蔡立英/編譯

微生物學(xué)抗擊耐藥性

蔡立英/編譯

當(dāng)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌感染坦帕灣海盜隊時，美國橄欖球界感受到了抗菌藥物效力日益衰退帶來的恐懼

● 科學(xué)回歸自然界，去破譯和瓦解病菌逃避抗菌藥物的機(jī)制。

2013年10月20日，周日，美國橄欖球亞特蘭大獵鷹隊打敗了坦帕灣海盜隊。那天的比賽在亞特蘭大鬧市區(qū)心臟地帶的喬治亞穹頂體育場舉行，它不是因為比賽的精彩而被人們記住——兩支隊伍都在聯(lián)賽中墊底，而是因為賽后發(fā)生的事情上了新聞頭條。另一支“參賽隊伍”——穿的不是橄欖球隊服而是白色危險品防護(hù)服，進(jìn)入了賽場并且對海盜隊使用的更衣室進(jìn)行了徹底的消毒。

追溯海盜隊在佛羅里達(dá)州訓(xùn)練的時候，若干名隊員就已經(jīng)染上了耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)，這是一種正變得日益流行的耐藥性細(xì)菌——短短五年之內(nèi)，美國被這種細(xì)菌感染的住院患者數(shù)量就翻了一倍。獵鷹隊的官員擔(dān)心MRSA已經(jīng)從他們的對手海盜隊的皮膚搭便車傳給了亞特蘭大獵鷹隊。不只是海盜隊擔(dān)心感染 MRSA。 MRSA和其他葡萄球菌感染是如此常見，以至于美國的中學(xué)和大學(xué)會常規(guī)地監(jiān)測它們。例如，北卡羅來納州的教堂山中學(xué)在其摔跤手冊中，就警告年輕運(yùn)動員 “如果發(fā)現(xiàn)皮膚上有不尋常的斑點(diǎn)，要立即報告教練，”并且補(bǔ)充道：“為了防止感染其他隊員，迅速處理這種異常情況至關(guān)重要。”這所中學(xué)里幾乎每個人都認(rèn)識曾感染過MRSA的人。

然而，我們感染耐抗菌藥物病菌的最大風(fēng)險可能并不來自于人類同胞，而是來自于牛、豬和雞。2011年，美國大約80%的抗菌藥物用于牲畜，使它們在集約化養(yǎng)殖環(huán)境下保持健康，并促進(jìn)牲畜繁殖，因為這種環(huán)境下病菌感染很常見，且傳播迅速（參見“公共衛(wèi)生之抗生素政治”一文）。住在美國頂尖的豬肉生產(chǎn)州——愛荷華州的工廠化養(yǎng)豬場一公里內(nèi)，感染MRSA的幾率增長到近三倍。在英國，生豬養(yǎng)殖在斯塔福德郡和德比郡的擴(kuò)張已經(jīng)引起民眾對失控的耐抗菌藥物病菌的恐懼。

最近幾年，學(xué)術(shù)研究者在一個隱喻的遺傳學(xué)市場中，理解諸如MRSA、耐碳青霉烯腸桿菌科細(xì)菌和其他耐藥性傳播甚廣的病菌如何傳遞逃避抗菌藥物的機(jī)制方面，取得了飛躍性進(jìn)展。

移動的耐藥性

細(xì)菌通過兩種基本途徑形成耐藥性：垂直方向上，通過在細(xì)胞復(fù)制時傳遞突變；水平方向上，耐藥基因在稱為質(zhì)粒的DNA片段上從一個細(xì)胞傳遞到另一個細(xì)胞（參見圖示“抗菌藥物耐藥性傳播的兩種途徑”）?！百|(zhì)粒在基因水平轉(zhuǎn)移（HGT）中是一個主導(dǎo)力量，”華盛頓大學(xué)（位于密蘇里州圣路易斯）的微生物學(xué)家高塔姆·丹塔斯（Gautam Dantas）說，“但是也有基因水平轉(zhuǎn)移能夠發(fā)生的其他重要方式，包括通過噬菌體的作用把染色體的線性部分從一個細(xì)胞轉(zhuǎn)移到其他細(xì)胞，以及從死細(xì)胞中攝取裸露DNA?！被蚴菙z取不再封裝在活的細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，而是裸露在自由環(huán)境中的DNA。許多研究者現(xiàn)在認(rèn)為基因水平轉(zhuǎn)移是產(chǎn)生抗菌藥物耐藥性的主要驅(qū)動力。

