抗生素的來源與控制對策

抗生素的來源與控制對策抗生素除了大量用于人類疾病的治療外，還作為飼料添加劑被廣泛應(yīng)用于動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)。微生物的抗生素耐藥性就是指微生物能夠在抗生素存在的情況下生長和繁殖?？股啬退幮允黔h(huán)境微生物固有的，即所謂的內(nèi)在抗性，但是人類大量使用抗生素帶來的抗生素抗性基因的擴(kuò)散和傳播普遍存在，且已開始威脅到全球人群的健康。微生物對抗生素的抗性主要有3個(gè)機(jī)制：（1）抗生素的外排；（2）抗生素的降解或修飾；（3）抗生素作用位點(diǎn)的保護(hù)。大量研究表明，抗生素的使用和抗生素抗性的蔓延呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，而且環(huán)境微生物的抗性可以通過基因橫向轉(zhuǎn)移向人類致病菌擴(kuò)散，最終可能導(dǎo)致超級(jí)細(xì)菌的爆發(fā)，直接影響人類健康。為了應(yīng)對全球性的抗生素抗性問題，必須：（1）加強(qiáng)全球抗生素使用和環(huán)境排放的監(jiān)管政策和管理體系；（2）建立快速和透明的抗生素耐藥性監(jiān)測體系，使其涵蓋醫(yī)院、養(yǎng)殖業(yè)、污水處理廠等；（3）建立抗生素藥物創(chuàng)新基金，通過政府和企業(yè)的聯(lián)合，加快新型藥物的研制；同時(shí)加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，使新藥創(chuàng)制走上可持續(xù)之路；（4）加強(qiáng)抗生素耐藥性相關(guān)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，包括耐藥性發(fā)生和傳播的生態(tài)學(xué)機(jī)制，消除和緩解耐藥性發(fā)生和傳播的環(huán)境技術(shù)及其系統(tǒng)解決方案等，包括改進(jìn)污水處理廠的處理工藝，削減出水中抗性基因和抗性菌的比例；（5）加強(qiáng)抗生素耐藥性的科普宣傳，提高全社會(huì)對耐藥性的認(rèn)知能力，從而在源頭上有效控制抗生素在農(nóng)業(yè)和醫(yī)療方面的濫用及其環(huán)境污染。關(guān)鍵詞：城市化，抗生素，耐藥性，超級(jí)細(xì)菌，環(huán)境健康抗生素的發(fā)現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)與使用是人類醫(yī)學(xué)史上的巨大進(jìn)步，挽救了數(shù)以億計(jì)的病人。自1928年弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素以來，歷史上曾有3次諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了發(fā)現(xiàn)抗生素的科學(xué)家（圖1）。除臨床使用外，1950年美國食品與藥品管理局（FDA）還首次批準(zhǔn)抗生素可作為飼料添加劑，抗生素因此被全面推廣應(yīng)用于動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)，在預(yù)防和治療動(dòng)物傳染性疾病，促進(jìn)動(dòng)物生長及提高飼料轉(zhuǎn)化率等方面發(fā)揮了重要作用。而幾乎在20世紀(jì)40年代第一代青霉素開始使用之時(shí)，就出現(xiàn)了細(xì)菌對其的耐藥性，科學(xué)家也意識(shí)到抗生素的耐藥性問題。事實(shí)上，抗生素耐藥性是微生物的一種自然進(jìn)化過程，但是在迄今的70年間，由于抗生素在醫(yī)療及養(yǎng)殖領(lǐng)域的大量使用，甚至濫用，這一進(jìn)化過程被大大加快，導(dǎo)致抗生素耐藥性的不斷發(fā)展，在人類致病菌、動(dòng)物致病菌、動(dòng)物腸道傳染病原體及人與動(dòng)物共生菌中都出現(xiàn)了抗生素耐藥性，并且由單一耐藥性發(fā)展到多重耐藥性。近年來，耐藥性病原菌特別是多重耐藥菌的增多與人類研發(fā)新型抗生素進(jìn)展緩慢間的矛盾日益凸顯，有學(xué)者驚呼，人類即將進(jìn)入無藥可用的“后抗生素時(shí)代”或“耐藥時(shí)代”。根據(jù)英國首相專門任命的一個(gè)獨(dú)立研究委員會(huì)的報(bào)告指出：如果抗生素耐藥性得不到有效控制，至2050年全球每年耐藥感染的死亡人數(shù)可達(dá)1000萬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出癌癥所導(dǎo)致的死亡數(shù)。