夏 強(qiáng)(綜述) 萬康林*(審校)
(1 南華大學(xué)病原生物研究所,湖南 衡陽421001;2中國疾病預(yù)防控制中心傳染病預(yù)防控制所/傳染病預(yù)防控制國家重點實驗室,北京 102206)
結(jié)核分枝桿菌對二線藥物耐藥性及機(jī)制研究進(jìn)展
夏 強(qiáng)1,2(綜述) 萬康林2*(審校)
(1 南華大學(xué)病原生物研究所,湖南 衡陽421001;2中國疾病預(yù)防控制中心傳染病預(yù)防控制所/傳染病預(yù)防控制國家重點實驗室,北京 102206)
結(jié)核分枝桿菌;藥物耐藥;機(jī)制;研究進(jìn)展
結(jié)核病耐藥性的產(chǎn)生和傳播已成為全球公共衛(wèi)生工作的焦點。世界衛(wèi)生組織(WHO)最新統(tǒng)計顯示,全球有39萬~51萬例耐多藥結(jié)核?。╩ulti-drug-resistant tuberculosis,MDR-TB),其中50%分布在印度和中國[1]。MDR-TB指結(jié)核分枝桿菌至少同時對異煙肼、利福平耐藥。WHO指出,初治結(jié)核病治愈率能夠達(dá)到95%以上,雖然MDR-TB可以選用個體化治療方案,但治愈率不會超過60%~70%,且治療時間是初治病例的4~5倍,治療成本是初治病例的50~200倍。
2005年南非發(fā)現(xiàn)首例廣泛耐藥結(jié)核?。╡xtensively drug-resistant tuberculosis,XDR-TB)。這種廣泛耐藥結(jié)核菌株一出現(xiàn)就引起全球的高度關(guān)注,目前已成為結(jié)核病防治工作的最大難題和挑戰(zhàn)。XDR-TB是指在MDR-TB的基礎(chǔ)上對任何一種喹諾酮類藥物以及至少對二線結(jié)核藥物中三種注射藥物卷曲霉素、卡那霉素和阿米卡星之一具有耐藥性的結(jié)核病。目前,全球已有58個國家和地區(qū)報告發(fā)現(xiàn)此類病例[1],另外人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)的廣泛蔓延也造成XDR-TB 病例迅速增加。遏制XDR-TB的困難在于采用傳統(tǒng)的藥敏試驗進(jìn)行確診需要4~8周時間,在沒有確診的情況下,常規(guī)的治療方案無效。以至于患者病情在治療期間不斷惡化,極易發(fā)生菌株的擴(kuò)散,后果十分嚴(yán)重。
充分了解二線抗結(jié)核藥物的耐藥流行趨勢、分子機(jī)制、檢測方法對于XDR-TB的及時診斷、早期治療、切斷疾病傳播十分重要。本文將從以上3個方面的研究對常用二線抗結(jié)核藥物進(jìn)行綜述。
根據(jù)藥物的作用機(jī)制、毒副作用、價格將抗結(jié)核藥物劃分為一、二線藥物。一線藥物包括異煙肼、利福平、乙胺丁醇、鏈霉素和吡嗪酰胺。二線藥物包括喹諾酮類藥物、氨基苷類藥物如卡那霉素和阿米卡星、硫代酰胺類藥物如乙硫異煙胺與丙硫異煙胺、卷曲霉素以及對氨基水楊酸等。WHO最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[1],XDR-TB以每年2.5萬~5萬例遞增,不良反應(yīng)小、價格便宜的一線藥物已經(jīng)難以遏制其蔓延,而二線抗結(jié)核藥物耐藥率也不斷攀升。
喹諾酮類藥物是人工化學(xué)合成的抗菌藥。目前環(huán)丙沙星、氧氟沙星、左氧氟沙星、克林沙星等應(yīng)用于各類耐藥結(jié)核病的治療,特別對一線藥物如異煙肼、利福平不敏感的MDR-TB有良好的效果[2]。研究表明結(jié)核病喹諾酮類藥物耐藥與MDR-TB高度相關(guān),在美國和加拿大,4.1% MDR-MTB患者對喹諾酮藥物耐藥[3],香港為19%[4],新加坡則高達(dá)51.4%[5]。此外,Devasia等[6]對2002至2006年間640個結(jié)核病例研究發(fā)現(xiàn)喹諾酮類藥物耐藥多發(fā)生于接受過該類藥物治療的患者,連續(xù)使用10d以上,特別是超過60d的患者產(chǎn)生耐藥的危險性最高。還有研究表明結(jié)核分枝桿菌北京基因型較易產(chǎn)生喹諾酮耐藥[7]。
