥機制，使它在臨床上逐漸成為“百毒不侵”的超級耐藥菌。自然界中的耐藥基因抗生素與耐藥性如同“矛和盾”的關(guān)系，抗生素殺死微生物，耐藥性又可以使微生物“免疫”抗生素。那么，導致這些耐藥性的抗性基因到底從而何來呢？最近兩年，《科學》雜志和《自然》雜志均發(fā)表文章對此進行了論述。文章的觀點是，在自然界中存在著廣泛的耐藥基因。如產(chǎn)生抗生素的真菌、放線菌，其抗生素合成基因簇中本身就含有“耐藥基因”。在這些抗生素產(chǎn)生菌周圍環(huán)境中生活的微生物，為了生存也會進化出“耐藥基因”。動物活動、人類遷移、物理因素都能促使這些抗藥基因的傳播。而目前醫(yī)療、畜牧等行業(yè)中抗生素的廣泛使用，以及生態(tài)環(huán)境中毒性物質(zhì)的存在，又作為“篩選壓力”，不斷選擇并進化了這些耐藥菌。如同抗生素來源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”也是來源于自然環(huán)境中。微生物產(chǎn)生抗生素的最初目的是，為了抵御環(huán)境中的天敵或競爭者，而它自己是對抗生素的毒性“免疫”的。這是因為，編碼抗生素的基因簇本身往往就含有“耐藥基因”。此外，最近的研究表明，很多不產(chǎn)抗生素的微生物體內(nèi)也存在“耐藥基因”，這些耐藥基因在細胞內(nèi)主要起到代謝調(diào)控、信號傳遞的作用。自然界中廣泛存在耐藥基因這一事實也促成了對“微生物耐藥性研究方法的改變。以前人們使用“藥敏試驗”來判定微生物是否對某一種抗生素具有耐藥性。而現(xiàn)在，更傾向于采用PCR技術(shù)和分子雜交等技術(shù)，通量檢測病原菌DNA中是否含有可能的“耐藥基因”，這種技術(shù)為臨床用藥提供了更科學的指導。細菌的反擊在非臨床環(huán)境中廣泛存在著耐藥基因，這是造成如今耐藥菌泛濫的內(nèi)因。而臨床上的抗生素濫用，以及環(huán)境中的抗生素污染，則是造成耐藥菌泛濫的外因。實際上，自從上世紀第二次世界大戰(zhàn)期間，隨著抗生素開始應用于臨床治療，以及新型抗生素不斷問世，其相應的耐藥菌也就不斷出現(xiàn)。2008年《科學》雜志在“細菌的反擊”一文中曾這樣描述：1943年青霉素大規(guī)模使用，1945年院內(nèi)感染的20%金黃色葡球菌對其產(chǎn)生抗性；1947年鏈霉菌素上市，同年該藥耐藥菌出現(xiàn)；1952年四環(huán)菌素上市，1956年其耐藥菌出現(xiàn)；1959年甲氧西林上市，1961年其耐藥菌出現(xiàn)；1964年頭孢噻吩上市，1966年其耐藥菌出現(xiàn)；1967年慶大霉素上市，1970年其耐藥菌出現(xiàn)；1981年頭孢噻肟上市，1983年其耐藥菌出現(xiàn)；1996年，發(fā)現(xiàn)萬古霉素耐藥菌；2001年利奈唑胺上市，2002年其耐藥菌出現(xiàn)。此后數(shù)年里，僅有達托霉素等寥寥數(shù)種新型抗生素問世。萬古霉素曾被譽為抗感染治療領(lǐng)域的“抗生素最后一道防線”，但是，當臨床上面臨越來越多的萬古霉素耐藥菌(VRSA)和甲氧西林耐藥菌(MRSA)后，人們開始廣泛使用碳青霉烯抗生素，如亞胺培南、美洛培南等。如今攜帶NDM-1基因的耐藥菌開始流行，再次證明，在抗生素研發(fā)與微生物變異之間的賽跑上，后者再次取得了勝利。這或許是人類噩夢的開始。