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人类与病原菌的军备竞赛：NDM-1耐药基因与超级细菌 |
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3 细菌耐药基因的来源
抗生素的发明和大量制造使它成为人类抵御细菌感染类疾病的主要武器。一时间许多曾经导致人们死亡的疾病变得不再可怕。可就在人们凭借着抗生素一次又一次战胜各种病原菌的时候，殊不知这些在自然界生存了30多亿年的微生物怎会如此轻易地投降？这群微小的敌人正在孕育着一场反击……
3.1 细菌的耐药机制
抗生素 (Antibiotic) 是由微生物或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物，能够干扰或抑制病原体的生长和存活。但迄今为止所开发的上百种抗生素之间却有着不尽相同的药理途径。如青霉素等β-内酰胺类抗生素就是通过抑制细菌细胞壁的合成而起到杀菌效果的；而其他一些抗生素则通过抑制细菌蛋白质的合成 (如大环内酯类)、核酸的复制 (如喹诺酮类) 和转录 (如利福霉素类) 以及干扰细菌代谢途径 (如磺胺类) 等方式杀灭细菌的。
抗生素类药物的种类之所以如此繁杂，正是因为一种抗生素只能对一类或几类细菌有抑制效果。一些细菌经过长期的繁衍和进化，对某些外界的不良环境具有天然的抗性，而它们中的耐药基因恰恰可以抵御某些抗生素的抑制作用。目前，革兰氏阴性菌的抗生素耐药性就发现了以下几种机制：1) 防渗屏障：某些细菌具有非渗透性的细胞膜，或者缺乏某些抗生素的作用位点，因而对这类抗生素具备固有的抗性。2) 多重耐药性外排泵 (Efflux pump)：这些外排泵可以直接将进入细胞的抗生素、重金属或其他毒性分子排出胞外；或经主要易化超家族 (Major facilitator superfamily，MFS) 的转运子先将抗生素释放到周质空间，再排出细胞外。3) 耐药性突变：某些改变抗生素的靶蛋白突变能在细胞内的其他功能蛋白不受影响的同时，改变抗生素结合位点的构型，使抗生素不能识别。例如：DNA拓扑异构酶发生突变，能够抵御喹诺酮类抗生素；RNA聚合酶B亚基的突变可导致对利福平的耐药；若突变点位于细菌30S核糖体亚基S12则会对链霉素不再敏感。4) 使抗生素失活：导致抗生素失活的方式可以通过钝化酶对抗生素进行共价修饰，如乙酰转移酶的催化可使氨基糖苷类抗生素失去效用；或者是分泌某些灭活酶直接将抗生素降解。这次震惊世界的“超级细菌”就是利用blaNDM-1基因所表达的金属β-内酰胺酶对碳青霉烯类抗生素的降解作用而形成超强耐药的。
3.2 自然环境中的耐药基因
在种类繁多的微生物大军中，不同病原菌生理和功能的差异使得新的抗菌药不断被开发，同时又不断地失效用。同时，多重耐药菌接二连三的出现又表明顽固的病原菌在适者生存的进化规律下，不再只有单一的耐药机制，它们已经在自然环境中获得了更多的耐药基因。如同抗生素来自于自然界的放线菌和真菌一样，目前绝大多数的耐药菌体内的耐药基因也都有各自的环境来源。依照大自然相生相克的平衡法则，不难理解许多分泌抗生素的微生物本身也具有抵御自身抗生素的能力；它们的基因簇中往往就含有相应的耐药基因，以保护自身在对抗竞争者的同时不受损害。但令人奇怪的是，一些不产生抗生素的细菌也渐渐具有了某些耐药因子。一种合理的解释是，细菌的某些基因位点发生突变而获得了耐药性，从而在相应抗生素存在的环境中得以存活下来。可是，基因突变的频率十分有限，因而要产生像“超级细菌”这样复杂的耐药菌还得依赖于微生物的又一遗传特性——水平基因转移 (Horizontal gene transfer，HGT)。许多耐药基因已在转座子、整合子或质粒中被发现，这些基因可以通过细菌细胞间的转化和接合等方式转移给其他相同或不同的菌株，或是借助溶源性噬菌体转导而整合到受体菌的基因组内。最早发现表达NDM-1的肺炎克雷伯杆菌Klebsiella pneumoniae 05-506就是在一段已有多种耐药基因排列的整合子下游插入了blaNDM-1基因，从而获得了广泛的抗生素耐药性。可见，这些可怕的病原菌正在通过水平基因转移积累着越来越多的耐药基因。