卡那霉素和阿米卡星是治療XDR-TB最重要的氨基苷類注射藥物?;颊邔敲顾?、阿米卡星的耐藥主要為獲得性耐藥。據(jù)報道,我國卡那霉素的耐藥率為10.5%[8];而韓國只有1.4%[9]。
乙硫異煙胺與丙硫異煙胺為異煙酸的衍生物,是最常見的硫代酰胺類藥物,抑菌作用僅為異煙肼的 1/10~1/5。乙硫異煙胺和丙硫異煙胺是同一種活性物質(zhì)的兩種不同形式,與其他二線藥物相比,該類藥物在臨床治療使用后較易出現(xiàn)耐藥。de Kantor等發(fā)現(xiàn)未使用抗結(jié)核藥物治療患者對乙硫異煙胺、卷曲霉素、卡那霉素的耐藥率分別為13.2%、4.8%、4.2%,而經(jīng)過上述3種藥物治療3個月后,耐藥率分別為86%、40%、16.7%[10]。研究還發(fā)現(xiàn),在MDR-TB患者中乙硫異煙胺耐藥尤為突出,目前認(rèn)為可能與異煙肼發(fā)生了交叉耐藥所導(dǎo)致[11]。因此,有學(xué)者建議既往接受乙硫異煙胺、丙硫異煙胺治療的結(jié)核病患者,必須進(jìn)行藥敏試驗,以免造成抗結(jié)核方案的藥物不足[12]。
卷曲霉素及其類似藥物紫霉素是治療XDR-TB較為理想的環(huán)肽類藥物,臨床中該類藥物一般協(xié)同其他藥物使用。卷曲霉素對靜止期的結(jié)核分枝桿菌最有效,且毒副作用較其他二線藥物小[13]。體外抗菌試驗顯示:卷曲霉素的最低抑菌濃度(MIC)為2.5μg/mL,有著極強(qiáng)的抑菌作用,依照>10μg/mL為耐藥界限,其耐藥率在抗結(jié)核藥物中較低。WHO韓國參比實驗室對11939株結(jié)核分枝桿菌研究顯示:卷曲霉素的耐藥率僅為1.0%,卡那霉素和阿米卡星為1.9%,喹諾酮類為4.4%[14]。
該藥投入臨床較早,因其副作用較大被異煙肼所取代。近年來,由于對該藥進(jìn)行了改良,使其副作用減弱,被用于預(yù)防耐異煙肼菌群產(chǎn)生。目前,臨床上對氨基水楊酸的使用頻率不高,對氨基水楊酸耐藥發(fā)生率也較低,僅為2.8%[15]。
從上述數(shù)據(jù)分析,二線抗結(jié)核藥物耐性形勢不容樂觀,特別是治療MDR-TB、XDR-TB不可或缺的喹諾酮藥物,且復(fù)治結(jié)核患者耐藥率明顯高于新發(fā)病例。值得思考的一個問題是耐藥菌株是如何產(chǎn)生的?結(jié)核分枝桿菌耐藥突變株的自然變異率極低,異煙肼為3.5×10-6,利福平為3.1×10-8,病灶中出現(xiàn)耐兩種以上藥物的野生突變株概率僅為9×10-14。由此可見,MDR-TB、XDR-TB的產(chǎn)生最有可能是由于化療方案不合理、患者依從性差、藥物質(zhì)量欠佳等人為因素導(dǎo)致的獲得性耐藥。
目前的研究認(rèn)為結(jié)核分枝桿菌耐藥性機(jī)制主要有:①染色體突變介導(dǎo)的耐藥,藥物靶點的編碼基因發(fā)生突變,改變了藥物作用靶位;②細(xì)胞膜通透性改變,藥物通透性降低,產(chǎn)生降解或滅活酶類。目前研究的熱點集中在藥物靶點的編碼基因突變或缺失導(dǎo)致結(jié)核分枝桿菌的耐藥。
DNA解旋酶是喹諾酮類藥物作用結(jié)核分枝桿菌的靶點。該酶是一種與DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄有關(guān)的Ⅱ型拓?fù)洚悩?gòu)酶,編碼基因為gyrA和gyrB,活性產(chǎn)物是由兩個A亞基和兩個B亞基組成的四聚體,A亞基可以切斷DNA雙鏈,使松弛狀態(tài)的DNA雙鏈進(jìn)入負(fù)超螺旋狀態(tài),便于DNA進(jìn)一步復(fù)制;B亞基能夠水解ATP,為A亞基松解超螺旋提供能量。喹諾酮類藥物的水解產(chǎn)物能與DNA解旋酶和DNA形成三聯(lián)復(fù)合物,干擾細(xì)菌DNA解旋酶與DNA雙鏈的結(jié)合,從而抑制DNA復(fù)制、修復(fù)、重組,從而達(dá)到抗菌效果。
