02　從生態(tài)學(xué)角度理解細(xì)菌耐藥性傳播

全球每年有上百萬人死于多重耐藥菌造成的感染。在抗菌藥物廣泛使用70年后，耐藥性使細(xì)菌感染再次成為人類健康的巨大威脅，我們不得不重新審視抗菌藥物的使用和細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生、傳播。

在人類發(fā)現(xiàn)抗菌藥物之前，耐藥性及耐藥基因已經(jīng)在自然界存在，但數(shù)量非常少。人類現(xiàn)代生產(chǎn)生活方式，尤其是抗菌藥物使用對自然生態(tài)平衡的破壞，加速了細(xì)菌耐藥性的傳播。其中，耐藥基因的擴散是細(xì)菌耐藥性全球播散的最主要遺傳基礎(chǔ)。在耐藥性風(fēng)險管理中，耐藥基因的多樣性和流動性受到越來越多的關(guān)注。本文從生態(tài)角度出發(fā)，闡述耐藥基因的存在、流動及耐藥性在正常菌群、條件致病菌和致病菌中傳播的風(fēng)險，以期更全面理解細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生和其危害。

一、耐藥基因

地球上生存著約5×1030個細(xì)菌，其數(shù)量和分布范圍都非人類及大型動物所企及。在漫長的進化過程中，部分微生物獲得了產(chǎn)生一類被稱為“抗生素”的化學(xué)物質(zhì)的能力，能夠抑制或殺死其他種類的微生物。同時，微生物也平行進化出相應(yīng)的抵抗這些化學(xué)物質(zhì)的能力，被稱為“耐藥性”。微生物在人類發(fā)現(xiàn)和使用抗菌藥物的億萬年前，已經(jīng)具有耐藥性。例如，在新墨西哥的龍舌蘭洞穴，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了隱藏于洞穴中400萬年的類芽孢桿菌，該種細(xì)菌對包括達(dá)托霉素在內(nèi)的7～8種抗菌藥物均具有耐藥性。無論是“抗生素”還是“耐藥分子”，其本質(zhì)都是菌株的代謝產(chǎn)物，參與菌株的理化代謝，在抗菌藥物廣泛使用之前，對抗菌藥物的作用可能只是其眾多代謝功能中極為次要的功能。抗菌藥物的廣泛使用，使其在抗菌藥物的選擇壓力下，進化為介導(dǎo)菌株對藥物不敏感的功能基因，即為通常意義上的耐藥基因。因此，自然生態(tài)中存在的豐富多樣的基因是耐藥性產(chǎn)生的遺傳基礎(chǔ)，不需要人類活動及使用抗菌藥物的影響，耐藥性和耐藥基因天然存在，但抗菌藥物使用及人類現(xiàn)代生產(chǎn)生活方式驅(qū)動了“前體”或“隱身”耐藥基因的進化以及耐藥基因從環(huán)境菌株向病原菌株及在病原菌間的轉(zhuǎn)移，從而得到更多樣、更豐富、流動性更強的耐藥基因。

二、耐藥基因的轉(zhuǎn)移

不同生物個體之間或者細(xì)胞內(nèi)部DNA之間所進行的遺傳物質(zhì)的交流對生物基因組進化和環(huán)境適應(yīng)起著非常重要的作用，在耐藥性發(fā)展中也起到了關(guān)鍵作用。2009年報道的碳青霉烯耐藥基因新德里金屬β-內(nèi)酰胺酶bla_NDM以及2016年沈建忠教授團隊發(fā)現(xiàn)的多黏菌素耐藥基因mcr引起了全球廣泛的關(guān)注和恐慌。這不僅是由于這些基因?qū)е碌膶χ匾呐R床抗感染治療藥物的耐藥，而且因為這些基因位于可移動元件上，可以通過基因橫向轉(zhuǎn)移迅速在不同種屬細(xì)菌間傳遞。同時，這也是近年來耐藥性快速蔓延的最重要原因。

細(xì)菌耐藥基因的橫向轉(zhuǎn)移主要通過以下幾個途徑：轉(zhuǎn)化、質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移、可接合轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)座子和由噬菌體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。轉(zhuǎn)化在哺乳動物腸道內(nèi)可能對耐藥基因的橫向轉(zhuǎn)移的貢獻不大，接合轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)導(dǎo)在其中發(fā)揮了主要作用。質(zhì)粒的接合轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)座子的接合轉(zhuǎn)移不僅可以發(fā)生在親緣關(guān)系近的菌株間，也可以發(fā)生在親緣關(guān)系很遠(yuǎn)的菌株間，介導(dǎo)耐藥基因跨種屬流動。噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)也是耐藥基因移動的另一個重要途徑。整合子雖然不能直接介導(dǎo)耐藥基因的移動，但能夠通過自身編碼的整合酶來捕獲和整合細(xì)胞外游離基因或基因片段，并使之轉(zhuǎn)化為功能性基因的重組表達(dá)，通過耐藥基因盒的整合，耐藥基因從一個整合子向另一個整合子傳遞，完成整合子中耐藥基因盒的積累、重排和流動，創(chuàng)造出多種多樣的多重耐藥基因盒。

