抗生素耐藥性的來源與控制對策

大量研究表明，抗生素的使用和抗生素抗性的蔓延呈現密切的相關性，而且環境微生物的抗性可通過基因橫向轉移向人類致病菌擴散，最終可能導致超級細菌的爆發，直接影響人類健康。為了應對全球性的抗生素抗性問題，人類應採取怎樣的控制對策？文章將予以解讀。

作者：朱永官歐陽緯瑩 吳楠 蘇建強 喬敏

來源：《中國科學院院刊》2015年第4期

抗生素的發現和大規模生產與使用是人類醫學史上的巨大進步，挽救了數以億計的病人。自1928年弗萊明發現青黴素以來，歷史上曾有3次諾貝爾醫學或生理學獎頒給了發現抗生素的科學家。除臨床使用外，1950年美國食品與藥品管理局（FDA）還首次批准抗生素可作為飼料添加劑，抗生素因此被全面推廣應用於動物養殖業，在預防和治療動物傳染性疾病，促進動物生長及提高飼料轉化率等方面發揮了重要作用。而幾乎在20世紀40年代第一代青黴素開始使用之時，就出現了細菌對其的耐藥性，科學家也意識到抗生素的耐藥性問題。

事實上，抗生素耐藥性是微生物的一種自然進化過程，但是在迄今的70年間，由於抗生素在醫療及養殖領域的大量使用，甚至濫用，這一進化過程被大大加快，導致抗生素耐藥性的不斷發展，在人類致病菌、動物致病菌、動物腸道傳染病原體及人與動物共生菌中都出現了抗生素耐藥性，並且由單一耐藥性發展到多重耐藥性。

近年來，耐藥性病原菌特別是多重耐葯菌的增多與人類研發新型抗生素進展緩慢間的矛盾日益凸顯，有學者驚呼，人類即將進入無葯可用的後抗生素時代"或"耐葯時代"。根據英國首相專門任命的一個獨立研究委員會的報告指出：如果抗生素耐藥性得不到有效控制，至2050年全球每年耐葯感染的死亡人數可達1 000萬，遠遠超出癌症所導致的死亡數。從經濟角度講，至2050年抗生素耐藥性將造成的全球GDP損失累計達100萬億美元。由於耐藥性的蔓延及其健康危害，抗生素已成為全球緊缺的不可再生資源。

我國作為抗生素的生產和消費大國，由於長期不合理的使用及嚴格監管的缺乏，所導致的抗生素耐藥性問題十分嚴峻，耐葯感染性疾病已成為當前臨床感染性疾病死亡的主要原因，亟需從國家戰略的高度加以重視和採取積極有效的應對策略，一方面避免新的耐藥性產生，另一方面阻止已經存在的耐藥性傳播，從而維護人體健康和生態系統安全。

抗生素的抗性1

抗生素耐藥性是指一些微生物亞群體能夠在暴露於一種或多種抗生素的條件下得以生存的現象，其主要機制包括：（1）抗生素失活。通過直接對抗生素的降解或取代活性基團，破壞抗生素的結構，從而使抗生素喪失原本的功能；（2）細胞外排泵。通過特異或通用的抗生素外排泵將抗生素排出細胞外，降低胞內抗生素濃度而表現出抗性；（3）藥物靶位點修飾。通過對抗生素靶位點的修飾，使抗生素無法與之結合而表現出抗性。

微生物對抗生素的耐性是自然界固有的，因為抗生素實際上是微生物的次生代謝產物，因此能夠合成抗生素的微生物首先應該具有抗性，否則這些微生物就不能持續生長。這種固有的抗生素耐藥性，也稱作內在抗性（intrinsic resistance），是指存在於環境微生物基因組上的抗性基因的原型、准抗性基因或未表達的抗性基因。這些耐葯基因起源於環境微生物，並且在近百萬年的時間裡進化出不同的功能，如控制產生低濃度的抗生素來抑制競爭者的生長，以及控制微生物的解毒機制，微生物之間的信號傳遞，新陳代謝等，從而幫助微生物更好地適應環境。因此，抗生素耐藥性的問題其實是自然和古老的。科學家在北極的凍土中提取到3萬年前的古DNA，從中發現了較高多樣性的抗生素抗性基因，而且部分抗性蛋白的結構與現代的變體相似，也證實了抗生素耐藥性問題是古老的。

雖然一些抗生素抗性微生物和抗性基因很早就存在於自然界，但是抗生素大規模的生產和使用加速了固有抗性微生物和抗性基因的擴散，極大地增加了抗生素耐藥性的發生頻率。抗生素耐葯基因的存在往往與抗生素的使用之間存在良好的相關性。由外源進入並殘留在環境中的抗生素對環境微生物的耐藥性產生選擇壓力，攜帶耐葯基因的具有抗性的微生物能存活下來並逐漸成為優勢微生物，並不斷地將其耐葯基因傳播給其他微生物。眾多研究證實抗生素耐葯基因具有較高的移動性，主要是通過基因水平轉移（Horizontal gene transfer，HGT）機制，又稱基因橫向轉移（Lateralgene transfer）。即藉助基因組中一些可移動遺傳因子，如質粒（plasmids）、整合子（integrons）、轉座子（transposons）和插入序列（insertion sequences）等，將耐葯基因在不同的微生物之間，甚至致病菌和非致病菌之間相互傳播。環境中擁有基因橫向轉移等內在機制的微生物組成一個巨大的抗性基因儲存庫，並可能將抗生素耐藥性轉移到人類共生微生物和病原體中。醫學專家很早就指出，抗生素的廣泛使用導致了內源性感染和細菌耐藥性的增加。而通過宏基因組學的研究方法，科學家在人類腸道微生物群中也發現了高丰度、高多樣性的抗生素耐葯基因，也印證了這一觀點。

