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細菌耐藥性產生的分子生物學機理及控制措施
發布者:admin    發布時間:2011年11月12日    點擊:4590

關鍵詞:細菌;耐藥機理;控制措施

自從青霉素問世以來,抗菌藥物在臨床上的應用取得了令人矚目的效果。隨著抗菌藥物的廣泛應用,細菌耐藥性也隨之。近年,由抗菌藥的使用不當而引發的耐藥細菌也越來越多,耐藥范圍越來越廣,程度越來越高,多重耐藥菌株不斷出現,并且耐藥性可通過食物鏈轉移到人群,從而極大地危害人類自身的安全。本文將對細菌耐藥性的產生機理以及耐藥性的控制措施進行如下闡述。

1 細菌耐藥性產生的分子生物學機理

1.1 細菌產生破壞藥物結構的滅活酶

這一類的耐藥細菌常?梢援a生一種或多種滅活酶或鈍化酶來水解或修飾進入細菌細胞內的藥物,使之失去生物活性,這是引起細菌耐藥性的最重要的機制。該酶主要有β­內酰胺酶、氨基糖苷鈍化酶、乙酰轉移酶、紅霉素類鈍化酶等。

1.1.1 β­內酰胺酶(β­lactamase) 這是細菌對β­內酰胺類抗生素產生耐藥性的主要原因。該類酶可以是染色體介導,也可為質粒介導。前者通過改變β­內酰胺類抗生素的作用靶位即青霉素結合蛋白(PBP);后者通過水解和非水解方式,使β­內酰胺環的酰胺鍵斷裂而使抗生素失去抗菌活性。Bush等將β­內酰胺酶分為4型,Ⅰ型是不被克拉維酸抑制的頭孢菌素酶(AmpC酶),Ⅱ型是能被抑制劑所抑制的β­內酰胺酶,Ⅲ型是不被抑制劑(乙二胺四乙酸和對甲酸除外)所抑制的金屬β­內酰胺酶,Ⅳ型是不被克拉維酸抑制的青霉素酶。以第Ⅰ、Ⅱ型尤為重要,Ⅰ型酶為染色體和質粒介導產生的AmpCβ­內酰胺酶,質粒介導的AmpC酶,其AmpC沒有調控基因,呈持續高表達,按染色體起源分為5個家族:①枸櫞酸桿菌起源的LAT族;②未知起源的FOX族;③陰溝腸桿菌起源的Entb族;④摩氏摩根菌起源的Morg族;⑤蜂房哈夫尼菌起源的Haf族。染色體介導的AmpC酶分為4種:①Ia誘導型,見于陰溝腸桿菌;②Ib持續型,見于大腸埃希菌;③Ic誘導型,見于普通變形桿菌;④Id誘導型,見于銅綠假單胞菌。Ⅱ型酶是由質粒介導產生的超廣譜β­內酰胺酶(extended spectrum β­lactamases,ESBLs), 至2007年11月20日全國已發現ESBLs有500余種[1],根據編碼基因同源性的不同分為TEM、SHV、CTX­M、OXA和其他5類。

1.1.2 氨基糖苷類鈍化酶 細菌對氨基糖苷類抗生素產生耐藥性的最重要的原因就是產生了對這一類藥物的共價修飾酶。該酶分為3類,即乙酰轉移酶(AAC) 、磷酸轉移酶(APH)和腺苷酸轉移酶(AAD)。它們能將氨基糖苷類抗生素的游離氨基乙;、游離羥基磷酸化或核苷化,使藥物不易進入細菌體內,也不易與細菌內靶位(核糖體30 S亞基)結合,從而失去抑制蛋白質合成的能力。已發現的基因型已超過30種,其中G-桿菌以aac(3)­Ⅰ、aac(3)­Ⅱ、aac(6′)­Ⅰ、aac(6″)­Ⅱ、ant(3″)­Ⅰ、ant(2″)­Ⅰ基因為常見;G+球菌以aac(6′)/aph(2″)、aph(3″)­Ⅲ、ant(6)­Ⅰ基因為常見。Robiscek A等[2]證實了質粒介導的氨基糖苷類抗生素乙酰轉移酶AAC(6′)­Ib­Cr對喹喏酮類藥物有活性,首次發現了由一種基因編碼的酶對兩類結構不同的抗生素底物同時有活性的現象。

1.1.3 氯霉素乙酰轉移酶 此酶為一種胞內酶,由cat基因家族編碼,其表達產物修飾氯霉素使之失活。

1.1.4 紅霉素類鈍化酶 此酶是一種體質酶,由質粒介導。包括:①紅霉素酯酶:腸桿菌可攜帶ereA基因和ereB基因表達紅霉素酯酶使紅霉素酯解失活;②紅霉素磷酸轉移酶:由mphA,mphB和mphC基因編碼,其表達產物可使紅霉素脫氧二甲胺己糖C­2′位置發生磷酸化或糖基化而失活[3];③維吉尼亞霉素;D移酶:此酶在葡萄球菌中由vatA、vatB、vatC編碼,在腸球菌中有vatD、vatE編碼。其表達產物對維吉尼亞霉素活性有修飾作用。

