楊小慶，林思彤，孫 磊，張德顯，劉明春

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110866)

抗菌藥物的使用為防治人和動(dòng)物細(xì)菌性疾病做出了重要貢獻(xiàn)，其使用量也不斷增加。據(jù)估計(jì)，從2002年開(kāi)始每年全球使用抗菌藥物的量大約在10萬(wàn)噸到20萬(wàn)噸，自20世紀(jì)40年代以來(lái)抗菌藥物的使用總量已超過(guò)200萬(wàn)噸[1]。全球范圍內(nèi)抗菌藥物的大量使用加速了人和動(dòng)物病原菌耐藥性的出現(xiàn)，增加了所致疾病的治療難度[2]。近年來(lái)，抗菌藥物的開(kāi)發(fā)速度有所降低，細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生使人和動(dòng)物可能會(huì)面臨后抗生素時(shí)代的窘境[3]，因此，尋找新的途徑來(lái)減緩或阻止耐藥性的產(chǎn)生受到人們的關(guān)注。

抗性代價(jià)(fitness cost)是指細(xì)菌耐藥菌株在不含抗菌藥物的環(huán)境中表現(xiàn)出的生長(zhǎng)速率、毒力以及致病力等方面降低的現(xiàn)象[4-5]。在此理論基礎(chǔ)上，有些學(xué)者認(rèn)為可利用耐藥性所致的抗性代價(jià)來(lái)減緩或阻止細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生，即停止抗菌藥物使用將有利于敏感菌株的生長(zhǎng)，降低耐藥菌株在環(huán)境中的比例，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消除耐藥菌株[6]。但是，隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可通過(guò)耐藥基因或其他基因的補(bǔ)償性突變以及遺傳共同選擇而降低耐藥菌株的抗性代價(jià)，從而使得這一理論在臨床應(yīng)用變得更加困難[7]。本綜述對(duì)細(xì)菌抗性代價(jià)及其影響因素進(jìn)行討論，并探討利用該現(xiàn)象消除或減緩菌株耐藥的可能性。

1 耐藥性的產(chǎn)生和抗性代價(jià)

1.1 靶基因序列突變和質(zhì)粒介導(dǎo)的耐藥性

多種機(jī)制能夠?qū)е录?xì)菌耐藥性的產(chǎn)生，其中，靶基因序列突變和質(zhì)粒攜帶的耐藥基因是細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性的兩種重要機(jī)制。靶基因序列突變通常導(dǎo)致抗菌藥物作用靶位結(jié)構(gòu)的改變、或者增加細(xì)菌對(duì)藥物的外排作用，有時(shí)靶基因序列突變也會(huì)導(dǎo)致基因表達(dá)量的升高或降低[8]。質(zhì)粒介導(dǎo)的耐藥性通常是通過(guò)水解藥物、保護(hù)藥物作用靶位、耐藥的作用靶位代替藥物敏感的作用靶位或者獲得新的外排泵來(lái)實(shí)現(xiàn)的[9-10]。

1.2 遺傳共選擇現(xiàn)象

質(zhì)粒是細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性的重要機(jī)制之一。某些耐藥基因通常是和其他耐藥基因一起存在于某些質(zhì)粒上，并同時(shí)進(jìn)行表達(dá)，因而，細(xì)菌獲得對(duì)某一種抗菌藥物耐藥的同時(shí)也會(huì)對(duì)其他藥物產(chǎn)生耐藥性，這種現(xiàn)象就是細(xì)菌的耐藥共選擇現(xiàn)象[11]。這種現(xiàn)象也就能解釋為什么某些抗菌藥物已經(jīng)不再應(yīng)用于臨床，但細(xì)菌針對(duì)此抗菌藥物的耐藥水平仍然不斷增加的現(xiàn)象。如磺胺類藥物已經(jīng)很少用于治療大腸埃希菌所致的疾病，但是該菌對(duì)磺胺類藥物的耐藥性仍然存在，甚至有增加的趨勢(shì)，推測(cè)介導(dǎo)磺胺類藥物耐藥的基因是質(zhì)粒骨架的組成部分，并且和其他耐藥基因存在遺傳共選擇的現(xiàn)象[12]。