不同生物環(huán)境中微生物的接觸是發(fā)生基因轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)，腸道微生態(tài)是人和動物機體內(nèi)最大的微生態(tài)系統(tǒng)，也是腸道耐藥基因組富集及橫向水平轉(zhuǎn)移的主要場所。此外，水體、底泥、土壤等微生物種群豐富的生境也是發(fā)生耐藥基因轉(zhuǎn)移的主要場所。可移動耐藥基因增多，意味著耐藥性傳播的風(fēng)險大，不同生境中可移動耐藥基因的數(shù)量是評估耐藥性傳播風(fēng)險的重要指標(biāo)。

三、耐藥基因轉(zhuǎn)移的驅(qū)動力

雖然耐藥基因的多樣性及普遍性是自然生態(tài)的固有特征，但現(xiàn)代工業(yè)和人類的生活方式對環(huán)境和生態(tài)的影響是這些古老耐藥基因從自然生境向臨床生境快速播散的驅(qū)動力。抗菌藥物對耐藥基因的選擇和驅(qū)動不言而喻，此處不再贅述。但除此之外，消毒劑和金屬離子對耐藥基因的選擇作用一直被忽視。

乙醇、甲醛、氯己定（洗必泰）、三氯生、季銨鹽等化學(xué)消毒劑在醫(yī)院、家庭的各類清潔產(chǎn)品、管道和家具保養(yǎng)產(chǎn)品中廣泛使用。從1992—2007年的15年間，全球化學(xué)消毒劑的使用量增長了40%。這些化學(xué)消毒劑降解或未經(jīng)降解的殘留物經(jīng)污水處理系統(tǒng)排入土壤及水體，污染整個生態(tài)系統(tǒng)，影響其中的微生態(tài)種群結(jié)構(gòu)。大量研究證明，抗菌藥物和消毒劑的某些耐藥機制是交叉的，如對苯扎氯胺耐受的金黃色葡萄球菌相比敏感的金黃色葡萄球菌對苯唑西林的最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）提高了8倍。已經(jīng)證實，亞致死劑量的三氯生、氯己定和季銨鹽等消毒劑在選擇消毒劑耐受菌株的同時，也富集出了對抗菌藥物耐受的耐藥菌和耐藥基因。

現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活方式中金屬離子被廣泛應(yīng)用，如鈦、銅、銀、鉛、銅、鋅、鎘等。金屬離子通過污水、動物排泄物、工業(yè)廢氣包括汽車尾氣等，進入空氣、水體和土壤中。金屬離子耐受基因的流行分布是生態(tài)環(huán)境中金屬離子選擇壓力下宿主菌中金屬離子耐受基因進化的結(jié)果。基因組序列分析顯示，金屬離子耐受基因通常由質(zhì)粒攜帶，攜帶金屬離子耐受基因的質(zhì)粒往往也同時攜帶抗菌藥物耐藥基因。在對4 582個質(zhì)粒的分析發(fā)現(xiàn)，約有5%的質(zhì)粒同時攜帶耐藥基因和金屬離子耐受基因。金屬離子和抗菌藥物的雙重選擇，加快了耐藥質(zhì)粒在菌株間的快速傳播。

因此，生態(tài)環(huán)境中抗菌藥物、殺蟲劑和金屬離子的污染是耐藥基因的三大主要的選擇壓力，驅(qū)動耐藥基因在微生物種群間的快速傳播。

四、耐藥基因向病原菌的傳遞

雖然目前耐藥性集中在院內(nèi)感染的條件致病菌，但生態(tài)環(huán)境中選擇壓力持續(xù)存在，可移動耐藥基因組數(shù)量不斷增加，病原菌與耐藥菌處于同一生境中的概率增加，耐藥基因擴散到病原菌的風(fēng)險也將持續(xù)增加。下面將以沙門菌和鼠疫耶爾森菌為例，介紹不同生境下耐藥性向病原菌傳播的現(xiàn)狀和風(fēng)險。

