科學家揭示超級細菌產生耐藥基因原因(組圖)

2010-08-20 08:45

揭開「末日病菌」的面紗

自然界(非臨床環境)中本來就存在大量的「天然耐藥基因」，而人類對抗生素的濫用如同「篩選壓力」，篩選並整合有 「耐藥基因」的病菌，使得後者最終成為人類的噩夢——臨床上的「耐藥菌」。

2004年耐藥、高致病性的難辨梭狀菌在北美和西歐流行。僅在加拿大魁北克一地的爆發就造成7000名重症患者和1300人的死亡。

萬古黴素曾被譽為抗生素的最後一道防線，當這道防線失守後，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，表明在抗生素研發與微生物變異之間的賽跑上，後者再次取得了勝利。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後，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的「超級病菌」NDM-1，目前已經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，它其實並不是一種細菌，而是一種由特殊的耐藥基因編碼的酶，因此它的出現引起了科學界的高度關注，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導。

「百毒不侵」的機制

8月11日的《柳葉刀》雜誌發表題為「印度、巴基斯坦、英國發現新的病原菌耐藥機制」的論文，文章對這一新發現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β-內酰胺酶基因 (New Delhi Metalo-1)，簡稱NDM-1。研究發現：由NDM-1編碼的酶能夠分解碳青霉烯抗生素，而後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，廣泛應用於重症感染患者的治療。

研究還發現，NDM-1廣泛存在於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基因存在於細菌的質粒上，能夠在微生物中自由傳播。

根據英國健康保護署的數據，2007年在英國境內發現的「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基因也呈現出多樣性。此次發現的NDM-1不同於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。

由於這種耐藥菌對絕大部分抗生素具有耐藥性，加之NDM-1基因能藉助質粒在微生物間發生「水平基因轉移」，因此論文指出，NDM-1病菌在全球大規模蔓延的潛在危險「明確而令人恐懼」。原因在於，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，而大多數國家還沒有引起警惕。有報導稱，目前全球已有170人被感染。英國健康保護署對此發出了「三級國家預警」。

由於這種基因以「新德里」命名，因此引起了印度方面的質疑。加之《柳葉刀》刊出的文章註明，該研究受製藥公司(惠氏)的資助，而惠氏公司在抗感染領域的主打產品替加環素，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後的推手是製藥企業。

帶有NDM-1的耐藥菌，多為大腸桿菌或者肺炎桿菌，屬於革蘭氏陰性菌，對絕大多數常用抗生素耐藥，其中包括頭孢類、碳氫霉烯類、氨基糖苷類等。作為抗生素最後一道防線的萬古黴素，可用於耐藥性的革蘭氏陽性菌，但對於革蘭氏陰性菌則不具活性。

已經發現的耐藥菌屬於革蘭氏陰性菌。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」 泵出胞內抗生素。此外，抗生素結合的靶點還易發生變異，還能夠產生分解抗生素的特異性酶。NDM-1病菌耐藥的原理就屬於後者。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」的關係，抗生素殺死微生物，耐藥性又可以使微生物「免疫」抗生素。那麼，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》雜誌和《自然》雜誌均發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」。在這些抗生素產生菌周圍環境中生活的微生物，為了生存也會產生出「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。而目前醫療、畜牧等行業中抗生素的廣泛使用，以及生態環境中毒性物質的存在，又作為「篩選壓力」，產生了這些耐藥菌。

如同抗生素來源於自然界的放線菌和真菌一樣，目前絕大多數的耐藥菌體內的「耐藥基因」也是來源於自然環境中。微生物產生抗生素的最初目的是，為了抵禦環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，很多不產抗生素的微生物體內也存在「耐藥基因」，這些耐藥基因在細胞內主要起到代謝調控、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。而現在，更傾向於採用PCR技術和分子雜交等技術，通量檢測病原菌DNA中是否含有可能的「耐藥基因」，這種技術為臨床用藥提供了更科學的指導。