1.3 細(xì)菌耐藥所致的抗性代價(jià)和補(bǔ)償性進(jìn)化

抗菌藥物通常是影響細(xì)菌體內(nèi)的重要細(xì)胞結(jié)構(gòu)如細(xì)胞壁合成過(guò)程、細(xì)菌染色體的超螺旋結(jié)構(gòu)、RNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的合成等[13]。因此，細(xì)菌對(duì)抗菌藥物產(chǎn)生耐藥性之后，菌體內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，這種變化有些是有利的，但絕大多數(shù)都是有害的，進(jìn)而產(chǎn)生抗性代價(jià)。抗性代價(jià)為防止和減緩耐藥性的產(chǎn)生提供了思路，即減少抗菌藥物的使用，通過(guò)自然選擇降低耐藥菌株在環(huán)境中的比例，消除或減緩細(xì)菌耐藥性。研究也發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可通過(guò)其他基因或同一基因不同部位的突變來(lái)補(bǔ)償耐藥所致的抗性代價(jià)[14]。如沙門菌的rpsL(AAA42ACA)發(fā)生突變可對(duì)鏈霉素產(chǎn)生耐藥性，對(duì)小鼠的致病力也下降；但是，rpsL(AAA42ACA)同時(shí)發(fā)生其他突變(如CGT93CAT)不但保持了對(duì)鏈霉素的耐藥性，且對(duì)小鼠的致病力與野生株相當(dāng)[15]，這提示沙門菌rpsL的突變(CGT93CAT)可恢復(fù)鏈球菌耐藥菌株的致病力，推測(cè)此突變具有對(duì)抗性代價(jià)的補(bǔ)償作用。

2 影響細(xì)菌抗性代價(jià)的因素

抗性代價(jià)是相對(duì)的，為確定是否存在抗性代價(jià)或者抗性代價(jià)大小，應(yīng)在不同的環(huán)境中測(cè)定細(xì)菌的抗性代價(jià)，確定其在臨床感染性疾病中的應(yīng)用價(jià)值。在某些情況下，耐藥菌株的致病力與敏感細(xì)菌并無(wú)差異，在這種情況下，耐藥菌株又不存在抗性代價(jià)，因此，需要進(jìn)一步明確影響細(xì)菌抗性代價(jià)的影響因素。

2.1 上位作用對(duì)抗性代價(jià)的影響

上位作用是指兩對(duì)獨(dú)立遺傳基因共同對(duì)一對(duì)性狀發(fā)生作用，而且其中一對(duì)基因?qū)α硪粚?duì)基因的表現(xiàn)有遮蓋作用[16]。上位作用對(duì)細(xì)菌抗性代價(jià)也能夠產(chǎn)生影響。rpsL(編碼30S核糖體蛋白S12亞基)突變可引起細(xì)菌對(duì)鏈霉素的耐藥，而鏈霉素耐藥所致的抗性代價(jià)受到環(huán)境和上位作用的影響[17]。如沙門菌RpsL蛋白的K42N或P90S可導(dǎo)致鏈霉素耐藥，該鏈霉素耐藥菌株在營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)速度低于敏感菌株，而在碳源缺乏的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)速度則高于敏感菌株[18]。RpoS是能夠抑制處于生長(zhǎng)對(duì)數(shù)后期和低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中細(xì)菌分裂的一個(gè)重要調(diào)控因子，通過(guò)限制細(xì)菌的增長(zhǎng)，保持細(xì)菌在環(huán)境中的長(zhǎng)期生存，而耐藥菌株的生長(zhǎng)速率增加會(huì)導(dǎo)致菌體快速消耗環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)而減少耐藥菌株的存活時(shí)間，推測(cè)沙門菌鏈霉素耐藥導(dǎo)致rpsL基因?qū)poS產(chǎn)生上位作用，引起RpoS的功能失調(diào)，導(dǎo)致耐藥沙門菌在低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中的存活能力下降[19]。此外，空腸彎曲菌體內(nèi)編碼DNA回旋酶亞單位A(gyrase subunit A，GyrA)的gyrA基因突變可致環(huán)丙沙星耐藥，同時(shí)gyrA的突變可增強(qiáng)耐藥菌株對(duì)雞的致病力，但是，當(dāng)將該菌株的gyrA電轉(zhuǎn)至其他空腸彎曲菌分離株時(shí)，在空腸彎曲菌產(chǎn)生環(huán)丙沙星耐藥的同時(shí)，也產(chǎn)生了抗性代價(jià)[20]。因此，在測(cè)定耐藥菌株的抗性代價(jià)時(shí)應(yīng)當(dāng)在不同條件下進(jìn)行，從而能更精確的找到耐藥菌株的抗性代價(jià)機(jī)理，有利于新藥的開(kāi)發(fā)或者藥物之間的聯(lián)合應(yīng)用。

2.2 環(huán)境影響細(xì)菌抗性代價(jià)