“單個的基因會表達(dá)出單個的表型?！钡に拐f，他指的是一個有機(jī)體觀察得到的特征和特質(zhì)?！暗俏覀儾粦?yīng)該認(rèn)為抗菌藥物耐藥基因是獨(dú)自存在的?！比魏我粋€基因都會受到相鄰基因的影響，而且基因常常在基因簇中相互作用。一些基因還會變得更加可移動——擅長從一個細(xì)菌跳躍到另一個細(xì)菌。丹塔斯指出，宏基因組學(xué)方法——即對所有基因進(jìn)行測序，以便“我們能識別出耐藥基因和它們所處的遺傳學(xué)情境”，將有助于我們闡明耐藥機(jī)制，并且辨別那些特別會轉(zhuǎn)移耐藥性或是會與其他耐藥基因共同作用而使其很難定位的基因。就像他解釋的，“這種方法使得我們有可能區(qū)分出不會成為臨床問題的那部分耐藥基因和可能成為臨床問題的那一小部分耐藥基因?！?/p>

丹塔斯把“遺傳上位性”（兩個或更多基因相互影響）這個概念視為一種數(shù)量優(yōu)勢?！拔覀円呀?jīng)看到，比如，從進(jìn)化學(xué)研究中，無論是回顧性的或是前瞻性的研究，那些編碼了耐藥性的特定基因傾向于聚簇在一起。”他說。

通過對耐藥基因及其相互作用方式進(jìn)行分類，丹塔斯希望科學(xué)家們能開始做預(yù)測。例如，某個特定的耐藥基因從一個導(dǎo)致疾病群發(fā)的有機(jī)體轉(zhuǎn)移到一個通常不導(dǎo)致疾病群發(fā)的有機(jī)體的可能性有多大？“這些基因在一個特定的有機(jī)體中表達(dá)出一個特定的表型的概率有多大？”

耐藥性逆轉(zhuǎn)

抗菌藥物濫用的話題并不新鮮，經(jīng)常被暗示為耐藥性產(chǎn)生的原因。所以減少抗菌藥物的使用將會增加抗菌藥物的敏感性看起來似乎合乎邏輯。幾年前，在瑞典的烏普薩拉大學(xué)和韋克舍醫(yī)院，進(jìn)化微生物學(xué)家丹·安德森（Dan Andersson）及其合作者檢驗了這個想法。減少抗菌藥物的使用，要么是通過總體減少——也就是通過減少處方的總用量或是療程長度，要么是使用可控制的特定抗菌藥物。

安德森的研究組嘗試了第二種方法，讓一組病人使用一種抗菌藥物直到產(chǎn)生高水平的耐藥性，然后改變藥方，讓病人使用另一種藥物，希望對第一種藥物的耐藥性會下降。這個實(shí)驗失敗了?！翱傮w而言，我認(rèn)為通過減少抗菌藥物用量的方式很難降低耐藥性，”安德森說，“經(jīng)過一段很長的時間，耐藥性是會降低，但是在很多情況下，耐藥性降低的效果不夠快。從我們醫(yī)學(xué)的立場來看，這種逆轉(zhuǎn)必須在幾年內(nèi)發(fā)生才是有用的?！币坏┠退幮蚤_始產(chǎn)生，就很難停止。