細菌的反擊

在非臨床環境中廣泛存在著耐藥基因，這是造成如今耐藥菌氾濫的內因。而臨床上的抗生素濫用，以及環境中的抗生素污染，則是造成耐藥菌氾濫的外因。

實際上，自從上世紀第二次世界大戰期間，隨著抗生素開始應用於臨床治療，以及新型抗生素不斷問世，其相應的耐藥菌也就不斷出現。

2008年《科學》雜誌在「細菌的反擊」一文中曾這樣描述：1943年青黴素大規模使用，1945年院內感染的20%金黃色葡球菌對其產生抗性；1947年鏈黴菌素上市，同年該藥耐藥菌出現；1952年四環菌素上市，1956年其耐藥菌出現；1959年甲氧西林上市，1961年其耐藥菌出現；1964年頭孢噻吩上市，1966年其耐藥菌出現；1967年慶大黴素上市，1970年其耐藥菌出現；1981年頭孢噻肟上市，1983年其耐藥菌出現；1996年，發現萬古黴素耐藥菌；2001年利奈唑胺上市，2002年其耐藥菌出現。此後數年裡，僅有達托黴素等寥寥數種新型抗生素問世。

萬古黴素曾被譽為抗感染治療領域的「抗生素最後一道防線」，但是，當臨床上面臨越來越多的萬古黴素耐藥菌(VRSA)和甲氧西林耐藥菌(MRSA)後，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，在抗生素研發與微生物變異之間的賽跑上，後者再次取得了勝利。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，並在病理組織上形成致病的優勢菌菌群。 《柳葉刀》雜誌2008年曾刊出通訊指出，我國醫院內感染的致病菌有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。據報導，在我國75%的季節性流感，被醫生誤用抗生素治療。

此外，畜牧業、漁業中廣泛使用阿莫新林、紅黴素等抗生素用於動物的疾病預防。這些臨床用藥在非臨床環境中使用，造成了環境中的耐藥菌在臨床上也無藥可醫。

弗萊明發現青黴素後，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，有人甚至悲觀地認為，抗生素時代終究會被耐藥菌的出現所終結。地球上微生物的種類大於其他所有的物種數目之和，而人類自身攜帶的細菌數目，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。

新藥研發後繼乏力

造成目前病原菌肆虐的另一個原因是，新型抗生素研發的滯後。近十年許多製藥公司開始不再關注抗感染用藥的研發。前十五強的製藥公司只有少數的葛蘭素史克、輝瑞、默克、諾華、阿斯利康等五家還在致力於抗生素的研究。這很大程度是源於，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往往歷時十餘年，耗資過億元。而上市不足數年，臨床上就會出現耐藥菌。此外，抗感染藥物用藥療程多為數週。其市場容量遠低於治療高血壓等慢性疾病的藥物。

所以，近十年已經上市或正在臨床評價的新型抗生素只有利奈唑烷(linezolid， 輝瑞)、達托黴素(Daptomycin，阿斯利康)、達巴萬星(Dalbavancin，輝瑞)、奧利萬星(Oritavancin，禮來)、替加環素 (Tigecycline，惠氏)。

抗生素的抑菌活性及耐藥性產生，與其構效(結構—藥效)關係十分密切。同為「新藥」的抗生素，已有結構類別的衍生物相對於全新結構類別的抗生素，在臨床上是更容易出現耐藥菌，甚至交叉耐藥菌的。

而在以上新藥中，具有新型結構類別的抗生素只有利奈唑烷和達托黴素。其他抗生素的類似物和抗菌機制早在數十年前就已經被發現。甚至，近四十年新型結構類別的抗生素，也只有利奈唑烷代表的利奈烷酮類和達托黴素代表的環脂肽類抗生素。

2000年上市的利奈唑烷是用化學合成法生產，但是上市僅兩年就發現其交叉耐藥菌。2003年上市的達托黴素，採用微生物發酵法生產，目前尚無交叉耐藥菌出現的報導。

雖然「NDM-1病菌十年內無藥可醫」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。這也凸顯了新結構類別抗生素研發的不足。

在目前缺乏新結構、新靶點抗生素的現狀下，合理用藥和隔離治療是抵禦耐藥菌最為有效的策略。減少廣譜抗生素的使用，縮短抗生素使用療程，都可以減少耐藥菌的產生。另外，面對感染患者實行預防原則，有條件的進行隔離治療，可以避免醫院內耐藥菌的交叉感染。在芬蘭等國對感染患者實行「感染控製程序」，即住院病人進行定期耐藥菌檢測，並實施隔離治療。因此，這些國家的MRSA的發生率顯著低於其他國家。