在来自环境的耐药基因中，有一些原本并不是针对抗生素的。例如许多生物的细胞膜上都具有多重耐药性外排泵，而这些外排泵元件相对于排出抗生素，更多的是参与细胞中间代谢产物的解毒和信号传导。一些抗性基因往往在其原始宿主内充当着调控与代谢网络的一部分，但当这些基因迁移到其他菌种时，难以很快地融入新的系统中去，因而在新的宿主中仅因耐药功能而被保留。比如，斯氏普罗威登斯菌Providencia stuartii产生的2’-N-乙酰转移酶，可以修饰细菌肽聚糖，而庆大霉素与该酶的底物相似性使它也同样可以被修饰。但如果编码该酶的基因通过质粒转移到其他菌种中，因为离开了原本的生化环境，就可能只剩下对庆大霉素的抗性了。另外，生存环境的改变也常常导致微生物抗性的进化。自然环境为微生物提供了一个巨大的耐药基因文库，环境的改变、人类的活动、动物的迁徙等都可能影响到细菌的种群动态进化，产生未知的耐药基因。而此时，新出现的耐药基因对生态系统以及人类健康的影响则是难以预知的。
3.3 滥用抗生素
自抗生素问世以来，细菌等微生物就与抗生素之间不断博弈，形成了几近鲜明的敌对关系。如果说，自然环境中广泛存在的耐药基因是病原菌产生耐药的内在因素，那么临床上的抗生素滥用以及环境中的抗生素污染无疑是现今耐药菌泛滥的外在动力。几十年前，青霉素曾经是最有效的抗生素，但现在同样的感染，使用过去几十倍剂量的青霉素也很难获得相同的疗效。据国内不完全统计，一些细菌的青霉素耐药性已经高达70％以上，就连近十年才研制出的头孢类、左氧氟沙星类等新生代抗生素，细菌的耐药性也高达30％~50％，是抗生素的滥用最终导致了耐药菌的增多。因为，具有抗生素效用的分子在治疗浓度下虽然能暂时地抑制病菌的扩散，但长期施用就可能对环境起到截然不同的作用，即低浓度的抗生素可以引发不依赖于细菌应激系统的特异性转录变化，使它们调整与微生物群落间的相互作用，从而更加适应药物环境。其实，就连Fleming本人也早在1945年的《纽约时报》中警告过人们不要滥用青霉素，他指出：“如果使用剂量与所对抗的细菌数量相比太少，细菌会反克青霉素从而产生抗药性”。遗憾的是，人们只看到了抗生素所带来的一时便利，而忽视了Fleming的忠告。在面临抗生素的巨大压力时，细菌通常比较稳定的DNA聚合酶往往容易产生更多的错误。这些错误会在自身复制时造成功能变异。其中一些有益于生存的变异，如耐药基因，就可能在后代中形成稳定遗传，从而将这些新特性保留下来。事实上，水平基因转移所导致的耐药性，也都是由于不合理的抗生素施用所带来的选择压力间接促成的。所以，抗生素对细菌来说具有杀菌武器和刺激耐药性产生的双重功效。
在抗生素时代的前50年中，人类不仅在医疗和生活中无度地使用抗生素，而且在渔业、畜牧业中广泛用作疾病预防和营养添加剂的抗生素数量更是大得惊人。由此产生的耐药菌会经排泄物等掺入土壤和尘埃，再通过风、水等自然动力反馈给人类。虽然明升手机版和工业的发展让我们有能力不断地研制出新的抗生素，但这些病原菌极高的突变率和极快的繁殖速度，再加上可以轻松实现耐药基因的互通有无 (即水平基因转移)，使得它们总能绝处逢生。如此往复，终于衍生出了具有多重耐药性的超级细菌。