1.2 靶位的改變

藥物作用靶位改變后會使其失去作用位點,從而使藥物失去作用。研究表明,大環內酯類耐藥菌可通過erm基因編碼核糖體甲基化酶,使位于核糖體50 S亞單位的23 S rRNA的腺嘌呤甲基化,導致抗菌藥物不能與其結合部位結合[4]。至今為止,已檢出erm基因20余種,常見的有ermA、ermC、ermAM[5];細菌的16 S rRNA基因發生突變時,氨基糖苷類藥物將對其失去作用;喹諾酮類藥物主要作用于細菌的DNA回旋酶或拓撲異構酶Ⅳ而起抗菌作用,當編碼DNA回旋酶的gyrA(突變部位集中在Ser83附近)、gyrB基因,編碼拓撲異構酶Ⅳ的parC、parE基因突變時,通過其表達產物的構象改變而導致耐藥,由此研究者提出了突變抑制濃度(mutants prevention concentration,MPC)的概念[6­7]。肺炎鏈球菌可通過其青霉素結合蛋白基因(pbp1A、pbp2B)突變,對青霉素類藥物產生耐藥[8]。

1.3 細菌生物被膜的形成

細菌生物被膜(bacterial biofilm,BBF)是指細菌黏附于固體或有機腔道表面,形成微菌落,并分泌細胞外多糖蛋白復合物將自身包裹其中而形成的膜狀物。細菌形成生物被膜后,往往對抗菌藥物產生耐藥性,其主要原因有:①細菌生物被膜中的胞外多糖起屏障作用,可減少抗菌藥物滲透;②吸附抗菌藥物鈍化酶,促進抗菌藥物水解;③細菌在生物被膜下代謝低下,對抗菌藥物敏感性降低;④生物被膜的存在阻止了機體對細菌的免疫力,產生免疫逃逸現象,減弱機體免疫力與抗菌藥物的協同殺菌作用[9];⑤生物被膜的形成有利于抗生素外排泵的合成[10]。能形成細菌生物被膜的臨床常見致病菌有銅綠假單胞菌、表皮葡萄球菌和大腸埃希菌等。

1.4 阻礙抗菌藥向細菌內的滲透

細菌細胞壁的障礙或細胞膜通透性的改變,使抗菌藥無法進入細胞內達到作用靶位而發揮抗菌效能,這是細菌自身的一種防衛機制。該類細菌主要見于革蘭氏陰性菌,與其細胞壁的結構有關。細菌發生突變失去某種特異孔蛋白后即可導致細菌耐藥性,如大腸埃希菌由于外膜蛋白F(OmpF)的缺失,OmpC的增多(有時下降)致使某些藥物失去抗菌作用[11],引起OmpF缺失的機制主要是由于細菌染色體的mar區基因突變所致。大腸埃希菌mar基因位于細菌染色體34分位處,mar位點以maro為中心,包含2個操縱子,其中maro是mar的調控區,它包含有轉錄啟動子和MarA、MarR蛋白結合位點。

1.5 主動外排系統(外排泵)

細菌細胞膜上存在一類蛋白,在能量支持下,將藥物選擇性或非選擇性地排出細菌細胞外,此過程稱為主動外排系統亢進,從而使達到作用靶位的藥物濃度明顯降低而導致耐藥[12]。

與細菌多重抗菌藥耐藥性有關的主動外排泵系統主要歸于以下5個家族/類[13]:①ATP結合盒轉運體類[ATP­binding cassemembrane affinity filtration(ABC)transporters,ABC類];②主要易化超家族(major facilitator superfamily,MFS類);③藥物與代謝物轉運體家族[drug/metabolite transporter (DMT)superfamily] ,此類外排轉運體中與細菌耐藥性相關的是一類“小多重耐藥性(small multi­drug resistance,SMR類)”外排泵;④多重藥物與毒物外排家族(multidrug and toxic compound extrusion,MATE);⑤耐受­生節­分裂家族(resistance­nodu1ation­division[RND]family,RND類)。以上各類轉運體中除ABC類以ATP水解能量驅動外排泵外,其余各類均以質子驅動力為能量,并形成質子與藥物的反轉運體。

近年已研究了多種細菌的主動外排系統,如大腸埃希菌RND多重藥物主動外排泵系統AcrA­AcrB­TolC[14],并且在對多重耐藥大腸埃希菌的研究中發現其存在四環素和水楊酸鈉的主動外排系統[15],銅綠假單胞菌主動外排系統MexAB­OprM、MexCD­OprJ 、MexEF­OprN[16],枯草桿菌細胞膜上Bmr等主動外排系統[17]。藥物的主動外排系統已被認為是導致細菌對多種抗生素產生耐藥性的重要原因之一。此外,整合子屬可移動基因元件,能攜帶重組的基因盒插入到轉座子或接合性質粒中,在不同的細菌間運動而傳播耐藥性,同時一個整合子可以捕獲多個基因盒, 使細菌產生多重耐藥[18]。

