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超级细菌与细菌的耐药性
超级细菌与细菌的耐药性
安徽农业大学09动物科学
王英存
1929年，Fleming发现青霉素并随后由Florey和Chain用于临床而取得惊人的效果，这标志着抗生素时代的到来，它使人类的平均寿命延长了15年以上。
但是，随着青霉素广泛的使用，发现了耐药菌的产生。
1941年用2万单位能够控制的感染逐步上升到用20万、100万甚至更高的单位才能控制，人们第一次把细菌耐药性的问题提到重要的日程。
科学家在不太长的日子里开发出了半合成抗生素，有力的解决了当时细菌的耐药性问题。
但是，随着更多的抗生素尤其是第一和第二代头孢菌素的广泛使用，产生了甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌（methicillinresistantStaphylococcusaureus，MRSA），它对许多抗生素产生抗药性。
细菌抗药性问题又被第二次提到了重要日程。
半合成抗生素的开发和MRSA的出现都是抗生素化疗史上的重大事件，记述了人们与细菌斗争历史的一个侧面。
自从临床上出现了MRSA和其它耐药菌，这些细菌成为临床医生难以对付的"超级细菌"。
尤其以最近时期出现的真正意义上的超级细菌，让人们意识到细菌耐药性与抗生素滥用的严重性，而此种超级细菌却对所有抗生素都有耐药性。
本文旨在对抗生素产生的耐药性机制及细菌耐药性机制的简明介绍，使人们对细菌产生耐药性有感性的认识，在超级细菌来临的时代不会迷失方向，同时更加关注人类生命健康的各种威胁。
抗细菌抗生素与细菌耐药性
一）细菌对β-内酰类抗生素产生耐药性的作用机制：
β-内酰胺酶是引起细菌对β-内酰胺类抗生素耐药性的主要原因，有许多结构与功能不同的β-内酰胺酶，其中三种为活性-位点丝氨酸酶，另一类为锌-依赖性酶。
β-内酰胺酶来源于细菌细胞壁合成酶，即所谓的青霉素结合蛋白（penicillin-bindingproteins，,PBPs）。
细菌对β-内酰胺类抗菌药物的主要耐药机制是β-内酰胺酶，β-内酰胺类药物（抗生素）在这类酶的作用下，使β-内酰胺环水解开环，而β-内酰胺环是与PBPs结合的活性功能部位，且PBPs与细菌细胞壁的合成、维持以及肽聚糖结构特征的调节等有关，与抗菌药物结合的PBPs生成物没有活性，因此β-内酰胺环的破坏使其失去了干扰细菌细胞合成的功能。
β-内酰胺类药物进入细菌胞内发挥作用的简明过程可用图（a）来表示：
抑制肽聚糖合成
（A）β-内酰胺类药物向肽聚糖扩散PBPS
活化自溶酶
β-内酰胺酶不能与药物结合
细胞存活细胞存活细胞死亡
（B）β-内酰胺类药物孔蛋白细胞质网PBPs抑制肽聚糖合成
缓慢进入β-内酰胺酶细胞死亡
β-内酰胺酶药物破坏细胞存活
图（a）
二）细菌对氨基糖苷类抗生素产生耐药性的作用机制：
细菌对氨基糖苷类抗生素产生耐药性的作用机制有两种：
一是细菌产生一种或多种有关钝化酶来修饰进入胞内活性抗生素使之失去生物活性；二是氨基糖苷类抗生素的作用靶位核糖碱基发生变化或是与核糖体结合的核蛋白的氨基酸发生变化，使进入胞内活性抗生素不能与之结合或结合力下降。
其中，对氨基糖苷类抗生素产生耐药性的细菌往往是通过细菌产生的酰基转移酶（AAC），腺苷转移酶（ANT）或核苷转移酶（ADD），以及磷酸转移酶（APH）对进入胞内的活性分子进行修饰使之失去生物活性。