目前認(rèn)為,結(jié)核分枝桿菌對喹諾酮產(chǎn)生耐藥主要與gyrA發(fā)生突變有關(guān)。突變主要集中于74至113位核苷酸之間的保守序列,即喹諾酮類藥物耐藥決定區(qū)[16]。DNA序列分析顯示,gyrA基因突變的氨基酸位點有74、80、83、88、90、91、94、95、102、109,其中最常見的為94位點,其突變形式為Asp-Gly、Asp-Asn、Asp-Ala、Asp-Tyr;其次為90、91、102。而gyrB基因的突變相對較少,發(fā)生的位點有472、481、505、510、511和512,其中510位點的突變較為常見,突變形式為Asn-Asp[17]。
DNA解旋酶的突變位點與喹諾酮類藥物的耐藥程度密切相關(guān)。90位點Ala-Val突變,最低抑菌濃度(MIC)值上升16倍;94位點Asp-Asn或 His-Tyr突變,MIC值上升30倍,94位點Asp-Gly突變,MIC值上升60倍。此外,gyrA基因多位點的錯義突變或gyrA、gyrB同時發(fā)生點突變,MIC值上升32倍以上[18]。
有一些喹諾酮耐藥菌株并不存在DNA解旋酶突變,提示有其他的耐藥機(jī)制存在。如外排泵基因Rvl634,該基因的過度表達(dá)可引起細(xì)菌對氟喹諾酮藥物的敏感性降低[19],呈現(xiàn)低度耐藥。
卡那霉素和阿米卡星主要作用于核蛋白體16S rRNA,其編碼基因為rrs。16S rRNA的序列高度保守,參與A位點tRNA核糖體的譯碼過程,在RNA轉(zhuǎn)譯中起重要作用,其立體構(gòu)象決定了校正的控制。如果rrs發(fā)生突變,將會降低藥物結(jié)合到核糖體上的能力,使之發(fā)生耐藥。目前發(fā)現(xiàn),rrs基因的1401、1402、1408、1483位核酸突變與卡那霉素、阿米卡星的耐藥相關(guān),其中第1401位A-G點突變可以作為高度耐藥的一個重要標(biāo)識[20]。
氨基苷類藥物間由于有相同的耐藥基因極易產(chǎn)生完全或部分交叉耐藥。一線藥物鏈霉素與卡那霉素和阿米卡星間沒有發(fā)現(xiàn)交叉耐藥,而阿米卡星與卡那霉素具有交叉耐藥。Kruuner等研究發(fā)現(xiàn),有些結(jié)核分枝桿菌株對卡那霉素耐藥,對阿米卡星敏感;但對阿米卡星耐藥一定合并卡那霉素耐藥,這種現(xiàn)象可能與rrs基因的1401位點尚未突變有關(guān)[21]。
乙硫異煙胺、丙硫異煙胺是藥物的前體,它們進(jìn)入體內(nèi)需要經(jīng)過一系列生化反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì),因此活化過程中關(guān)鍵酶的突變即可引起耐藥。硫代酰胺類藥物進(jìn)入體內(nèi)首先由單加氧酶激活,該酶的編碼基因為EthA,該基因突變會阻礙ETH-NAD結(jié)合,導(dǎo)致細(xì)菌耐藥。Ndh基因編碼Ⅱ型NADH脫氫酶,該基因突變會影響NADH氧化為NAD+,也會影響ETH-NAD二者的結(jié)合。
有學(xué)者發(fā)現(xiàn)分枝菌酸的生物合成對硫代酰胺類藥物的敏感性至關(guān)重要[22]。InhA編碼依賴NADH烯?;d體蛋白還原酶,參與分枝菌酸合成系統(tǒng)。該基因突變引發(fā)細(xì)胞中NADH/NAD+比例增高,導(dǎo)致ETH-NAD+與InhA結(jié)合障礙。另外,編碼分枝菌酸的合成系統(tǒng)中第一個關(guān)鍵酶的編碼基因mshA突變會引起對異煙肼和乙硫異煙胺產(chǎn)生耐藥,二藥的MIC值分別增高2~16倍和4~8倍,并且突變與二藥交叉耐藥相關(guān)。
