抗生素耐药性的来源与控制对策

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1、抗生素耐药性的来源与控制对策抗生素的抗性1抗生素耐药性是指一些微生物亚群体 能够在暴露于一种或多种抗生素的条件下得以生存的现 象，其主要机制包括:（1）抗生素失活。通过直接对抗生 素的降解或取代活性基团，破坏抗生素的结构，从而使抗 生素丧失原本的功能；（2）细胞外排泵。通过特异或通用 的抗生素外排泵将抗生素排出细胞外，降低胞内抗生素浓 度而表现出抗性；（3）药物靶位点修饰。通过对抗生素靶 位点的修饰，使抗生素无法与之结合而表现出抗性。 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

2、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

3、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

4、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。人类活动与耐药性2已有文献和相关统计资料显示，我国 是抗生

5、素的生产和消费大国，2007年的一项调查显示，我 国抗生素原料生产量约为21万吨，其中有9.7万吨（占年 总产量的46.1%）的抗生素用于畜牧养殖业，2009-2010年 畜用抗生素的年消耗量均接近10万吨，远超其他国家。全 球范围来看，至少50%的抗生素都是用于养殖业，美国年畜 用抗生素的消耗量从2002年的9 300吨增至2006年的11 200吨。欧盟实施限抗令后，畜用抗生素年消耗量从2002 年的5 000吨降至2006年的3 800吨。据预测，我国养殖 业抗生素占全球消费总量的比重将从2010年的23%升至 2030年的30%。在美国，兽用抗生素甚至是人用的4倍， 世界卫生组织的调查

6、表明，当前增加人和动物感染风险的 抗生素基本属于同一类。由于抗生素在医疗以及养殖业中 的大量使用，导致环境中出现了大量抗性污染热点区，抗 性基因可以通过多种直接或间接的传播途径在其间扩散并 最终进入水体和土壤。其中，城市污水处理厂和集约化养 殖场是最为关键和主要的传播途径。主要污染源有3种。（1）人类使用抗生素导致医疗废水和生活污水中富含大量 耐药菌及其抗性基因，尤其是医疗废水被认为是丰富的整 合子基因库。因此城市污水处理厂的集中处理就成为抗生 素耐药菌和抗性基因传播的重要源头。研究表明，污水处 理厂的进水、出水和污泥中均存在高丰度和极其多样的抗 性基因，且污水处理厂的出水会引起受纳水体环境中

7、抗性 水平的显著升高。此外，城市污水处理厂的中水回用（农 田灌溉和城市景观用水等）和污泥施肥亦会导致土壤中抗 性基因的富集，从而危及公共健康。（2）集约化养殖业（包括水产养殖）系统中有机废弃物和污水的排放会直接 向环境中释放大量抗性因子。更为严重的是养殖业的环境 管理相对粗放，废弃物处置和循环利用技术的相对低下进 一步加剧了污染。研究表明，由于集约化养殖业中抗生素 和重金属添加剂的滥用可使猪粪中抗性基因（导致微生物 产生抗生素耐药性的基因）比背景值富集高达1万倍。 Shah等人研究表明，从三文鱼养殖场及其附近海域分离的 200株菌中，耐药菌比例高达81%，并从中检测到四环素、 磺胺、6内酰胺类

8、等多种抗性基因。（3）抗生素制药企业 的废水和废渣排放。抗生素制药企业的废弃物中含有高浓 度的抗生素残留，长期的选择压力可以导致其成为丰富的 抗性基因储库。科学家研究了土霉素生产厂的废水与废渣 中四环素抗性基因的分布，结果显示，废水中的四环素抗 性基因比发酵的废渣中高出2个数量级，且两者均显著高 于普通城市污水处理中抗性基因的丰度。由于耐药菌和抗 生素抗性基因污染的广泛性和严重性，如何有效抗击全球 范围抗生素耐药性的问题已经得到各国政府和国际机构的 高度重视，也被认为是与全球变暖同等重要的全球性挑 战。2013年在英国召开的G8峰会把解决全球抗生素耐药 性作为首要议题来讨论。英国2014年启动

9、的巨额经度奖 所要解决的6大难题之一就是抗生素的耐药性。正如世界 卫生组织（WHO）指出的“如果今天不采取行动，明天将无 药可用”，人类将进入抗生素发明之前的“黑暗时代”。抗击耐药性的研究进展3随着近年来抗生素耐药性严重危 害人类健康，各国科学家们开始致力于发展多种策略来抗 击耐药性。这些策略主要包括大力挖掘和筛选新型抗生素 及抗菌药物、研究新的作用靶点、研发抗生素佐剂等。（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

10、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

11、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（Lp

12、t）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

13、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 6-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

14、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

15、的酶；（5）金属离子，如铜和银制剂的开 发等。对策与措施4为有效应对全球抗生素耐药性的蔓延及其对 人类健康的影响，建议采取如下对策与措施：（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。