從經(jīng)濟(jì)角度講，至2050年抗生素耐藥性將造成的全球GDP損失累計(jì)達(dá)100萬億美元。由于耐藥性的蔓延及其健康危害，抗生素已成為全球緊缺的不可再生資源。我國作為抗生素的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，由于長期不合理的使用及嚴(yán)格監(jiān)管的缺乏，所導(dǎo)致的抗生素耐藥性問題十分嚴(yán)峻，耐藥感染性疾病已成為當(dāng)前臨床感染性疾病死亡的主要原因，亟需從國家戰(zhàn)略的高度加以重視和采取積極有效的應(yīng)對策略，一方面避免新的耐藥性產(chǎn)生，另一方面阻止已經(jīng)存在的耐藥性傳播，從而維護(hù)人體健康和生態(tài)系統(tǒng)安全。1抗生素耐藥性抗生素耐藥性是指一些微生物亞群體能夠在暴露于一種或多種抗生素的條件下得以生存的現(xiàn)象，其主要機(jī)制包括：(1)抗生素失活。通過直接對抗生素的降解或取代活性基團(tuán)，破壞抗生素的結(jié)構(gòu)，從而使抗生素喪失原本的功能；(2)細(xì)胞外排泵。通過特異或通用的抗生素外排泵將抗生素排出細(xì)胞外，降低胞內(nèi)抗生素濃度而表現(xiàn)出抗性；(3)藥物靶位點(diǎn)修飾。通過對抗生素靶位點(diǎn)的修飾，使抗生素?zé)o法與之結(jié)合而表現(xiàn)出抗性。微生物對抗生素的耐性是自然界固有的，因?yàn)榭股貙?shí)際上是微生物的次生代謝產(chǎn)物，因此能夠合成抗生素的微生物首先應(yīng)該具有抗性，否則這些微生物就不能持續(xù)生長。這種固有的抗生素耐藥性，也稱作內(nèi)在抗性(intrinsicresistance)，是指存在于環(huán)境微生物基因組上的抗性基因的原型、準(zhǔn)抗性基因或未表達(dá)的抗性基因。這些耐藥基因起源于環(huán)境微生物，并且在近百萬年的時(shí)間里進(jìn)化出不同的功能，如控制產(chǎn)生低濃度的抗生素來抑制競爭者的生長，以及控制微生物的解毒機(jī)制，微生物之間的信號(hào)傳遞，新陳代謝等，從而幫助微生物更好地適應(yīng)環(huán)境。因此，抗生素耐藥性的問題其實(shí)是自然和古老的?？茖W(xué)家在北極的凍土中提取到3萬年前的古DNA，從中發(fā)現(xiàn)了較高多樣性的抗生素抗性基因，而且部分抗性蛋白的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代的變體相似，也證實(shí)了抗生素耐藥性問題是古老的。雖然一些抗生素抗性微生物和抗性基因很早就存在于自然界，但是抗生素大規(guī)模的生產(chǎn)和使用加速了固有抗性微生物和抗性基因的擴(kuò)散，極大地增加了抗生素耐藥性的發(fā)生頻率。抗生素耐藥基因的存在往往與抗生素的使用之間存在良好的相關(guān)性。由外源進(jìn)入并殘留在環(huán)境中的抗生素對環(huán)境微生物的耐藥性產(chǎn)生選擇壓力，攜帶耐藥基因的具有抗性的微生物能存活下來并逐漸成為優(yōu)勢微生物，并不斷地將其耐藥基因傳播給其他微生物。眾多研究證實(shí)抗生素耐藥基因具有較高的移動(dòng)性，主要是通過基因水平轉(zhuǎn)移(Horizontalgenetransfer，HGT)機(jī)制，又稱基因橫向轉(zhuǎn)移(Lateralgenetransfer)o即借助基因組中一些可移動(dòng)遺傳因子，如質(zhì)粒(plasmids)、整合子(integrons)、轉(zhuǎn)座子(transposons)和插入序列(insertionsequences)等，將耐藥基因在不同的微生物之間，甚至致病菌和非致病菌之間相互傳播(圖2)。環(huán)境中擁有基因橫向轉(zhuǎn)移等內(nèi)在機(jī)制的微生物組成一個(gè)巨大的抗性基因儲(chǔ)存庫，并可能將抗生素耐藥性轉(zhuǎn)移到人類共生微生物和病原體中。醫(yī)學(xué)專家很早就指出，抗生素的廣泛使用導(dǎo)致了內(nèi)源性感染和細(xì)菌耐藥性的增加。而通過宏基因組學(xué)的研究方法，科學(xué)家在人類腸道微生物群中也發(fā)現(xiàn)了高豐度、高多樣性的抗生素耐藥基因，也印證了這一觀點(diǎn)。