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1、概述细菌对抗生素产生耐药性是一种自然生物现象,抗生素的广泛应用与滥用加速了耐药性过程。现就抗生素的耐药机理进行讨论,期望有助于进一步合理应用抗生素 概述细菌对抗生素的耐药性已由单类耐药逐渐发展为多药耐药,在医院内重症感染患者中易出现多重耐药的致病菌,对多重耐药菌株感染的治疗极为困难。耐药性可在细菌间传播,耐药细菌又能在世界范围内播散,因而研究细菌的耐药机制与新的抗菌手段,已成为人类保护自己生存的一个长期乃至永恒的话题。本文将对抗生素耐药性的起源、分子基础及其对策进行讨论。概述综述抗生素耐药菌增多的原因、抗生素耐药菌的传播、细菌对抗生素耐药的生化机制、耐药菌的变迁以及对抗生素耐药菌的控制与抗菌治
2、疗策略。旨在克服耐药性威胁,提高人类生存质量。概述抗生素是人类20 世纪最伟大的发现之一,嗣后人类又大量开发了多种抗菌药物,目前用于临床的 200种。然而,如此巨大的成果因滥用而变得脆弱:在使用第一代青霉素时细菌就已经出现耐药性,最初药物偶而对某些细菌失效,渐而耐药性细菌逐渐演变为拥有“地位优势”并增殖。迄今为止,不存在对抗生素完全无耐药的细菌,也不存在对抗生素完全敏感的细菌。耐药性病原体增多特别是多重耐药性病原体的增多使人类面临耐药菌感染的威胁。有医学家惊呼,人类即将进入“后抗生素时代”,更有学者称为“耐药时代”人类大量使用抗生素微生物是生物界中最原始、最微小的生物,对于复杂的生活环境有巨大
3、的适应能力,当环境条件发生改变时,它们也很容易产生与环境作用相应的变异。20 世纪末学者们已注意到微生物因继续与抗生素如青霉素、链霉素相接触而获得耐药性,不仅单纯为耐药性提高、主要是使抗生素完全失效。这种耐药性是在抗生素使用后发生的,称之为获得性耐药性。细菌耐药的类型 天然或基因突变产生的耐药性又称固有耐药,是细菌染色体基因决定的代代相传的天然耐药性。亦称突变耐药,通过染色体遗传基因DNA 发生突变,细菌经突变后的变异株对抗生素耐药,一般突变率很低,由突变产生的耐药菌生长和分裂缓慢,故由突变造成的耐药菌在自然界的耐药菌中不占主要地位,但染色体介导的耐药菌并不少见。获得耐药性或质粒介导的耐药性细
4、菌在接触抗生素后产生的耐药性,可通过突变产生,也可以通过获得新的DNA 而产生,发生的遗传基础是染色体外的DNA 片段,即耐药质粒。该DNA 片段常带有耐药基因,极大多数致病菌均具有耐药质粒。耐药基因可从一个质粒转移到另一个质粒,或从质粒到染色体或从染色体到噬菌体。这种转移方式使耐药因子增多,易于传递散播,造成医院内或医院外感染流行,对人类形成严重威胁。获得性耐药性的产生抗生素的选择性使用,将耐药性低的细菌消灭后(或敏感菌被抗生素的选择性作用杀死后)留下的就只有耐药性强的耐药菌;抗生素对病原体产生诱导变异,令DNA 等遗传物质发生化学变化而产生耐药性。目前认为主要是抗生素刺激产生耐药性,选择作
5、用是次要的。由抗生素刺激产生的诱导变异可遗传给后代,其遗传程度决定于作用的强度和代数 产生灭活酶细菌通过产生破坏或改变抗生素结构的酶如2内酰胺酶、氨基苷类钝化酶和氯霉素乙酰转移酶,使抗生素失去或减低活性。2内酰胺酶可通过水解或结合2内酰胺类抗生素而将其灭活,由G+菌如金黄色葡萄球菌所产生的青霉素酶最重要,由G-菌所产生的2内酰胺酶系是G-菌中最重要和最常见的耐药机制。酶的来源有由染色体介导的,亦有由质粒介导的。产生灭活酶近半个世纪以来,每当一个新的2内酰胺类抗生素上市,就会选择出相对应的新突变的产2内酰胺酶的菌株。目前在G-杆菌中最引人注目的是细菌产超广谱2内酰胺酶(ESBLS)和Bush 组