沙門菌根據(jù)感染類型的不同，主要分為傷寒沙門菌和非傷寒沙門菌兩種類型。傷寒沙門菌主要為血流感染，而非傷寒沙門菌通常表現(xiàn)為腸道感染。兩種不同感染類型的沙門菌藥物敏感性狀況有很大的不同，尤以非傷寒沙門菌中的鼠傷寒沙門菌耐藥情況最為嚴(yán)重。總體來說，非傷寒沙門菌的耐藥情況明顯比傷寒沙門菌的情況更嚴(yán)重。自20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了同時耐氨芐西林、氯霉素、鏈霉素、磺胺類藥物及四環(huán)素5種抗菌藥物耐藥表型的鼠傷寒沙門菌克隆群（ampicillin，chloramphenicol，streptomycin，sulfamethoxazole and tetracycline，ACSSuT），具有完全相同或相似的脈沖場凝膠電泳（pulsed field gel electrophoresis，PFGE）圖譜及優(yōu)勢噬菌體型DT104，目前已擴散至多個國家。我國人源沙門菌特別是鼠傷寒沙門菌中，約16%的菌株具有此耐藥表型。介導(dǎo)ACSSuT耐藥表型的基因位于染色體上，被稱為沙門菌多重耐藥基因島（Salmonella multidrug resistant genomic island，SGI）。分子遺傳特征表明，這種SGI島編碼的耐藥基因是由動物傳播至人類，并在腸道菌如沙門菌、變形桿菌、大腸埃希菌及克雷伯菌間傳遞。兩種沙門菌所處的生境的不同，推測是其耐藥狀況差異的重要原因之一。

鼠疫耶爾森菌是烈性傳染病鼠疫的病原體，為二類高致病性病原微生物。鼠疫耶爾森菌對各類抗菌藥物通常是敏感的，極少耐藥。但1995年，從一位馬達(dá)加斯加的患者體內(nèi)分離到一株對鏈霉素、慶大霉素、四環(huán)素、氯霉素和磺胺類藥物均耐藥的多重耐藥鼠疫耶爾森菌。基因序列分析顯示，介導(dǎo)上述耐藥表型的耐藥基因位于一個在腸桿菌科菌株中廣泛存在的可接合轉(zhuǎn)移的Inc6類型的質(zhì)粒上。同一年，在馬達(dá)加斯加的另一位患者體內(nèi)分離到一株對鏈霉素耐藥的鼠疫耶爾森菌，該菌株攜帶一個IncP類型的可接合轉(zhuǎn)移質(zhì)粒，氨基糖苷類磷酸化酶基因（aph）位于該質(zhì)粒上，介導(dǎo)了菌株對氨基糖苷類藥物的耐藥。腸桿菌科菌株攜帶大量的可接合轉(zhuǎn)移的耐藥質(zhì)粒，Inc6和IncP類型質(zhì)粒均是腸桿菌科細(xì)菌廣泛攜帶的質(zhì)粒，上述兩個事例證實鼠疫耶爾森菌可以攜帶腸桿菌科耐藥質(zhì)粒。2002年，Hinnebusch將大腸埃希菌和鼠疫耶爾森菌同時感染跳蚤，在跳蚤腸道內(nèi)，大腸埃希菌細(xì)胞內(nèi)的耐藥質(zhì)粒在無任何抗菌藥物選擇壓力的情況下，向鼠疫耶爾森菌轉(zhuǎn)移的效率可高達(dá)10-3。雖然耐藥腸桿菌科菌株和鼠疫耶爾森菌共處同一生境的概率目前還比較低，但耐藥腸桿菌科菌株與鼠疫耶爾森菌共存于跳蚤、蜱等媒介生物消化道內(nèi)的風(fēng)險還是存在的，提示我們需要高度警惕腸桿菌科耐藥質(zhì)粒向鼠疫耶爾森菌橫向轉(zhuǎn)移耐藥元件的風(fēng)險。

五、結(jié)語

抗菌藥物耐藥基因的多樣性及其在全球微生物中的流動性是細(xì)菌耐藥性快速發(fā)展的遺傳基礎(chǔ)。人類現(xiàn)代生產(chǎn)、生活方式對生態(tài)環(huán)境的破壞驅(qū)動了耐藥性的進化和流動，而人類對抗菌藥物盲目使用和監(jiān)管缺失進一步加速了耐藥性在環(huán)境菌株、條件致病菌和致病菌中的產(chǎn)生和快速傳播。我們必須深刻理解抗菌藥物的使用和耐藥性是相輔相成的，加強病原菌耐藥性監(jiān)測，提高抗菌藥物的精準(zhǔn)使用率；完善廢水處理工藝，加強廢水中抗菌藥物、消毒劑、重金屬離子的高效去除；加強對含有抗菌藥物、耐藥基因和耐藥菌株的污物廢水的管理，減少耐藥菌株通過食物、廢物、廢水向人群和動物傳播，減少耐藥基因在生態(tài)系統(tǒng)中的負(fù)荷，是減少耐藥性傳遞風(fēng)險的重要手段。

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