某些耐藥菌株在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下無(wú)抗性代價(jià)，且對(duì)小鼠產(chǎn)生致病力與敏感菌株基本相似；相反，雖然某些耐藥菌株對(duì)小鼠的致病力與敏感菌株相似，但在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下具有明顯的抗性代價(jià)。沙門菌fusA基因突變可通過(guò)影響鳥苷四磷酸調(diào)控因子的表達(dá)對(duì)夫西地酸產(chǎn)生耐藥性；fusA基因的突變可導(dǎo)致其他多個(gè)基因表達(dá)的變化，從而導(dǎo)致在不同環(huán)境條件下所觀察到的抗性代價(jià)也有所不同[21]。此外，沙門菌fusA突變可導(dǎo)致對(duì)頭孢菌素等抗菌藥物的超敏感現(xiàn)象，可能是由于fusA突變導(dǎo)致的耐藥引起了抗性代價(jià)，而抗性代價(jià)的產(chǎn)生導(dǎo)致了耐藥菌株對(duì)其他抗菌藥物的超敏感現(xiàn)象。同時(shí)提示沙門菌fusA突變所致的夫西地酸耐藥菌株可采用這些超敏感的抗菌藥物進(jìn)行治療。

細(xì)菌對(duì)利福平耐藥的主要機(jī)制為編碼RNA聚合酶亞單位的rpoB基因發(fā)生突變，利福平產(chǎn)生耐藥后可產(chǎn)生細(xì)菌抗性代價(jià)，但是，甲氧西林耐藥的金黃色葡萄球菌分離株S464P同樣對(duì)利福平具有耐藥性時(shí)，其對(duì)小鼠的病致力和敏感菌株基本相同[22]。產(chǎn)生這種差異的原因仍不清楚，推測(cè)可能是由于環(huán)境差異所導(dǎo)致的。

2.3 耐藥機(jī)制對(duì)抗性代價(jià)的影響

沙門菌和大腸埃希菌30S核糖體蛋白S12的氨基酸變化(K42R)可產(chǎn)生鏈霉素耐藥，但不會(huì)產(chǎn)生抗性代價(jià)，甚至該30S核糖體蛋白S12氨基酸變化會(huì)引起菌株對(duì)小鼠和豬致病力的升高[23]。同時(shí)，對(duì)鏈霉素耐藥的結(jié)核桿菌30S核糖體蛋白S12也具有相同的氨基酸變化，且致病力也不會(huì)下降，這提示30S核糖體蛋白S12中的氨基酸K42R變化可導(dǎo)致鏈霉素耐藥，但不會(huì)產(chǎn)生抗性代價(jià)。

金黃色葡萄球菌通過(guò)獲得含有vanA的質(zhì)粒產(chǎn)生與萬(wàn)古霉素低結(jié)合能力的細(xì)胞壁前體物而產(chǎn)生耐藥。攜帶vanA基因的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌臨床分離株在含有萬(wàn)古霉素的環(huán)境中能夠誘導(dǎo)vanA基因的表達(dá)，產(chǎn)生耐藥，生長(zhǎng)速率會(huì)下降20%～38%抗性代價(jià)比較明顯；相反，將相同菌株置于無(wú)萬(wàn)古霉素的環(huán)境中時(shí)，其生長(zhǎng)速率只下降0.04%～0.3%[24]。因此，對(duì)甲氧西林耐藥的金黃色葡萄球菌中vanA能夠根據(jù)菌體所處的環(huán)境而調(diào)整抗性代價(jià)。

2.4 耐藥菌株的補(bǔ)償進(jìn)化對(duì)抗性代價(jià)的影響

對(duì)喹諾酮類藥物耐藥的大腸埃希菌gyrA基因會(huì)發(fā)生多處突變。細(xì)菌體內(nèi)外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著gyrA突變數(shù)量的增加，抗性代價(jià)不斷降低。如當(dāng)大腸埃希菌gyrA基因的突變點(diǎn)從3個(gè)增加到4個(gè)時(shí)，不僅能增加對(duì)喹諾酮類藥物的耐藥，而且能夠降低耐藥菌株的抗性代價(jià)[25]。這提示可能細(xì)菌正向耐藥性更強(qiáng)、抗性代價(jià)更低的方向進(jìn)化。

3 結(jié)論

不同種類的細(xì)菌甚至是不同菌株，由于受到多種因素的影響，其抗性代價(jià)會(huì)有所差異。細(xì)菌通過(guò)補(bǔ)償性突變或者遺傳選擇可彌補(bǔ)由耐藥所產(chǎn)生的抗性代價(jià)，因此，目前條件下，依靠抗性代價(jià)來(lái)消除耐藥菌株是比較緩慢，甚至是不能夠?qū)崿F(xiàn)的。通過(guò)研究細(xì)菌抗性代價(jià)，從而在臨床上選擇高抗性代價(jià)同時(shí)菌又不易產(chǎn)生補(bǔ)償性突變的抗菌藥物，進(jìn)而阻止或延緩細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生。

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