6、2内酰胺酶。广谱头孢菌素,尤其是第三代头孢菌素的广泛使用,产生出的选择性压力,导致产ESBLS 的G-杆菌增多的主因,ESBLS 可水解头孢噻肟、头孢他定等第三代头孢菌素而使之失活,但可为酶抑制药所抑制。Bush 组2内酰胺酶为一种诱导酶,在无抗生素的情况下,只产生极微量的2内酰胺酶,当接触抗生素后,可被诱导产生大量的酶,而去除抗生素后产酶水平又可恢复正常。Bush 组2内酰胺酶由Amp C 基因编码。Amp C 基因具有较高水平的自然突变率,当使用超广谱头孢菌素后,Amp C 基因自发突变,可致稳定的去阻遏表达,而产生持续性高水平酶直至成百上千倍地升高、引起颇为棘手的耐药性,除碳青霉烯类外,
7、大多数2内酰胺类抗生素及酶抑制药复方都可被其破坏而失活性。膜通透性的改变(细菌壁屏障功能)包括降低细菌细胞壁通透性和主动外排两种机制,以阻止抗生素进入细菌或将抗生素快速泵出,泵出速度往往比流入速度更快。G+菌因缺少细菌外膜,故不存在膜通透性下降的耐药机制。G-菌是通过一种膜蛋白令2内酰胺类抗生素进入细胞的。这种蛋白质是由水填充的、中空的,称为膜孔蛋白。膜孔蛋白通道非常狭窄,能对大分子及疏水性化合物的穿透形成有效屏障。鼠伤寒杆菌对多种抗生素相对耐药,系因其缺乏微孔蛋白的通道所致。抗生素的泵出细菌阻止抗生素进入细胞或者将抗生素快速泵出,其泵出速度比流入速度更快。2内酰胺类抗生素是通过一种膜蛋白而进
8、入G-细菌细胞的,这种蛋白质是由水填充的、中空的称之为膜孔蛋白。抗亚胺培南的铜绿假单胞菌,因缺乏特异性D2膜孔蛋白而具有耐药性,致使亚胺培南不能穿透细胞。氟诺酮类抗菌药物和氨基苷类抗生素的耐药机制也与之类似。通过耗能的转移泵增加外流量被认为是抗四环素的机制,很多相关基因能编码这种转移泵,比如分布在肠杆菌科中的tet(A)2。新靶蛋白产生细菌能产生抵抗抗生素抑制作用的替代性靶蛋白(通常是一种酶),同时继续产生原来的易感性靶蛋白。这种机制使得细菌通过选择得以幸存,替代性酶使抗生素的作用绕道而过。对甲氧西林耐药的金黄色葡萄球菌(MRSA)可额外产生替代性青霉素结合蛋白(PBP2a),也产生正常的青霉
9、素结合蛋白,MRSA 存在mecA 基因,由它编码PBP2a,PBP2a 对所有重要的2内酰胺类抗生素的亲和力均下降,PBP2a可以替代4 种PBPS 的功能,因此MRSA 对几乎所有的2内酰胺类抗生素都耐药。药物作用靶位的改变抗生素可专一性地与细菌细胞内膜上的靶位点结合,干扰细菌壁肽聚糖合成而导致细菌死亡。由于这些靶位能同同位素标记的青霉素共价结合、而称之为青霉素结合蛋白(PBP)。PBP 具有酶活性,参与细菌细胞壁的合成,细菌可改变靶位酶,使其不为抗生素所作用,还可复制或产生新的靶位而获得对某抗生素的耐药性。这种由PBP 介导的耐药性在G+菌中比G-菌中更常见,其中最常见的耐甲氧西林金黄色
10、葡萄球菌(MRSA),由于细菌产生一种新的PBP22而对青霉素、头孢菌素类不敏感。某些淋球菌、肺炎链球菌、铜绿假单胞菌等能改变其PBP的结构,使与2内酰胺类抗生素的亲合力降低而导致耐药。在不少耐药菌中耐药不只是存在一种机制,常可由二种或多种机制形成。一般说,耐药菌只发生在少数细菌中,难于与占优势的敏感菌竞争,只有当敏感菌因抗菌药物的选择性作用而被大量杀灭后,耐药菌才得以大量繁殖而继发各种感染。因此,细菌耐药性的发生、发展是抗菌药物广泛应用和无指征滥用的后果。细菌多重抗生素耐药性的形成机制细菌耐药状况分为两类:单类耐药,即因单一耐药因素,细菌对一类抗菌药物的同类药物均耐药;多重耐药,细菌通过互不
11、联系的耐药机制对两种或两种以上结构完全各异的抗生素出现耐药。质粒介导的多药耐药通常是由不同的单耐药基因装入转座子或者由重组、转位等机制构成的复制子,多由不同基因独立调节机制不同的耐药。质粒上携带多重耐药基因较为人们所熟知,而由染色体介导的多药耐药似乎是在一个调节位点控制下的多基因协作表型,被了解得尚较少。Mar 即多重抗生素耐药性(multiple antibiotic resistance)。多药耐药的机制研究目前主要集中在外膜蛋白的改变或(和)主动排出机制上。G+菌没有外膜,主动排出系统位于细胞膜上,可将药物直接排出细菌外,而G-菌具有外膜,主动排出系统又是如何发挥作用的呢?以大肠埃希菌为