在这类耐药菌中，编码这些钝化酶的耐药基因是由质粒携带且其中很多与转座子相连，加速这些耐药基因在种间的传递。
三）细菌对MLS类抗生素产生耐药性的作用机制：
MLS（macrolides-lincosamids-streptogramins）是大环内酯类抗生素，林可霉素类抗生素和连阳性菌类抗生素的总称。
细菌对MLS类抗生素产生耐药性的作用机制包括内在性耐药和获得性耐药。
所谓的内在性耐药即是细菌的天然耐药性，如许多革兰氏阴性杆菌对MLS类抗生素的耐药性似乎是由于细胞外膜的渗透性所致。
这些细菌的细胞外膜限制脂溶性抗菌药物和分子量大于500D的MLS类抗生素进入细胞内。
细菌的这种内在抗药性影响了所有的MLS类抗生素的抗菌活性。
细菌对MLS类抗生素获得性耐药的机制至少有三种，即药物作用靶位分子发生变异，抗生素活性分子被钝化及细菌产生药物主动转运。
已经发现了很多作用于MLS类抗生素活性分子的钝化酶，有大环内酯类抗生素钝化酶，林可霉素钝化酶和链阳性菌素等，皆是耐药细菌的耐压基因编码表达的产物。
四）细菌对糖肽类抗生素产生耐药性的作用机制：
万古霉素是一个极为重要的糖肽类抗生素。
万古霉素的抗菌作用虽然与β-内酰胺类抗生素的相同，都是通过干扰细菌细胞壁的合成最终使细胞溶解，但两者作用的分子机制不同。
万古霉素敏感肠球菌合成细胞壁时肽聚糖前体末端为D-ala-D-ala，因此万古霉素可以通过与之结合来抑制细菌细胞壁的合成，导致细菌细胞壁的溶解。
而万古霉素耐药肠菌产生一种分子结构改变的肽聚糖前体D-ala-D-alc或D-ala，于是由于万古霉素不能与之结合而导致不能抑制细菌细胞壁的合成。
万古霉素耐药菌的表型可以分为三种类型。
第一种为A组耐药表现，其包括对万古霉素和对替考拉宁高度耐药的粪肠球菌和屎肠球菌。
这些耐药菌往往是可以被万古霉素或替考拉宁诱导产生，以及可以通过自转质粒介导。
第二种为B组耐药表现，其包括对万古霉素不同程度耐药和对替考拉宁敏感的粪肠球菌和屎肠球菌，这些细菌的耐药性可以被万古霉素诱导产生。
第三种为C组耐药表现，其在鹑鸡肠球菌和铅黄肠球菌中已经被发现，它们中的大多数对万古霉素表现为较低的耐药性，对替考拉宁敏感。
细菌对抗菌药物的耐受性机制就目前的研究成果来看有四种：
一是细菌产生一种或多种有关水解酶或钝化酶来水解或修饰进入细菌胞内活性抗生素使之失去生物活性；二是抗生素作用靶位由于发生突变或被细菌产生的某种酶所修饰而使抗菌药物无法发挥作用，以及抗生素作用的靶酶的结构发生改变使之与抗生素亲和力下降；三是由于细菌细胞膜渗透性的改变或其它有关特性的改变，如细菌菌膜的形成而使抗菌药物无法进入胞内；四是细菌具有一种依赖于能量的主动转运机制，即能够将已经进入细胞内的药物泵至胞外。
耐药菌通常可以分为两种：
第一种是医院长期使用抗生素的环境，选择性的出现了一些互不相关的耐药性菌株，虽然这些菌株不具有很强的致病性，但对很多抗生素具有内在的耐药性。
第二种是具有很强致病性的耐药菌，在这些专业致病菌的耐药菌中，其中大多数开始时对抗感药物是敏感的，但长期使用抗生素的环境使耐药菌得以选择性发展，而这些细菌获得耐药性的途径或是通过染色体的改变，或是通过耐药质粒的传递，或是通过耐药性转座子的转移所获得。
图（a）是细菌在抗菌药物的选择压力下获得耐药性的循环过程：
【图中所示的耐药基因库代表在所有环境中有可能编码抗菌药物抗药性的DNA源，包括医院、农场以及使用抗菌药物控制细菌生长和扩散的微环境。