安德森指出，細(xì)菌與抗菌藥物耐藥性在逆轉(zhuǎn)耐藥性這個問題上所需的時間長度并不相同。導(dǎo)致抗菌藥物耐藥性的大多數(shù)機(jī)制對病菌會產(chǎn)生負(fù)面影響，比如減緩其生長，這就是人們所知的“適合度代價”。“這個代價可以非常小，但是幾乎總是存在。也有一些例外是耐藥性細(xì)菌實(shí)際上比易感性細(xì)菌的適合度更大，即使在缺少抗菌藥物的環(huán)境下，這的確令人擔(dān)憂?！痹谶@些情況下，安德森說，“我們根本不會期待耐藥性的逆轉(zhuǎn)，因為那時驅(qū)動耐藥性的逆轉(zhuǎn)沒有代價?！碑?dāng)耐藥性提高了細(xì)菌的適合度之后，這個問題可能會擴(kuò)大，即使不再繼續(xù)使用抗菌藥物。

耐藥性加上適合度的增大，這個聯(lián)合效應(yīng)來自于一個叫做補(bǔ)償進(jìn)化的過程。安德森給出了一個例子：“我們研究了影響蛋白質(zhì)合成的很多抗菌藥物，這些抗菌藥物與核糖體相連；如果耐藥機(jī)制是由于核糖體中的某個蛋白質(zhì)發(fā)生突變，補(bǔ)償?shù)耐蛔兛赡軙诤颂求w的另一個蛋白質(zhì)上發(fā)生?！彼缘谝粋€突變使細(xì)菌產(chǎn)生了耐藥性，但是也使它生存的適合度下降了；第二個突變使細(xì)菌變得更適應(yīng)環(huán)境，而沒有降低其對抗菌藥物的耐藥性。簡而言之，第二個突變在細(xì)菌的生存和繁殖能力方面補(bǔ)償了第一個突變。最終的結(jié)果是細(xì)菌變得比以前更有抗菌藥物耐藥性，而且更適應(yīng)環(huán)境。

總之，逆轉(zhuǎn)耐藥性并不是“我們應(yīng)該指望在未來有可能的事情，”安德森斷定，“它不會拯救我們，我們需要新的抗菌藥物?！彼a(bǔ)充道：“醫(yī)藥行業(yè)和學(xué)術(shù)研究者必須行動起來，研發(fā)新的抗菌藥物，但是這個事情說起來容易做起來難?！?/p>

同樣困難的事情是當(dāng)一定人口的耐藥性頻率達(dá)到一個不再上升的最高值時，讓醫(yī)生停止使用藥物，而醫(yī)生仍然需要替代性藥物。美國埃默里大學(xué)（位于佐治亞州亞特蘭大）人口與進(jìn)化生物學(xué)家布魯斯·萊文（Bruce Levin）及其同事正在研究一個能顯示耐藥性水平何時會下降的模型。

在這個尚未發(fā)表的模型里，萊文與西班牙馬德里的拉蒙-卡哈爾研究所微生物學(xué)家費(fèi)爾南多·巴克羅（Fernando Baquero）以及挪威特羅姆瑟大學(xué)研究細(xì)菌進(jìn)化的帕爾·約翰森（Pal Johnsen）指出，如果使用抗菌藥物直到感染的細(xì)菌達(dá)到目標(biāo)的耐藥性頻率——比方說 20%的細(xì)菌獲得了耐藥性——“我們能把對這種藥物的耐藥性水平保持在可控水平，”萊文說，“如果我們有無數(shù)種藥物，那么效果會很好。”當(dāng)然事實(shí)上我們沒有，不僅缺乏新的抗菌藥物，還存在多藥耐藥菌株的問題，它們對于很多年沒使用的藥物都具有耐藥性。萊文的研究團(tuán)隊在日托中心采集的糞便樣本表明，大約25%的隔離的大腸桿菌對鏈霉素有耐藥性，這種抗菌藥物除了用來治療結(jié)核病之外，已經(jīng)將近半個世紀(jì)沒有作為療法使用了。但是鏈霉素的耐藥基因通過一個質(zhì)粒被載運(yùn)，這個質(zhì)粒對于通常使用的抗菌藥物具有耐藥性?！霸谔喟咐?，耐藥性似乎都停留在這里了?！比R文說。

