02　从生态学角度理解细菌耐药性传播

全球每年有上百万人死于多重耐药菌造成的感染。在抗菌药物广泛使用70年后，耐药性使细菌感染再次成为人类健康的巨大威胁，我们不得不重新审视抗菌药物的使用和细菌耐药性的产生、传播。

在人类发现抗菌药物之前，耐药性及耐药基因已经在自然界存在，但数量非常少。人类现代生产生活方式，尤其是抗菌药物使用对自然生态平衡的破坏，加速了细菌耐药性的传播。其中，耐药基因的扩散是细菌耐药性全球播散的最主要遗传基础。在耐药性风险管理中，耐药基因的多样性和流动性受到越来越多的关注。本文从生态角度出发，阐述耐药基因的存在、流动及耐药性在正常菌群、条件致病菌和致病菌中传播的风险，以期更全面理解细菌耐药性的产生和其危害。

一、耐药基因

地球上生存着约5×1030个细菌，其数量和分布范围都非人类及大型动物所企及。在漫长的进化过程中，部分微生物获得了产生一类被称为“抗生素”的化学物质的能力，能够抑制或杀死其他种类的微生物。同时，微生物也平行进化出相应的抵抗这些化学物质的能力，被称为“耐药性”。微生物在人类发现和使用抗菌药物的亿万年前，已经具有耐药性。例如，在新墨西哥的龙舌兰洞穴，科学家们发现了隐藏于洞穴中400万年的类芽孢杆菌，该种细菌对包括达托霉素在内的7～8种抗菌药物均具有耐药性。无论是“抗生素”还是“耐药分子”，其本质都是菌株的代谢产物，参与菌株的理化代谢，在抗菌药物广泛使用之前，对抗菌药物的作用可能只是其众多代谢功能中极为次要的功能。抗菌药物的广泛使用，使其在抗菌药物的选择压力下，进化为介导菌株对药物不敏感的功能基因，即为通常意义上的耐药基因。因此，自然生态中存在的丰富多样的基因是耐药性产生的遗传基础，不需要人类活动及使用抗菌药物的影响，耐药性和耐药基因天然存在，但抗菌药物使用及人类现代生产生活方式驱动了“前体”或“隐身”耐药基因的进化以及耐药基因从环境菌株向病原菌株及在病原菌间的转移，从而得到更多样、更丰富、流动性更强的耐药基因。

二、耐药基因的转移

不同生物个体之间或者细胞内部DNA之间所进行的遗传物质的交流对生物基因组进化和环境适应起着非常重要的作用，在耐药性发展中也起到了关键作用。2009年报道的碳青霉烯耐药基因新德里金属β-内酰胺酶bla_NDM以及2016年沈建忠教授团队发现的多黏菌素耐药基因mcr引起了全球广泛的关注和恐慌。这不仅是由于这些基因导致的对重要的临床抗感染治疗药物的耐药，而且因为这些基因位于可移动元件上，可以通过基因横向转移迅速在不同种属细菌间传递。同时，这也是近年来耐药性快速蔓延的最重要原因。

细菌耐药基因的横向转移主要通过以下几个途径：转化、质粒接合转移、可接合转移的转座子和由噬菌体介导的转导。转化在哺乳动物肠道内可能对耐药基因的横向转移的贡献不大，接合转移和转导在其中发挥了主要作用。质粒的接合转移和转座子的接合转移不仅可以发生在亲缘关系近的菌株间，也可以发生在亲缘关系很远的菌株间，介导耐药基因跨种属流动。噬菌体转导也是耐药基因移动的另一个重要途径。整合子虽然不能直接介导耐药基因的移动，但能够通过自身编码的整合酶来捕获和整合细胞外游离基因或基因片段，并使之转化为功能性基因的重组表达，通过耐药基因盒的整合，耐药基因从一个整合子向另一个整合子传递，完成整合子中耐药基因盒的积累、重排和流动，创造出多种多样的多重耐药基因盒。

不同生物环境中微生物的接触是发生基因转移的基础，肠道微生态是人和动物机体内最大的微生态系统，也是肠道耐药基因组富集及横向水平转移的主要场所。此外，水体、底泥、土壤等微生物种群丰富的生境也是发生耐药基因转移的主要场所。可移动耐药基因增多，意味着耐药性传播的风险大，不同生境中可移动耐药基因的数量是评估耐药性传播风险的重要指标。

三、耐药基因转移的驱动力

虽然耐药基因的多样性及普遍性是自然生态的固有特征，但现代工业和人类的生活方式对环境和生态的影响是这些古老耐药基因从自然生境向临床生境快速播散的驱动力。抗菌药物对耐药基因的选择和驱动不言而喻，此处不再赘述。但除此之外，消毒剂和金属离子对耐药基因的选择作用一直被忽视。

乙醇、甲醛、氯己定（洗必泰）、三氯生、季铵盐等化学消毒剂在医院、家庭的各类清洁产品、管道和家具保养产品中广泛使用。从1992—2007年的15年间，全球化学消毒剂的使用量增长了40%。这些化学消毒剂降解或未经降解的残留物经污水处理系统排入土壤及水体，污染整个生态系统，影响其中的微生态种群结构。大量研究证明，抗菌药物和消毒剂的某些耐药机制是交叉的，如对苯扎氯胺耐受的金黄色葡萄球菌相比敏感的金黄色葡萄球菌对苯唑西林的最小抑菌浓度（minimum inhibitory concentration，MIC）提高了8倍。已经证实，亚致死剂量的三氯生、氯己定和季铵盐等消毒剂在选择消毒剂耐受菌株的同时，也富集出了对抗菌药物耐受的耐药菌和耐药基因。