目前臨床上大量使用廣譜抗生素和抗生素的二類、三類用藥，將人類菌群中少量的耐藥菌被篩選出來，并在病理組織上形成致病的優(yōu)勢菌菌群。《柳葉刀》雜志2008年曾刊出通訊指出，我國醫(yī)院內(nèi)感染的致病菌有40%為耐藥菌。耐藥菌的增長率達26%，居世界首位。這在很大程度上是因為抗生素使用的不合理。據(jù)報道，在我國75%的季節(jié)性流感，被醫(yī)生誤用抗生素治療。此外，畜牧業(yè)、漁業(yè)中廣泛使用阿莫新林、紅霉素等抗生素用于動物的疾病預防。這些臨床用藥在非臨床環(huán)境中使用，造成了環(huán)境中的耐藥菌在臨床上也無藥可醫(yī)。弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素后，人類曾以為找到對付病原菌的利器。但是，隨著耐藥菌的不斷出現(xiàn)，有人甚至悲觀地認為，抗生素時代終究會被耐藥菌的出現(xiàn)所終結(jié)。地球上微生物的種類大于其他所有的物種數(shù)目之和，而人類自身攜帶的細菌數(shù)目，又遠超過其所有的細胞。生物學家不禁感嘆：人類可能只是外來生物，而微生物才是地球的主人。新藥研發(fā)后繼乏力造成目前病原菌肆虐的另一個原因是，新型抗生素研發(fā)的滯后。近十年許多制藥公司開始不再關(guān)注抗感染用藥的研發(fā)。前十五強的制藥公司只有少數(shù)的葛蘭素史克、輝瑞、默克、諾華、阿斯利康等五家還在致力于抗生素的研究。這很大程度是源于，目前抗生素市場的低利潤。一種具有抑菌活性的化學實體藥的研發(fā)往往歷時十余年，耗資過億元。而上市不足數(shù)年，臨床上就會出現(xiàn)耐藥菌。此外，抗感染藥物用藥療程多為數(shù)周。其市場容量遠低于治療高血壓等慢性疾病的藥物。所以，近十年已經(jīng)上市或正在臨床評價的新型抗生素只有利奈唑烷（linezolid,輝瑞）、達托霉素（Daptomycin，阿斯利康）、達巴萬星（Dalbavancin，輝瑞）、奧利萬星（Oritavancin，禮來）、替加環(huán)素（Tigecycline，惠氏）。抗生素的抑菌活性及耐藥性產(chǎn)生，與其構(gòu)效（結(jié)構(gòu)—藥效）關(guān)系十分密切。同為“新藥”的抗生素，已有結(jié)構(gòu)類別的衍生物相對于全新結(jié)構(gòu)類別的抗生素，在臨床上是更容易出現(xiàn)耐藥菌，甚至交叉耐藥菌的。而在以上新藥中，具有新型結(jié)構(gòu)類別的抗生素只有利奈唑烷和達托霉素。其他抗生素的類似物和抗菌機制早在數(shù)十年前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)甚至，近四十年新型結(jié)構(gòu)類別的抗生素，也只有利奈唑烷代表的利奈烷酮類和達托霉素代表的環(huán)脂肽類抗生素。2000年上市的利奈唑烷是用化學合成法生產(chǎn)，但是上市僅兩年就發(fā)現(xiàn)其交叉耐藥菌。2003年上市的達托霉素，采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)，目前尚無交叉耐藥菌出現(xiàn)的報道。雖然“NDM-1病菌十年內(nèi)無藥可醫(yī)"的說法有些言之過甚，但是面對日益嚴重的耐藥菌問題，臨床上少有長期的特效藥。這也凸顯了新結(jié)構(gòu)類別抗生素研發(fā)的不足。在目前缺乏新結(jié)構(gòu)、新靶點抗