人類活動(dòng)與耐藥性已有文獻(xiàn)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國是抗生素的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2007年的一項(xiàng)調(diào)查顯示，我國抗生素原料生產(chǎn)量約為21萬噸，其中有9.7萬噸（占年總產(chǎn)量的46.1%）的抗生素用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)，2009-2010年畜用抗生素的年消耗量均接近10萬噸，遠(yuǎn)超其他國家。全球范圍來看，至少50%的抗生素都是用于養(yǎng)殖業(yè)，美國年畜用抗生素的消耗量從2002年的9300噸增至2006年的11200噸。歐盟實(shí)施“限抗令”后，畜用抗生素年消耗量從2002年的5000噸降至2006年的3800噸。據(jù)預(yù)測，我國養(yǎng)殖業(yè)抗生素占全球消費(fèi)總量的比重將從2010年的23%升至2030年的30%。在美國，獸用抗生素甚至是人用的4倍，世界衛(wèi)生組織的調(diào)查表明，當(dāng)前增加人和動(dòng)物感染風(fēng)險(xiǎn)的抗生素基本屬于同一類。由于抗生素在醫(yī)療以及養(yǎng)殖業(yè)中的大量使用，導(dǎo)致環(huán)境中出現(xiàn)了大量抗性污染熱點(diǎn)區(qū)，抗性基因可以通過多種直接或間接的傳播途徑在其間擴(kuò)散并最終進(jìn)入水體和土壤（圖3）。其中，城市污水處理廠和集約化養(yǎng)殖場是最為關(guān)鍵和主要的傳播途徑。主要污染源有3種。（1） 人類使用抗生素導(dǎo)致醫(yī)療廢水和生活污水中富含大量耐藥菌及其抗性基因，尤其是醫(yī)療廢水被認(rèn)為是豐富的整合子基因庫。因此城市污水處理廠的集中處理就成為抗生素耐藥菌和抗性基因傳播的重要源頭。研究表明，污水處理廠的進(jìn)水、出水和污泥中均存在高豐度和極其多樣的抗性基因，且污水處理廠的出水會(huì)引起受納水體環(huán)境中抗性水平的顯著升高。此外，城市污水處理廠的中水回用（農(nóng)田灌溉和城市景觀用水等）和污泥施肥亦會(huì)導(dǎo)致土壤中抗性基因的富集，從而危及公共健康。（2） 集約化養(yǎng)殖業(yè)（包括水產(chǎn)養(yǎng)殖）系統(tǒng)中有機(jī)廢棄物和污水的排放會(huì)直接向環(huán)境中釋放大量抗性因子。更為嚴(yán)重的是養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境管理相對粗放，廢棄物處置和循環(huán)利用技術(shù)的相對低下進(jìn)一步加劇了污染。研究表明，由于集約化養(yǎng)殖業(yè)中抗生素和重金屬添加劑的濫用可使豬糞中抗性基因（導(dǎo)致微生物產(chǎn)生抗生素耐藥性的基因）比背景值富集高達(dá)1萬倍。Shah等人研究表明，從三文魚養(yǎng)殖場及其附近海域分離的200株菌中，耐藥菌比例高達(dá)81%，并從中檢測到四環(huán)素、磺胺、B-內(nèi)酰胺類等多種抗性基因。（3） 抗生素制藥企業(yè)的廢水和廢渣排放。抗生素制藥企業(yè)的廢棄物中含有高濃度的抗生素殘留，長期的選擇壓力可以導(dǎo)致其成為豐富的抗性基因儲(chǔ)庫。Liu等人研究了土霉素生產(chǎn)廠的廢水與廢渣中四環(huán)素抗性基因的分布，結(jié)果顯示，廢水中的四環(huán)素抗性基因比發(fā)酵的廢渣中高出2個(gè)數(shù)量級(jí)，且兩者均顯著高于普通城市污水處理中抗性基因的豐度。由于耐藥菌和抗生素抗性基因污染的廣泛性和嚴(yán)重性，如何有效抗擊全球范圍抗生素耐藥性的問題已經(jīng)得到各國政府和國際機(jī)構(gòu)的高度重視，也被認(rèn)為是與全球變暖同等重要的全球性挑戰(zhàn)。2013年在英國召開的G8峰會(huì)把解決全球抗生素耐藥性作為首要議題來討論。英國2014年啟動(dòng)的巨額“經(jīng)度獎(jiǎng)”所要解決的6大難題之一就是抗生素的耐藥性。正如世界衛(wèi)生組織（WHO）指出的“如果今天不采取行動(dòng)，明天將無藥可用”，人類將進(jìn)入抗生素發(fā)明之前的“黑暗時(shí)代”。3抗擊耐藥性的研究進(jìn)展隨著近年來抗生素耐藥性嚴(yán)重危害人類健康，各國科學(xué)家們開始致力于發(fā)展多種策略來抗擊耐藥性。這些策略主要包括大力挖掘和篩選新型抗生素及抗菌藥物、研究新的作用靶點(diǎn)、研發(fā)抗生素佐劑等。3.1新型抗菌藥物及作用靶位抗菌藥物可分為天然結(jié)構(gòu)的抗生素和人工合成的抗菌藥物。