】
抗菌药物耐受性基因库
抗生素产生菌
抗生素耐药菌
编码耐药性的DNA
耐药基因通过种间或种内通过细菌吸收
专一性扩散传递编码耐药性的DNAR质粒或接在细菌胞质内的
合转座子耐药基因
抗菌药物选择压
力的增加通过非同源重组
形成多重耐药结构
插入至复制子耐药基因盒
整合子或相似
结构
细菌耐药性获得的循环
图（a）细菌在抗菌药物的选择压力下获得耐药性的循环过程
细菌耐药性是21世纪全球关注的热点，它对人类生命健康所构成的威胁绝不亚于艾滋病，癌症和心血管疾病。
而超级病菌是一种耐药性细菌，这种超级病菌能在人身上造成浓疮和毒疱，甚至逐渐让人的肌肉坏死。
更可怕的是，抗生素药物对它不起作用，病人会因为感染而引起可怕的炎症，高烧、痉挛、昏迷直到最后死亡。
这种病菌的可怕之处并不在于它对人的杀伤力，而是它对普通杀菌药物--抗生素的抵抗能力，对这种病菌，人们几乎无药可用。
2010年，英国媒体爆出：
南亚发现新型超级病菌NDM-1，抗药性极强可全球蔓延。
近期一种可抗绝大多数抗生素的耐药性超级细菌NDM-1在英美印度等国家小规模爆发，这种细菌其实是一种特殊的酶，即新德里金属作用β-内酰胺酶，它能够进入大多数细菌的DNA线粒体中存活，从而使细菌产生广泛的耐药性
显微镜下的超级细菌
新德里金属作用β-内酰胺酶（英语：
NewDelhimetallo-beta-lactamase，简称NDM-1）是一种能使细菌对除替加环素（tigecycline）与克痢霉素（colistin）之外，包括广效抗生素碳青霉烯类（carbapenem）等抗生素产生耐药性的酶；甚至对部分患者来说，所有抗生素皆无效用，因此携带这种基因的细菌在2010年发现当时的新闻报道中称为"超级细菌"（superbug）。
目前没有开发专门针对NDM-1的药物。
至今已发现一些克雷伯氏肺炎菌和大肠杆菌的菌株携带有此基因，而该基因可以通过基因水平转移以DNA质粒从一个菌株转移到另一个。
该基因能生成一种叫做碳青霉烯酶的金属作用β-内酰胺酶，通过水解使包括青霉素等β-内酰胺类抗生素失效。
这些抗生素通常能通过抑制细菌细胞壁的合成来杀死大部分的细菌。
当这些携带有该基因的细菌在其它抗生素敏感的细菌被传统抗生素治疗杀死的情况下，因为没有竞争压力它们将遍布整个人体。
以下的几类抗生素会被该酶抑制：
头孢菌素类，青霉素类，碳青霉烯类
该基因由DongeunYong等人在一位赴印度接受手术等治疗的瑞典患者身上发现[6]，因此以印度首都新德里命名；但印度不认同这样的命名[7]。
目前已在世界各国广泛传播[8]，并在巴基斯坦、日本、香港等地有病例。
台湾于2010年十月已出现第一例带菌者，但无感染症状，不列为法定传染病例。
其实耐药型的细菌并非新事物，它们一直存在并且随着人类滥用抗生素而进化出强大耐药性，在这场特殊博弈中，人类是超级细菌的幕后推手。
超级细菌是一切耐药菌的统称
"超级细菌其实并不是一个细菌的名称，而是一类细菌的名称，这一类细菌的共性是对几乎所有的抗生素都有强劲的耐药性。
随着时间的推移，超级细菌的名单越来越长，包括产超广谱酶大肠埃细菌、多重耐药铜绿假单细胞菌、多重耐药结核杆菌、泛耐药肺炎杆菌、泛耐药绿脓杆菌等。
"
金黄色葡萄球菌是著名的超级细菌