12、例进行叙述大肠埃希菌多重耐药的产生并非由质粒介导,而是由位于染色体上的多重耐药操纵子介导。在大肠埃希菌中发现的多药耐药基因有MarRAB、SoxRS、acrAB、emrAB 等。Mar 基因位于大肠杆菌染色体34 分位,以Mar O 为中心,分别编码MarC、MarR、MarA 和MarB,MarRAB 操纵子为目前研究领域的热点。MarO 是Mar的调控区;MarA 对抗生素的耐药起正向调节作用,是Mar 耐药的核心,单独存在就可以造成Mar 耐药;MarR是一个阻遏因子,当MarR MarO 基因突变,MarA 即可脱抑制形成Mar 耐药;MarB、MarC 的功能目前尚不十分清楚。Mar
13、 基因产物Mar 蛋白在胞内量的增加,可导致Mar 株的MicF 基因转录水平增加,出现OmpF孔道减少,细胞膜对抗生素的通透性下降;Mar 基因亦可调节主动外排系统,增强细胞主动排出功能,二者协同作用,造成细胞内药物累积浓度降低而出现耐药,属膜耐药机制,对结构上无关的多种抗生素表现耐药。耐药基因的起源耐药基因的起源对抗生素耐药基因的起源尚不清楚,因为当开始使用抗生素时,耐药的生化和分子基础还未被人们认识。19141950 年收集的细菌对抗生素完全敏感,只是他们的确包含了一系列能共同传递的质粒。最早报道链球菌的耐药性是20 世纪40 年代早期,后来观察到靶基因突变使耐药性迅速发展,令链霉素治疗
14、失败。现在认为突变是造成结核杆菌耐药的常见机制,它使细菌对大多数抗结核药产生耐药,并且已弄清楚这种突变的分子本质。目前认识到:很多产生抗生素的细菌和真菌具有耐药决定因子,与那些在临床细菌中发现的耐药决定因子相似,因此认为耐药基因可以是早已存在于自然界中,也可以是通过突变(基因变异)而很快地形成,细菌产生的突变也能传递(基因转移)。耐药细菌的变迁耐药细菌的变迁近年来临床上发现的耐药细菌的变迁有以下6 个主要表现:耐甲氧西林的MRSA 感染率增高;凝固酶阴性葡萄球菌(CNS)引起感染增多;耐青霉素肺炎球菌(PRP)在世界传播;出现耐万古霉素尿肠球菌(VRE)感染;耐青霉素和耐头孢菌素的草绿色链球菌
15、(PRS)的出现;产生超广谱2内酰胺酶(ESBL)耐药细菌变异。抗生素耐药菌的传播抗生素耐药菌的传播抗生素的广泛应用改变了人类与细菌之间的微妙平衡。细菌增殖非常迅速,细菌产生的变异也是能传递的,其耐药基因可通过内含子、转座子进入质粒并由此转移至不同的菌种内(同一种属或种属间),即细菌进行DNA 交换。基因交换可能发生在土壤内,也可能是发生在人类或动物肠道内。1959 年医务人员已开始认识到在志贺菌中发现的耐药基内可通过质粒转移至大肠埃希菌中。表明耐药不仅存在于致病菌中,也存在于共生菌中,而且在食物、环境和动物中均可发现它们。由于医生过多地使用抗生素,诱导细菌基因变异而产生耐药性,耐药性基因的转
16、移又可促使耐药性在细胞间传播,因而耐药性可在医院内传播,也可由医院传播至地区,可从一个地区传到另一个社区,一个国家传到另一个国家,从而造成全球性的、世纪性的严重问题,而对全体公众的健康构成威胁。-内酰胺类抗生素耐药机理及对策细菌体内产生-内酰胺酶细菌分泌的酶排到细胞周质中,在-内酰胺环与青霉素结合蛋白(PBPS)靶位点结合前水解-内酰胺环,导致药物失活。-内酰胺酶有200 种以上,且仍不断发现,目前与临床相关的有下列几种。青霉素酶由革兰阳性球菌,葡萄球菌、肺炎球菌及革兰阴性球菌如淋球菌产生,水解青霉素,产生耐药性。目前临床多应用耐酶青霉素如半合成青霉素甲氧苯青霉素、苯唑青霉素,-内酰胺酶抑制剂与-内酰胺类抗生素复合剂。-内酰胺酶抑制剂,如棒酸、克拉维酸、他唑巴坦等本身也是抗生素,但抗菌谱窄、作用弱,组成复合剂后既阻遏了酶的破坏性,又起到协同增效作用。头孢菌素酶(AmpC 酶)革兰阴性菌,如假单胞菌、肠杆菌、不动杆菌和克雷伯菌等产生,存在于染色体中。当存在-内酰胺抗生素,特别是三代头孢菌素时,可诱导AmpC 酶表达水平增加10100 倍,成为高产AmpC 酶的耐药株,并在院内通过染色体介