已有文獻和相關統計資料顯示，我國是抗生素的生產和消費大國，2007年的一項調查顯示，我國抗生素原料生產量約為21萬噸，其中有9.7萬噸（占年總產量的46.1%）的抗生素用於畜牧養殖業，2009-2010年畜用抗生素的年消耗量均接近10萬噸，遠超其他國家。全球範圍來看，至少50%的抗生素都是用於養殖業，美國年畜用抗生素的消耗量從2002年的9 300噸增至2006年的11 200噸。歐盟實施"限抗令"後，畜用抗生素年消耗量從2002年的5 000噸降至2006年的3 800噸。據預測，我國養殖業抗生素佔全球消費總量的比重將從2010年的23%升至2030年的30%。在美國，獸用抗生素甚至是人用的4倍，世界衛生組織的調查表明，當前增加人和動物感染風險的抗生素基本屬於同一類。

由於抗生素在醫療以及養殖業中的大量使用，導致環境中出現了大量抗性污染熱點區，抗性基因可以通過多種直接或間接的傳播途徑在其間擴散並最終進入水體和土壤。其中，城市污水處理廠和集約化養殖場是最為關鍵和主要的傳播途徑。主要污染源有3種。

（1）人類使用抗生素導致醫療廢水和生活污水中富含大量耐葯菌及其抗性基因，尤其是醫療廢水被認為是豐富的整合子基因庫。因此城市污水處理廠的集中處理就成為抗生素耐葯菌和抗性基因傳播的重要源頭。研究表明，污水處理廠的進水、出水和污泥中均存在高丰度和極其多樣的抗性基因，且污水處理廠的出水會引起受納水體環境中抗性水平的顯著升高。此外，城市污水處理廠的中水回用（農田灌溉和城市景觀用水等）和污泥施肥亦會導致土壤中抗性基因的富集，從而危及公共健康。

（2）集約化養殖業（包括水產養殖）系統中有機廢棄物和污水的排放會直接向環境中釋放大量抗性因子。更為嚴重的是養殖業的環境管理相對粗放，廢棄物處置和循環利用技術的相對低下進一步加劇了污染。研究表明，由於集約化養殖業中抗生素和重金屬添加劑的濫用可使豬糞中抗性基因（導致微生物產生抗生素耐藥性的基因）比背景值富集高達1萬倍。Shah等人研究表明，從三文魚養殖場及其附近海域分離的200株菌中，耐葯菌比例高達81%，並從中檢測到四環素、磺胺、β-內醯胺類等多種抗性基因。

（3）抗生素製藥企業的廢水和廢渣排放。抗生素製藥企業的廢棄物中含有高濃度的抗生素殘留，長期的選擇壓力可以導致其成為豐富的抗性基因儲庫。科學家研究了土霉素生產廠的廢水與廢渣中四環素抗性基因的分布，結果顯示，廢水中的四環素抗性基因比發酵的廢渣中高出2個數量級，且兩者均顯著高於普通城市污水處理中抗性基因的丰度。

由於耐葯菌和抗生素抗性基因污染的廣泛性和嚴重性，如何有效抗擊全球範圍抗生素耐藥性的問題已經得到各國政府和國際機構的高度重視，也被認為是與全球變暖同等重要的全球性挑戰。2013年在英國召開的G8峰會把解決全球抗生素耐藥性作為首要議題來討論。英國2014年啟動的巨額"經度獎"所要解決的6大難題之一就是抗生素的耐藥性。正如世界衛生組織（WHO）指出的「如果今天不採取行動，明天將無葯可用」，人類將進入抗生素髮明之前的「黑暗時代」。

隨著近年來抗生素耐藥性嚴重危害人類健康，各國科學家們開始致力於發展多種策略來抗擊耐藥性。這些策略主要包括大力挖掘和篩選新型抗生素及抗菌藥物、研究新的作用靶點、研發抗生素佐劑等。