超级细菌中最著名的是一种耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（简称MRSA），MRSA现在极其常见，可引起皮肤、肺部、血液和关节的感染，当年弗莱明偶然发现青霉素时，用来对付的正是这种细菌。
但随着抗生素的普及，某些金黄色葡萄球菌开始出现抵抗力，产生青霉素酶破坏青霉素的药力。
MRSA的耐药性发展非常迅速，在1959年西方科学家用一种半合成青霉素（即甲氯西林）杀死耐药的金黄色葡萄球菌之后仅隔两年在英国就出现了耐甲氯西林金黄色葡萄球菌，而到了上世纪80年代后期，MRSA已经成为全球发生率最高的医院内感染病原菌之一（也被列为世界三大最难解决的感染性疾病首位），在全球范围内目前被证实对MRSA还有效的只有万古霉素。
最新出现的超级细菌叫NDM-1
英国卡迪夫大学、英国健康保护署和印度马德拉斯大学的医学研究机构在一些曾去印度接受过外科手术的病人身上发现一种特殊的细菌。
发表在医学专业杂志《针刺》上的文章指出，这种细菌名为新德里金属β内酰胺酶-1（NewDelhimetallo-β-lactamase1，简称NDM-1），这种细菌含有一种罕见酶，它能存在于大肠杆菌的DNA中从而使其产生广泛的抗药性，人被感染后很难治愈甚至死亡。
NDM-1的复制能力很强，传播速度快且容易出现基因突变，在现在滥用抗生素的情况下，是非常危险的一种超级细菌。
随着抗生素的普及，某些金黄色葡萄球菌开始出现抵抗力，产生青霉素酶破坏青霉素的药力。
上图即为著名的金黄色葡萄球菌。
抗生素成为超级细菌的推手
"超级细菌NDM-1几乎可以跨越不同的细菌种类，也就是说它可以广泛存在于各种细菌的NDA线粒体中。
在各种细菌中的NDM-1超级病菌是以DNA的结构出现，因此被称为质体，也就是它使各种病菌拥有传播和变异的惊人潜能。
青霉素的发现和提纯是人类历史上最伟大的发现之一，也是促成超级细菌的推手。
"超级细菌"可广泛传播
超级细菌NDM-1几乎可以跨越不同的细菌种类，也就是说它可以广泛存在于各种细菌的NDA线粒体中。
在各种细菌中的NDM-1超级病菌是以DNA的结构出现，因此被称为质体。
它可以在细菌中自由复制和移动，从而使这种病菌拥有传播和变异的惊人潜能，对除替加环素和多黏菌素之外的所有抗生素都有抗药性。
研究人员正在确定这些患者感染的NDM-1病菌的普遍性。
研究者发现，2009年英国就已经出现了NDM-1感染病例的增加，其中包括一些致死病例。
参与这项研究的英国健康保护署专家大卫.利弗莫尔表示，大部分的NDM-1感染都与曾前往印度等南亚国家旅行或接受当地治疗的人有关。
在英国研究的37个病人中，至少有17人曾在过去1年中前往过印度或巴基斯坦，他们中至少有14人曾在这两个国家接受过治疗，包括肾脏移植手术、骨髓移植手术、透析、生产、烧伤治疗或整容手术等。
不过，英国也有10例感染出现在完全没有接受过任何海外治疗的病人身上。
目前的研究发现，携带NDM-1的大肠杆菌感染，会导致许多病人出现尿路感染和血液中毒。
抗生素的滥用塑造了超级细菌
青霉素的发现和提纯是人类历史上最伟大的发现之一。
自1941年青霉素应用于临床后，人们相继发现了上万种抗生素，有200余种抗生素应用于临床。
抗生素的广泛应用已挽救了无数生命，时至今日抗生素仍然是医生治疗感染过程中不可缺少的药品。
然而随着抗生素的使用，引起人类疾病的许多细菌已经对它的对手产生了耐药性。
抗生素使用较为集中的医院是培养超级细菌MRSA的温床。
细菌无声地在患者、医护人员、患者间播散，并可存在于人体达数月之久。