现代化的生产和生活方式中金属离子被广泛应用，如钛、铜、银、铅、铜、锌、镉等。金属离子通过污水、动物排泄物、工业废气包括汽车尾气等，进入空气、水体和土壤中。金属离子耐受基因的流行分布是生态环境中金属离子选择压力下宿主菌中金属离子耐受基因进化的结果。基因组序列分析显示，金属离子耐受基因通常由质粒携带，携带金属离子耐受基因的质粒往往也同时携带抗菌药物耐药基因。在对4 582个质粒的分析发现，约有5%的质粒同时携带耐药基因和金属离子耐受基因。金属离子和抗菌药物的双重选择，加快了耐药质粒在菌株间的快速传播。

因此，生态环境中抗菌药物、杀虫剂和金属离子的污染是耐药基因的三大主要的选择压力，驱动耐药基因在微生物种群间的快速传播。

四、耐药基因向病原菌的传递

虽然目前耐药性集中在院内感染的条件致病菌，但生态环境中选择压力持续存在，可移动耐药基因组数量不断增加，病原菌与耐药菌处于同一生境中的概率增加，耐药基因扩散到病原菌的风险也将持续增加。下面将以沙门菌和鼠疫耶尔森菌为例，介绍不同生境下耐药性向病原菌传播的现状和风险。

沙门菌根据感染类型的不同，主要分为伤寒沙门菌和非伤寒沙门菌两种类型。伤寒沙门菌主要为血流感染，而非伤寒沙门菌通常表现为肠道感染。两种不同感染类型的沙门菌药物敏感性状况有很大的不同，尤以非伤寒沙门菌中的鼠伤寒沙门菌耐药情况最为严重。总体来说，非伤寒沙门菌的耐药情况明显比伤寒沙门菌的情况更严重。自20世纪90年代出现了同时耐氨苄西林、氯霉素、链霉素、磺胺类药物及四环素5种抗菌药物耐药表型的鼠伤寒沙门菌克隆群（ampicillin，chloramphenicol，streptomycin，sulfamethoxazole and tetracycline，ACSSuT），具有完全相同或相似的脉冲场凝胶电泳（pulsed field gel electrophoresis，PFGE）图谱及优势噬菌体型DT104，目前已扩散至多个国家。我国人源沙门菌特别是鼠伤寒沙门菌中，约16%的菌株具有此耐药表型。介导ACSSuT耐药表型的基因位于染色体上，被称为沙门菌多重耐药基因岛（Salmonella multidrug resistant genomic island，SGI）。分子遗传特征表明，这种SGI岛编码的耐药基因是由动物传播至人类，并在肠道菌如沙门菌、变形杆菌、大肠埃希菌及克雷伯菌间传递。两种沙门菌所处的生境的不同，推测是其耐药状况差异的重要原因之一。

鼠疫耶尔森菌是烈性传染病鼠疫的病原体，为二类高致病性病原微生物。鼠疫耶尔森菌对各类抗菌药物通常是敏感的，极少耐药。但1995年，从一位马达加斯加的患者体内分离到一株对链霉素、庆大霉素、四环素、氯霉素和磺胺类药物均耐药的多重耐药鼠疫耶尔森菌。基因序列分析显示，介导上述耐药表型的耐药基因位于一个在肠杆菌科菌株中广泛存在的可接合转移的Inc6类型的质粒上。同一年，在马达加斯加的另一位患者体内分离到一株对链霉素耐药的鼠疫耶尔森菌，该菌株携带一个IncP类型的可接合转移质粒，氨基糖苷类磷酸化酶基因（aph）位于该质粒上，介导了菌株对氨基糖苷类药物的耐药。肠杆菌科菌株携带大量的可接合转移的耐药质粒，Inc6和IncP类型质粒均是肠杆菌科细菌广泛携带的质粒，上述两个事例证实鼠疫耶尔森菌可以携带肠杆菌科耐药质粒。2002年，Hinnebusch将大肠埃希菌和鼠疫耶尔森菌同时感染跳蚤，在跳蚤肠道内，大肠埃希菌细胞内的耐药质粒在无任何抗菌药物选择压力的情况下，向鼠疫耶尔森菌转移的效率可高达10-3。虽然耐药肠杆菌科菌株和鼠疫耶尔森菌共处同一生境的概率目前还比较低，但耐药肠杆菌科菌株与鼠疫耶尔森菌共存于跳蚤、蜱等媒介生物消化道内的风险还是存在的，提示我们需要高度警惕肠杆菌科耐药质粒向鼠疫耶尔森菌横向转移耐药元件的风险。

五、结语

抗菌药物耐药基因的多样性及其在全球微生物中的流动性是细菌耐药性快速发展的遗传基础。人类现代生产、生活方式对生态环境的破坏驱动了耐药性的进化和流动，而人类对抗菌药物盲目使用和监管缺失进一步加速了耐药性在环境菌株、条件致病菌和致病菌中的产生和快速传播。我们必须深刻理解抗菌药物的使用和耐药性是相辅相成的，加强病原菌耐药性监测，提高抗菌药物的精准使用率；完善废水处理工艺，加强废水中抗菌药物、消毒剂、重金属离子的高效去除；加强对含有抗菌药物、耐药基因和耐药菌株的污物废水的管理，减少耐药菌株通过食物、废物、废水向人群和动物传播，减少耐药基因在生态系统中的负荷，是减少耐药性传递风险的重要手段。

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