细菌耐药耐受性机制的最新研究进展
来源
中国抗生素杂志，年2月第45卷第2期
作者
李昕曾洁王岱薛云新赵西林
分子疫苗学和分子诊断学国家重点实验室
厦门大学公共卫生学院
摘要
抗生素的发现是人类抗感染史上伟大的里程碑。但是由于近年来人们对抗生素使用的认知不足，导致了抗生素滥用情况严重。抗生素耐药性以惊人的速度出现，现在已成为人类健康的主要威胁。由于抗生素的滥用导致了许多耐药细菌的产生，甚至出现了多重耐药细菌或者全耐药超级细菌。目前对于耐药细菌产生机制的研究进展已经比较成熟，近期研究发现细菌暴露在抗生素下会先变得耐受，耐受产生后会促进耐药性的产生。为有效尽早遏制耐药，有必要对于抗生素耐受的机制进行探究。目前关于细菌对抗生素耐受性产生的机制尚不完全清楚，本文主要介绍关于细菌对抗生素耐受性的研究进展，有利于加强人们对于耐受性细菌的认识，帮助预防、克服耐药。关键词
耐受性；持留；抗生素；生物膜
_正文
_自从年Fleming首次发现了第一种抗生素(青霉素)以来，抗生素挽救了无数人的生命，是20世纪人类历史上最重大的发现之一。但是随着耐药细菌的产生，医学家们又面临了抗感染治疗的另一难题。耐药性的出现无疑成为了抗生素治疗细菌感染的最大绊脚石。细菌主要通过突变或摄取外源DNA而获得对抗生素的耐药能力，通常抗生素治疗失败也主要归因于细菌的耐药性。细菌主要以以下3种方式应对抗生素治疗：耐药、耐受与持留(图1)。耐药是指细菌在抗生素存在时仍然能够生长，最小抑菌浓度(minimalinhibitoryconcentration,MIC)明显升高。耐受表现为细菌在抗生素存在时虽然不能生长(MIC不变)，但也不会被抗生素杀死。持留则指细菌刚刚开始暴露于抗生素时会被杀死，但当抗生素杀菌到一定程度后，细菌群体中的一小部分耐受抗生素杀菌，表现为既不生长也不死亡。现有研究表明抗生素的耐药机制主要包括：降低药物与其靶标结合的亲和力或者降低胞内药物浓度。前者主要通过编码抗生素靶标的基因中的突变赋予对抗生素的耐药性，并且在随后的增殖中具有遗传特性。目标位点的突变(例如在赋予氟喹诺酮抗性的许多物种中拓扑异构酶基因的突变)或重组以提供镶嵌等位基因(如在赋予β-内酰胺抗性的肺炎球菌和淋球菌中的镶嵌青霉素结合蛋白中发现)都会导致功能性靶标对抗生素的亲和力降低，引起耐药性的产生。后者主要通过质膜通透性改变、外排泵过表达、或降解/修饰酶的表达来实现。详细来讲，其一，亲水性抗生素通过外膜孔蛋白扩散穿过外膜。在大多数肠杆菌科中，下调主要的孔蛋白(如大肠埃希菌的外膜蛋白OmpF和OmpC)或通过用更具选择性的通道替换孔蛋白，可以降低外膜的渗透性并限制抗生素进入细菌内，从而导致胞内药物浓度降低而产生耐药。其二，细菌外排泵主动将抗生素输送至胞外，是细菌对治疗感染的抗生素产生耐药性的主要贡献者。当外排泵过表达时，可以对先前临床上有治疗效果的抗生素产生高水平的耐药性。其三，除了防止抗生素进入细胞或改变其靶标外，细菌还可以破坏或改变抗生素结构从而产生耐药性效果，例如通过水解灭活抗生素如青霉素酶(β-内酰胺酶)和碳青霉烯酶，或者通过转移化学基团灭活抗生素，例如氨基糖苷类修饰酶(乙酰转移酶、磷酸转移酶和核苷酸转移酶)[1]从而破坏抗生素结构导致其不能与作用位点结合从而产生耐药性。大多数细菌耐药性的机制目前已经清晰明确，并且也有明确的观察指标：认为抗生素的MIC明显上升，并且有耐药性的细菌在抗生素处理条件下能继续生长。然而在临床上发现，即便采用了有效抗生素治疗仍会有反复感染和复发的现象，而耐药性的机制并不足以解释这种情况(例如并没有发现细菌MIC显著升高)。为此，研究者采用了新的定义—细菌耐受性，耐受现象的解释为，细菌在MIC不变的情况下，也能够在有效杀菌药物浓度下存活，但不能增殖[2](图1)。耐受细菌与不利生长环境的压力应答调控有关。