美国联邦疾病控制与预防中心曾报道，1975年182所医院MRSA占金黄色葡萄球菌感染总数的2.4%，1991年上升至24.8%，其中尤以500张床以上的教学医院和中心医院为多，因为这些医院里MRSA感染的机会较多，耐药菌株既可由感染病人带入医院，也可因滥用抗生素在医院内产生。
而超级细菌NDM-1就是从印度的整形和外科医院患者中传播开来。
在中国住院患者中，抗生素的使用率达到70%，外科患者更是几乎人人使用，比例高达97%。
抗生素的中国式滥用
"中国是抗生素使用大国，也是抗生素生产大国：
年产抗生素原料大约21万吨，出口3万吨给世界人民，其余18万吨留给自己用（包括医疗与农业使用），人均年消费量138克左右（美国仅13克）。
据统计，每年因抗生素滥用导致医疗费用增长800亿元，仅超前使用第三代头孢菌素，全中国一年就多花费7亿多元人民币。
"
中国：
每年8万人因滥用抗生素死亡
8月初举行的一次国际会议上，卫生部全国细菌耐药监测网负责人指出，目前我国抗菌药物耐药率居高不下，院内感染前5位的致病菌耐药情况不断恶化，"超级耐药菌"临床分离率日益攀升。
这表明，现有药物对付超级耐药病菌越来越难。
其中，抗生素耐药问题尤为突出。
据2006-2007年度卫生部全国细菌耐药监测结果显示，全国医院抗菌药物年使用率高达74%。
而世界上没有哪个国家如此大规模地使用抗生素，在美英等发达国家，医院的抗生素使用率仅为22%~25%。
中国的妇产科长期以来都是抗生素滥用的重灾区，上海市长宁区中心医院妇产科多年的统计显示目前青霉素的耐药性几乎达到100%。
而中国的住院患者中，抗生素的使用率则高达70%，其中外科患者几乎人人都用抗生素，比例高达97%。
另据1995-2007年疾病分类调查，中国感染性疾病占全部疾病总发病数的49%，其中细菌感染性占全部疾病的18%-21%，也就是说80%以上属于滥用抗生素，每年有8万人因此死亡。
中国7岁以下儿童因为不合理使用抗生素造成耳聋的数量多达30万，占总体聋哑儿童的30%至40%，而一些发达国家只有0.9%。
在住院的感染病患者中，耐药菌感染的病死率为11.7%，普通感染的病死率只有5.4%。
这些数字使中国成为世界上滥用抗生素问题最严重的国家之一。
NDM-1iscarriedbyGram-negativebacterialikeKlebsiella
据2006-2007年度卫生部全国细菌耐药监测结果显示，全国医院抗菌药物年使用率高达74%
细菌耐药性无法避免
"细菌耐药性无法避免，这是必然的现象和规律。
"汪教授表示，以前的细菌可能只对一两种药有抗药性，通过"细菌药敏试验"，总能找出几种药物来对付它。
细菌的种类千差万别，不同细菌的耐药性都是有强有弱。
"当年红霉素推出后，不到6个月，链球菌就产生了耐药性，号称超级抗菌素的万古霉素于上世纪50年代发明，到了1997年，日本也有报道说产生了针对万古霉素的耐药细菌。
"
近80年来，人类和细菌打着一场拉锯战，从青霉素到头孢菌素再到碳青霉烯类，细菌的耐药性也逐步增强，然而21世纪以来，抗生素新品的研发脚步缓慢，已跟不上细菌的变异步伐。
尽管有学者提出了一些试图超越抗生素的办法，如噬菌体杀菌、细菌素杀菌和益生菌等方法，但是，抗生素仍然是当前对抗细菌感染最有效的方法，"其他方法暂时只能作为辅助，我们必须尽可能地合理使用抗生素，减少滥用，让抗生素为健康服务的时间更长一些，降低抗药性的出现速度。
"
谁助长了"超级细菌"?