乙硫異煙胺和丙硫異煙胺與異煙肼也存在交叉耐藥,但是耐藥機(jī)制還沒有定論,目前主要有3種觀點:①inhA基因發(fā)生突變[22,23];②inhA基因過度表達(dá)[22,24];③NADH的濃度增高,導(dǎo)致NADH/ NAD+比值增大,抑制ETH-NAD+與InhA結(jié)合[25]。此外,硫脲類抗結(jié)核藥物如氨苯硫脲、戊氧苯硫脲等結(jié)構(gòu)與乙硫異煙胺相似,進(jìn)入體內(nèi)同樣也需要單加氧酶激活,二者存在交叉耐藥[26]。
卷曲霉素及其類似藥物紫霉素能夠阻斷tRNA從A位向P位的轉(zhuǎn)運(yùn)、引起mRNA翻譯起始的抑制及異常校讀。其耐藥的分子機(jī)制主要為甲基轉(zhuǎn)移酶的編碼基因tlyA發(fā)生突變。研究發(fā)現(xiàn),tlyA能夠?qū)?6S rRNA 和23S rRNA進(jìn)行甲基化修飾,增強(qiáng)對卷曲霉素的敏感性[27],一旦tlyA發(fā)生基因突變,卷曲霉素將會產(chǎn)生耐藥。目前,發(fā)現(xiàn)tlyA突變的核酸位點有7、26、40、52、64、200、205、218、272、708、712、75、67-69、673-674。
研究顯示,氨基糖苷類藥物與卷曲霉素、紫霉素之間存在交叉耐藥[28]。rrs基因的1401位核酸位點突變會引起結(jié)核分枝桿菌對卷曲霉素、卡那霉素和阿米卡星耐藥,但對紫霉素敏感;1402和1484位點突變與卡那霉素、卷曲霉素及紫霉素耐藥相關(guān)。由于氨基苷類藥物和環(huán)肽類藥物均可以干擾16S rRNA作用,WHO在XDR-TB給藥方案中指出,使用這兩類藥物治療前必須進(jìn)行藥敏試驗[8]。有學(xué)者也建議,上述兩類藥物在耐藥方面可視為同一類藥物:即對其中一類藥物耐藥時,不能使用另一類藥物[28]。
對氨基水楊酸的耐藥機(jī)制與磺胺類藥物相似,可以競爭性抑制對氨基苯甲酸,阻礙結(jié)核分枝桿菌的葉酸合成。胸腺嘧啶核苷酸合酶基因是細(xì)胞內(nèi)葉酸鹽水平的關(guān)鍵因子,其編碼基因為thyA,它能使甲基化dUMP轉(zhuǎn)變?yōu)閐TMP,耐藥菌中該酶的活性降低[29]。Mathys研究顯示[30]:在118株臨床標(biāo)本中,37%的耐藥株存在thyA突變,且突變與用藥劑量密切相關(guān);63%的耐藥株中并沒有thyA基因發(fā)生突變,提示對氨基水楊酸的耐藥還可能有其他機(jī)制。
綜上所述,XDR-TB的出現(xiàn)為結(jié)核病的防控帶來極其嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),隨著二線抗結(jié)核藥物耐藥率不斷攀升,現(xiàn)有藥物已很難達(dá)到理想的效果,合并HIV感染后,XDR-TB的治療將更為困難。從目前的研究結(jié)果分析,結(jié)核分枝桿菌的耐藥機(jī)制主要為相關(guān)藥物的靶點基因缺失、突變進(jìn)而引起相應(yīng)酶的失活或過度表達(dá),但是很多耐藥的發(fā)生還不能用現(xiàn)有理論解釋。
因此,進(jìn)一步探索結(jié)核桿菌的耐藥機(jī)制、了解基因與耐藥之間的關(guān)系,有助于研究新一代結(jié)核藥物及建立更為快速、簡便、可靠的耐藥性檢測方法,為指導(dǎo)XDR-TB的治療奠定堅實的分子基礎(chǔ)。
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R378.91+1
B
1671-8194(2011)05-0044-04
國家“十一五”重大傳染病防治科技重大專項“結(jié)核病傳播模式研究”(結(jié)核病分子流行病學(xué)研究)(2008ZX100/03-010-02)
*通訊作者:E-mail:wankanglin@icdc.cn