降低生长与代谢速率是细菌应对不利生长环境的生存策略之一，目前发现多种环境压力能够诱导细菌耐受现象的发生，包括饥饿、缺氧、热激、氧化压力、DNA损伤等。细菌耐受性的具体表型为，抗生素不能在原有的杀菌时间或药物浓度下有效的完全清除细菌群体，并且临床上会导致如结核分枝杆菌(Mycobacteriumtuberculosis)感染、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)感染、大肠埃希菌(Escherichiacoli)尿路感染以及铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)引起的肺部感染的复发和难以治愈的病况[2-3]。本文主要从细菌耐受性与耐药性的关系、细菌耐受性与持留性细菌产生的区别、细菌耐受性与生物膜之间的联系等方面进行综述。1
细菌耐受性与耐药性的关系
在Levin-Reisman等[4]的实验中，已经充分证明了耐受性(tolerance)和耐药性(resistance)的关系——耐受性的产生先于耐药性。在这之前的文章中[5-6]也已经有研究表明在间歇性抗生素暴露下，耐受性和持留性会迅速发展。当大肠埃希菌群体每天间歇性暴露于氨苄青霉素(ampicillin)时，培养的细菌获得了稳定期后恢复指数生长之前的时期的突变后，变得对氨苄青霉素耐受。但进化的突变体没有变得耐药，只要它们处于滞后期他们就能在抗生素处理的过程中存活下来，一旦恢复生长就会被氨苄青霉素杀死。之前对耐受菌株的出现是否可以阻碍或加速抗生素耐药性的产生存在争议[3,7]，而为了理解耐药性和耐受性之间的关系，Levin-Reisman等[4]重新设计了实验：将生长到稳定期的大肠埃希菌细胞接种到含有高剂量氨苄青霉素的新鲜培养基中，大多数细胞开始生长并被抗生素迅速杀死，然后通过洗涤去除菌液中的抗生素并将少量幸存下来的细菌反复暴露于亚抑制浓度的氨苄青霉素中，从而筛出耐药突变体。对这些耐药性突变体进行分析后发现在ampC基因的启动子中发生了突变，ampC编码β-内酰胺酶不在野生型大肠埃希菌中表达，在ampC基因的启动子发生突变后使突变菌株能够对氨苄青霉素产生耐受性。当作者随着时间的推移追踪突变的出现时，他们发现耐受性先于耐药性出现，并且如果起始菌株带有耐受突变，则耐药性会发展得更快[8]。除此之外，外排泵的相关研究也表明，在大肠埃希菌中AcrAB-TolC的高表达会增加抗生素耐受性，减少了大肠埃希菌的错配修复，导致了自发突变从而产生耐药性[9]。耐受性和耐药性之间的联系被发现后，更加突出了寻找能够消除耐受菌的化合物的重要性[10]。虽然始终保持抗生素浓度高于生长抑制水平非常具有挑战性，但是可以防止抗性突变体的扩增并破坏耐受性/耐药性循环[8]。由于耐受性细菌在高浓度抗生素存在的环境中存活的时间较长，因此随后获得抗性突变的机会更大。研究已经表明耐受性会先于耐药性出现，并且耐受性会增加耐药性突变在群体中传播的机会。因此，耐受突变为随后的耐药性快速进化铺平了道路。防止耐受的演变可能为延迟耐药性的出现提供新的策略，降低耐受性的新药或药物组合可能会帮助减缓耐药性的进化。临床上耐受性的出现也导致感染性疾病的反复发作和不能完全治愈的情况，并且许多持续性感染与细菌的耐受相关，例如尿道致病性大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌及铜绿假单胞菌等。目前在临床中经常忽视耐受性的重要性，对临床细菌药物耐受的研究远远不如细菌耐药普遍，但是将来应该对其进行深入研究，并且更准确地针对这些因素来提高治愈率，降低获得性耐药率。内容由凡默谷小编查阅文献选取，排版与编辑为原创。如转载，请尊重劳动成果，注明来源于凡默谷