阻斷通信

新的抗菌藥物可能來源于對細(xì)菌的結(jié)構(gòu)要素和通信網(wǎng)絡(luò)的更深理解，想法是破壞那些導(dǎo)致抗菌藥物耐藥性的成分。日本東京大學(xué)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家濡木理領(lǐng)導(dǎo)的一個研究組去年吸引了全世界的注意，他們宣布破解了一種多藥及毒性外排（multidrug and toxic extrusion,MATE）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的分子結(jié)構(gòu)，正是這種蛋白賦予了抗菌藥物耐藥性。本質(zhì)上說，MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白會從細(xì)菌中移除外物，比如毒素或抗菌藥物。當(dāng)揭開MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的晶體結(jié)構(gòu)時，濡木的研究組還描述了一種抑制MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的分子，首次提示了阻斷這種耐藥機(jī)制的一種途徑，并為藥物研發(fā)者提供了一種可能的靶點(diǎn)（參見圖示“阻斷抗菌藥物抑制泵”）。

“很多微生物學(xué)家都試圖找到細(xì)菌的 ‘阿喀琉斯之踵’，從而制造新類別的抗菌藥物?！逼樟炙诡D大學(xué)的分子生物學(xué)家、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員邦尼·巴斯勒（Bonnie Bassler）說。例如，她的實(shí)驗室正在尋找攻擊被稱為“群體感應(yīng)（quorum sens-ing）”的細(xì)菌通信網(wǎng)絡(luò)的方法，細(xì)菌在這個網(wǎng)絡(luò)中能夠確定它們何時數(shù)量眾多，處于強(qiáng)勢地位，可以進(jìn)行攻擊 [哈佛大學(xué)的光生物學(xué)家約翰·伍德蘭德·黑斯廷斯（John Woodland Hastings）最早在1970年發(fā)表了群體感應(yīng)的研究]。

簡而言之，群體感應(yīng)是這樣起作用的：細(xì)菌分泌叫做自體誘導(dǎo)物的分子，如果細(xì)菌的濃度很低的話，這些分子就會漂走。細(xì)菌數(shù)量越多，自體誘導(dǎo)物也越多?！斑@是一種集聚效應(yīng)，”巴斯勒說，“人群中的每一個細(xì)胞都在制造和分泌它自己的一份這種信號分子；細(xì)胞外的這種分子與細(xì)胞數(shù)量成比例增長。”她繼續(xù)說：“所以當(dāng)這種分子達(dá)到一個臨界濃度，細(xì)菌就會與這些分子接觸，從而推斷出它們在附近有鄰居?！边@個特定的臨界值或者叫“群體閾值”，取決于細(xì)菌的種類。

當(dāng)致病細(xì)菌的數(shù)量達(dá)到這個群體閾值，接下來發(fā)生的事情對宿主來說會很丟臉?！凹?xì)胞同時開啟生物膜基因、毒性基因和毒素，并作為一個群體開始分泌使宿主生病的所有化合物，就像派遣了一個作戰(zhàn)部隊一樣。”

就像巴斯勒所直率地描繪的，妙處在于阻斷細(xì)菌的群體感應(yīng)，這樣即使當(dāng)細(xì)菌集聚的時候，細(xì)菌也不能檢測到它們的鄰居，也不能傳遞信息來建造生物膜——這是細(xì)菌細(xì)胞的一層很難殺死的膜——或是分泌毒素。“這種方法看起來很有前景，”她說，“我們能制造出結(jié)構(gòu)與真的自體誘導(dǎo)物類似的分子，在試管中堵塞細(xì)菌的受體，它們能阻止細(xì)菌發(fā)動它們的毒性戰(zhàn)役?！苯Y(jié)果，她說，“我們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌不能制造生物膜了；它們不會殺死組織培養(yǎng)細(xì)胞了。 ”