（1）新型抗菌藥物及作用靶位

抗菌藥物可分為天然結構的抗生素和人工合成的抗菌藥物。20世紀40-60年代是微生物學家發現抗生素的"黃金時代"，經過多年的密集篩選，天然結構抗生素的發現進入瓶頸。近年來隨著微生物培養技術、宏基因組學、代謝組學以及高通量篩選方法的發展，使得人們再次將目光聚焦於從天然產物中發現新型抗生素。土壤中有約99%的微生物尚未能培養，這使得人們難以獲得其產生的活性物質，而通過採用新興的ichip培養技術，美國與德國科學家從土壤中未培養微生物中篩選出一種新型抗生素Teixobactin，該抗生素可通過與肽聚糖前體Lipid II和磷壁酸的前體Lipid III結合抑制細胞壁的合成，從而殺死多種病原菌，並且細菌很難對該抗生素產生耐藥性。宏基因組學技術是人們獲得未可培養微生物資源的重要手段之一，採用該技術，Brady小組從type-II polyketide合成基因簇超表達產物中分離純化到一種新型抗生素Tetarimycin A，對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）具有抗菌活性。除了傳統的抗生素外，Timothy小組採用CRISPR-Cas技術開發出一類以RNA引導的核酸酶（RNA-guided nucleases，RGNs），RGNs可在DNA水平以特異的DNA序列如抗性基因或細菌毒力因子為目標，通過噬菌體或質粒進入病原菌體內使特異的目標基因失活。

除了開發新型抗菌藥物外，科學家們還致力於尋找新的作用靶位蛋白用於開發新型抗菌藥物。採用晶體學方法，已鑒定出多種細菌膜蛋白的晶體結構和功能機制，這些膜蛋白包括病原菌福氏志賀氏菌的脂多糖轉運（Lpt）蛋白、廣泛存在於革蘭氏陽性病原菌的能量轉運蛋白以及革蘭氏陰性菌的分泌獨立因子的關鍵蛋白。這些蛋白晶體結構的解析為針對這類蛋白篩選或設計新的抗菌葯提供了理論基礎。

（2）抗生素佐劑

抗生素佐劑是指一類本身並不具有抗菌功能，但可與抗生素協同作用，促進抗生素對於細菌尤其是抗性細菌的殺菌活性的化合物。抗生素佐劑的研製和使用可以大大延長現有抗生素的使用壽命，這類化合物可以分為針對細菌抗性基因和細菌毒力因子的藥物。

Wright小組從1 065種現有的非抗生素藥物中篩選出69種可與二甲胺四環素協同作用的藥物，這些藥物可顯著降低二甲胺四環素的最小抑制濃度，並在體內和體外實驗中均表現出對多重耐葯菌株的抗菌活性；該小組還篩選出多種抗生素抗性激酶抑製劑，其中黃酮醇槲皮素表現出最強的廣譜活性，可抑制由蛋白激酶引起的抗生素耐藥性。最近他們還從一株真菌Aspergillus versicolor的代謝產物中篩選出一個可抑制金屬β-內醯胺酶（MBLs）活性的化合物Aspergillomarasmine A。該化合物可抑制包括超級細菌的抗性基因NDM-1的耐葯活性，從而恢復碳青黴烯抗生素的殺菌活性。此外，人們還發現多種可抑制細菌外排泵的化合物，可降低細菌外排泵的活性、增加抗生素在細菌體內的濃度從而殺死細菌。

與傳統抗菌藥物不同的是，抗細菌獨立因子的藥物直接使病原菌特異的毒力因子失活，使其喪失致病能力，病原菌在這種狀態下將更容易被抗生素殺死，而且人體的免疫系統和有益微生物將更容易殺死這類病原菌。Curtis等人採用高通量篩選從15萬種小分子化合物中篩選出一種化合物LED209，該化合物可與多種重要病原菌毒力因子表達的信號受體QseC結合，從而使病原菌不能表達毒力因子。脂多糖是許多病原菌內毒素的成分，LpxC是其合成的關鍵酶，針對LpxC的抑製劑可抑制毒性脂多糖的合成，從而降低鮑氏不動桿菌的致病性。

除了上述兩方面的研究外，目前關於抗擊抗生素抗性的研究還包括：（1）捕食性微生物的研究；（2）抗菌肽的開發；（3）噬菌體；（4）通過基因編碼技術發展新的酶；（5）金屬離子，如銅和銀製劑的開發等。

為有效應對全球抗生素耐藥性的蔓延及其對人類健康的影響，建議採取如下對策與措施：

（1）分別在全球和國家層面建立跨部門的抗生素耐藥性控制委員會（「耐葯委」），協調和管理抗生素的生產，人獸使用，廢棄物處置及最終向自然環境排放的整個生命周期，該機構的職能包括制定相關政策、規範和監督等。

（2）在「耐葯委」的框架下建立快速和透明的抗生素耐藥性監測體系，涵蓋醫院、養殖業、污水處理廠等。

（3）建立抗生素藥物創新基金，通過政府和企業的聯合，加快新型藥物的研製；同時加強知識產權保護，使新葯創製走上可持續之路。

（4）加強抗生素耐藥性相關的基礎與應用研究，包括耐藥性發生和傳播的生態學機制，消除和緩解耐藥性發生和傳播的環境技術及其系統解決方案等，包括改進污水處理廠的處理工藝，削減出水中抗性基因和抗性菌的比例。

（5）加強抗生素耐藥性的科普宣傳，提高全社會對耐藥性的認知能力，從而在源頭上有效控制抗生素在農業和醫療方面的濫用及其環境污染。