2 控制細菌耐藥性的主要措施

2.1 一般性措施

2.1.1 對疫病做出準確診斷,合理使用抗菌藥。這就要求基層獸醫人員提高診斷技能和加強相關醫療知識,對癥下藥。掌握用藥常識,先窄譜后廣譜,先一線后二線的給藥順序及聯合用藥,應嚴格控制抗菌藥物的濫用,對非細菌感染性疾病不要盲目的使用抗菌藥。在使用抗菌藥治療疾病前,有條件的應作藥物敏感性試驗,科學的選擇高敏、低毒的藥物。

2.1.2 在養殖生產中,盡量做到不用抗菌藥物來預防疾病,應提高動物機體免疫力,通過其自身來抵御疫病的感染。

2.1.3 加強獸藥管理,嚴厲打擊假藥和劣質產品。獸藥生產企業應嚴格執行GMP標準,獸藥經營企業應取得GSP認證。

2.1.4 嚴密監測抗菌藥的耐藥性,提供耐藥性流行資料。一經發現耐藥性,應減少該類藥物的使用,甚至停止使用。

2.2 藥物本身的改進

2.2.1 采用中藥手段消除R質粒,控制細菌耐藥性 中藥具有副作用小、不易產生耐藥性的特點,從中藥中選擇用于體內的R質粒消除劑,對于控制細菌耐藥性的傳播與中藥的開發利用都具有十分重要的意義。中藥體外作用表現為單一耐藥性的丟失,體內作用卻表現為多重耐藥性的丟失[19]。單味中藥的質粒消除率要低于復方,可能是使用性能功效相似的同類藥物組成復方起到協同作用,增強藥物的療效[20]。羅音久[21]對大腸埃希菌環丙沙星耐藥性的消除進行研究,結果發現紫花地丁提取物對大腸埃希菌環丙沙星耐藥性有消除作用。

2.2.2 尋找不使用抗生素來治療細菌感染的新策略、倨茐哪退幓,使耐藥菌恢復對抗生素的敏感性;②開發抗菌肽,因其獨特的生物活性以及不同于傳統抗生素的特殊作用機理,已引起人們極大的研究興趣;③研發更多特異性強的細菌疫苗。

2.2.3 研制和開發新的抗菌藥物 根據細菌耐藥性的發生機制及其與抗菌藥物結構的關系,尋找和研制具有抗菌活性,尤其對耐藥菌有活性的新抗菌藥。如采用納米技術等新技術,提高藥物的靶向作用及緩釋性等特性,以加強新型抗生素及其復合制劑的研究。

2.2.4 開發利用噬菌體制劑 不同種類的噬菌體溶菌機制存在著差異,具有大基因組的噬菌體依靠hollin蛋白­內溶素系統[22],而小基因組的噬菌體僅編碼一種溶解蛋白,可起到類似于青霉素樣的作用,通過阻礙細胞壁的合成而殺菌。

2.2.5 研制細菌的頡頏劑、贉缁蠲敢种苿。已有3種β­內酰胺酶抑制劑,包括克拉維酸、舒巴坦和三唑巴坦,它們都具有β­內酰胺環,可以與β­內酰胺酶競爭性結合,保護青霉素和頭孢菌素類藥物不被滅活,但其本身抗菌活性卻極小,常與其他抗菌藥物合用;②膜通透劑。一些抗生素如多黏菌素、氨基糖苷類和大環內酯類通過破壞細菌細胞膜的完整性,增加膜的通透性而達到抗菌作用;③外排泵抑制劑。Marquez B等[23]從麻瘋樹屬植物的根莖中提取得到化合物,屬于吡啶二羧酸酯類,對金黃色葡萄球菌中的NorA泵有較好的抑制作用, Maria R F等[24]從25種巴西傳統植物中提取得到的9個化合物,對耐藥的金黃色葡萄球菌有較高活性;喹諾酮類藥物外排泵抑制劑MC­207110,能明顯抑制銅綠假單胞桿菌的Mex外排泵系統和大腸埃希菌的AcrAB外排泵系統;13­CPTC是四環素(TC)的衍生物,能競爭性地與細菌B型四環素外排泵[Tet(B)protein]結合,阻斷Tet(B)與TC結合,從而避免細菌將TC排出胞外;④細菌生物被膜抑制劑。司帕沙星對生物被膜具有較好的通透性,且其殺菌作用不依賴細菌的生長率,故對生物被膜內細菌具有良好的清除作用,是治療細菌生物被膜感染的良好選擇?死顾乜梢种沏~綠假單胞菌BF的形成,并可增強環丙沙星對有BF的銅綠假單胞菌的殺菌作用。

 
 

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