20世紀(jì)40-60年代是微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)抗生素的“黃金時(shí)代”，經(jīng)過多年的密集篩選，天然結(jié)構(gòu)抗生素的發(fā)現(xiàn)進(jìn)入瓶頸。近年來隨著微生物培養(yǎng)技術(shù)、宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)以及高通量篩選方法的發(fā)展，使得人們再次將目光聚焦于從天然產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)新型抗生素。土壤中有約99%的微生物尚未能培養(yǎng)，這使得人們難以獲得其產(chǎn)生的活性物質(zhì)，而通過采用新興的ichip培養(yǎng)技術(shù)，美國與德國科學(xué)家從土壤中未培養(yǎng)微生物中篩選出一種新型抗生素Teixobactin，該抗生素可通過與肽聚糖前體LipidII和磷壁酸的前體LipidIII結(jié)合抑制細(xì)胞壁的合成，從而殺死多種病原菌，并且細(xì)菌很難對該抗生素產(chǎn)生耐藥性。宏基因組學(xué)技術(shù)是人們獲得未可培養(yǎng)微生物資源的重要手段之一，采用該技術(shù)，Brady小組從type-IIpolyketide合成基因簇超表達(dá)產(chǎn)物中分離純化到一種新型抗生素TetarimycinA，對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)具有抗菌活性。除了傳統(tǒng)的抗生素外，Timothy小組采用CRISPR-Cas技術(shù)開發(fā)出一類以RNA引導(dǎo)的核酸酶(RNA-guidednucleases，RGNs)，RGNs可在DNA水平以特異的DNA序列如抗性基因或細(xì)菌毒力因子為目標(biāo)，通過噬菌體或質(zhì)粒進(jìn)入病原菌體內(nèi)使特異的目標(biāo)基因失活。除了開發(fā)新型抗菌藥物外，科學(xué)家們還致力于尋找新的作用靶位蛋白用于開發(fā)新型抗菌藥物。采用晶體學(xué)方法，已鑒定出多種細(xì)菌膜蛋白的晶體結(jié)構(gòu)和功能機(jī)制，這些膜蛋白包括病原菌福氏志賀氏菌的脂多糖轉(zhuǎn)運(yùn)(Lpt)蛋白、廣泛存在于革蘭氏陽性病原菌的能量轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及革蘭氏陰性菌的分泌獨(dú)立因子的關(guān)鍵蛋白。這些蛋白晶體結(jié)構(gòu)的解析為針對這類蛋白篩選或設(shè)計(jì)新的抗菌藥提供了理論基礎(chǔ)。3.2抗生素佐劑抗生素佐劑是指一類本身并不具有抗菌功能，但可與抗生素協(xié)同作用，促進(jìn)抗生素對于細(xì)菌尤其是抗性細(xì)菌的殺菌活性的化合物?？股刈魟┑难兄坪褪褂每梢源蟠笱娱L現(xiàn)有抗生素的使用壽命，這類化合物可以分為針對細(xì)菌抗性基因和細(xì)菌毒力因子的藥物。Wright小組從1065種現(xiàn)有的非抗生素藥物中篩選出69種可與二甲胺四環(huán)素協(xié)同作用的藥物，這些藥物可顯著降低二甲胺四環(huán)素的最小抑制濃度，并在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出對多重耐藥菌株的抗菌活性；該小組還篩選出多種抗生素抗性激酶抑制劑，其中黃酮醇槲皮素表現(xiàn)出最強(qiáng)的廣譜活性，可抑制由蛋白激酶引起的抗生素耐藥性。最近他們還從一株真菌Aspergillusversicolor的代謝產(chǎn)物中篩選出一個(gè)可抑制金屬B-內(nèi)酰胺酶(MBLs)活性的化合物AspergillomarasmineA。該化合物可抑制包括超級(jí)細(xì)菌的抗性基因NDM-1的耐藥活性，從而恢復(fù)碳青霉烯抗生素的殺菌活性。此外，人們還發(fā)現(xiàn)多種可抑制細(xì)菌外排泵的化合物，可降低細(xì)菌外排泵的活性、增加抗生素在細(xì)菌體內(nèi)的濃度從而殺死細(xì)菌。與傳統(tǒng)抗菌藥物不同的是，抗細(xì)菌獨(dú)立因子的藥物直接使病原菌特異的毒力因子失活，使其喪失致病能力，病原菌在這種狀態(tài)下將更容易被抗生素殺死，而且人體的免疫系統(tǒng)和有益微生物將更容易殺死這類病原菌。Curtis等人采用高通量篩選從15萬種小分子化合物中篩選出一種化合物L(fēng)ED209,該化合物可與多種重要病原菌毒力因子表達(dá)的信號(hào)受體QseC結(jié)合，從而使