然而，這還仍然是一個夢想，她說，因為人們在遭到一個既定感染后通常都會延醫(yī)診治，而且在細(xì)菌意識到它們有一個群體閾值并發(fā)動了它們協(xié)調(diào)一致的劇毒猛攻之后，這種做法是否有效還不確定。除此之外，“我們需要能在群體閾值測序通路的不同點(diǎn)起作用的各種分子，從而知道哪個位置在療法上是最好的。”巴斯勒說。

即使這些分子研發(fā)出來，它們很可能需要改進(jìn)，通過藥物化學(xué)變得更有效力，只有到那時它們才能作為療法在動物并且最終在人類身上進(jìn)行試驗?？赡芪覀冞€需要數(shù)十年之后才能利用群體感應(yīng)研發(fā)出新的抗菌藥物。

夢想“落地”

像安德森、丹塔斯和其他科學(xué)家一樣，以色列理工學(xué)院和哈佛醫(yī)學(xué)院的系統(tǒng)生物學(xué)家羅伊·基洪尼（Roy Kishony）設(shè)想了基于對藥物相互作用以及對耐藥性與敏感細(xì)菌之間競爭的深刻理解的藥物組合?；槟峒捌渫卤容^了自然環(huán)境和臨床環(huán)境下的抗生素耐藥性。他們疑問，為什么抗菌藥物耐藥性和細(xì)菌敏感性——也就是對抗菌藥物的易感性——之間的平衡能在自然界中保持，但在臨床環(huán)境中細(xì)菌耐藥性就會迅速戰(zhàn)勝細(xì)菌敏感性？基洪尼指出，自然界為了遏制生活在土壤中的微生物，早在數(shù)億年前就形成了抗菌藥物?！拔覀?nèi)祟愒谶@項事業(yè)中還是新手，我們還需要學(xué)習(xí)很多東西才能揭示抗菌藥物耐藥性在自然界是如何作用的。”他說。

在自然界，抗菌藥物“不是單獨(dú)存在的”，基洪尼說，“它們在有許多其他化合物而且有多種細(xì)菌的環(huán)境中存在?！薄拔覀冞^去的研究把抗菌藥物從環(huán)境中孤立出來了，”他解釋說，“我們已經(jīng)刪除了制衡機(jī)制。 ”

基洪尼解釋說，耐藥性通常只涉及單個或幾個基因,“許多這些基因已經(jīng)被人類識別，在機(jī)制和分子方面顯示出相當(dāng)多很好的細(xì)節(jié)?！?/p>

基洪尼的研究組特別關(guān)注自然界中抵制耐藥性的機(jī)制，從而為臨床用途尋找候選療法?！拔覀冎喇?dāng)單個藥物總是選擇耐藥性的時候，一些藥物組合能實(shí)際上選擇對那些開始對任何一種單一藥物產(chǎn)生耐藥性的細(xì)菌起作用。”作為原理的一個證明，基洪尼引用了他實(shí)驗室的一項研究成果：藥物組合降低了人群中耐多西環(huán)素大腸桿菌的耐藥性。

他說，土壤中可能還有更多類似的機(jī)制在起作用，包括“數(shù)量巨大的不同化合物，它們可能以新的方式相互作用，從而抑制抗菌藥物耐藥性進(jìn)化?！睆耐寥乐袑ふ疫@些相互作用的例子，可能會產(chǎn)生對耐藥性進(jìn)化更具彈性的新的抗微生物療法。正如基洪尼所說，“我們能自己發(fā)明東西，但是我們很有可能僅僅通過研究泥土而發(fā)現(xiàn)偉大的想法和創(chuàng)新?！?/p>

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥 隱]