企业不愿研发
过去，大型制药企业在抗生素研发中扮演了主要角色，但是，进入21世纪后，大多数制药企业都已不再搞研发，因为抗生素的研发投入巨大、持续数年，但新产品出来后很快就会产生耐药性，跟不上细菌的更新换代。
此外，细菌感染往往是一次性的，患者用药时间短，企业获利的空间小。
医院用药过度
我国目前有《抗菌药物临床应用指导原则》《基本处方集》等，各医院还有药事管理委员会，对抗生素的使用作出了明确规范，然而实际执行和管理却不理想。
因为药品是医院收入的半壁江山，而抗生素又是其中"大头"，此外，由于同类仿制药众多，药商互相竞争促销，也造成了个别医院为逐利而滥用抗生素，导致"超级细菌"容易在医院产生。
农业领域滥用
据报道，美国70%的抗生素最终用于农业，给牛、羊、鸡等动物吃抗生素避免生病影响产量，而这套所谓现代食品工业的方法，竟然被许多国家学了去，造成抗生素在农业领域的滥用，使得农场成为了培养"超级细菌"的试管，并最终通过水和泥土等环境回到人类身上。
滥用抗生素催生超级病菌
超级细菌的病理现状
MRSA
抗药性金黄色葡萄球菌（MRSA）可以抵抗最强力的抗生素和药物，并能够引起各种感染，因此也被称为"超级细菌"（Superbug）。
美国每年因"超级细菌"导致的死亡人数可达到18000例，超过了2005年美国死于艾滋病的16000人。
同时，感染"超级细菌"的人数也在越来越多，1974年感染葡萄球菌的人中只有2%是MRSA，而到了2003年，这一数字达到了64%。
感染"超级细菌"后的症状包括丘疹、肺炎等。
在诊断的8,987例MRSA感染中，有1,598例在医院死亡，研究人员说。
由此推断，超级细菌在2005年大约导致19,000美国人死亡，94,000人出现严重疾病。
研究人员呼吁医疗单位进行合作，共同控制超级细菌。
VRE
法国巴黎几家医院收治了大批感染了一种"超级细菌"的病人。
之所以称之为"超级细菌"，是由于这种名叫耐万古霉素肠球菌（简称VRE），突破了人类当前对付细菌感染的"最后堡垒"--万古霉素防线。
在过去两年内，法国已有313人发生VRE尿道或消化道感染，其中3人因无药可治而死亡。
VRE感染以60岁以上患者居多，感染性疾病治疗时间越长，越容易发生VRE感染，可以发生在社区，也可以发生于医院，医院感染较社区感染高。
VRE感染多发生于癌症、肝硬化、慢性肾炎、尿毒症、脑梗死等重症住院患者，主要造成肺部、腹腔感染，其次为血液、手术伤口、泌尿道感染。
值得注意的是，一部分病例在感染VRE前就出现了耐药葡萄球菌生长。
专家由此推测，有可能是葡萄球菌把其耐药质粒基因传播给肠球菌，从而产生VRE。
抗药性金黄色葡萄球菌MRSA实验室培养
超级细菌的细菌破解
抗药性细菌引发的疾病是全球性问题，其中威胁最大的是耐万古霉素肠球菌（VRE）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA），它们都是普通抗生素无法对付的"超级细菌"。
为了寻找有效杀灭这些"超级细菌"的新办法，Hancock研究了一组短蛋白（多肽）。
考虑到多肽可能会引发败血症，Hancock现在小鼠身上进行实验。
出乎意料的是，这些多肽反而能使败血症有所好转。
唯一的问题是它们导致了过敏反应，引起一些健康的肠细胞死亡。
因此，Hancock和同事设计出更短的多肽，既能阻止败血症，又不会引起其他并发症。
Hancock表示，并不是这些多肽直接杀死了"超级细菌"。
它似乎使人体自身先天免疫系统作了某种"事先准备"，随后的细菌感染会使体内产生过剩的单核白细胞和巨噬细胞，吞噬入侵的病原体。
同时，由于体内产生的更具侵略性的噬中性白细胞较少，因此不会导致败血症。
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一）本文旨在传播科技文化知识，没有版权的限制！
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二）科学是属于全人类的，它不会被任何人所占有，因为它终将会被人们所认知，不是吗！
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我们所做的只是发现，不是因为发现，而去占有。
居里夫人发现了镭，而没有占有！
三）或许，占有是对科学的不尊贵，科学因占有不失去意义。
人类看不见的世界，并不是空想的幻影，而是被科学的光辉照射的实际存在。
尊贵的是科学的力量。
在科学上重要的是研究出来的"东西"，不是研究者"个人"。
--居里夫人
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