來(lái)自耐藥菌的威脅

倪顯麗

如此“雞賊”，利用休眠騙人體

因?yàn)榻鼇?lái)有跡象顯示，令人擔(dān)憂的臨床感染案例中，一部分歸咎于非耐藥性的持留菌，它們的活力機(jī)制和耐藥菌是完全不同的：耐藥菌側(cè)重于在有抗生素的情況下繼續(xù)繁殖，但持留菌優(yōu)先確保自身存活而非繁殖，在抗生素消失后才恢復(fù)長(zhǎng)勢(shì)。無(wú)論是哪種情況，感染都將加劇。

“持留菌”一詞實(shí)際上是由愛(ài)爾蘭細(xì)菌學(xué)家約瑟夫·比格發(fā)明的。1944年，約瑟夫·比格未能用青霉素殺滅全部的金黃色葡萄球菌，這位愛(ài)爾蘭細(xì)菌學(xué)家就此提出假設(shè)：細(xì)菌通過(guò)暫時(shí)停止分裂，從而逃脫了抗生素的攻擊。在此之前的1942年，美國(guó)微生物學(xué)家格拉蒂斯·霍比和她的團(tuán)隊(duì)已證實(shí)，即使經(jīng)過(guò)青霉素的強(qiáng)力治療，鏈球菌感染仍會(huì)復(fù)發(fā)。約瑟夫·比格在擔(dān)任軍醫(yī)期間也注意到，連續(xù)3天用大劑量青霉素治療傷口僅實(shí)現(xiàn)了部分滅菌，且感染會(huì)再次發(fā)生。因此，他估計(jì)有百萬(wàn)分之一的葡萄球菌存活了下來(lái)，并提出假設(shè)：存活的細(xì)菌暫時(shí)停止了分裂增殖，這使它們能夠逃脫抗生素的攻擊。

這符合大多數(shù)抗生素在菌群中通過(guò)阻斷或干擾細(xì)菌正常生長(zhǎng)時(shí)的關(guān)鍵過(guò)程而起作用。如果某些細(xì)菌進(jìn)入休眠狀態(tài)，抗生素將失去目標(biāo)，也就無(wú)法殺死它們。

生物膜中的持留菌

生物膜是包圍在微生物群落周遭的薄膜，往往會(huì)附著在植入性醫(yī)療設(shè)備（關(guān)節(jié)假體血管導(dǎo)管等）的表面，形成對(duì)持留菌有利的環(huán)境。由于生物膜的深層環(huán)境條件不佳，在應(yīng)激反應(yīng)誘導(dǎo)下，持留菌會(huì)大量出現(xiàn)。營(yíng)養(yǎng)不足和缺氧會(huì)促使細(xì)菌休眠。在停止抗生素治療時(shí)，即使之前的操作規(guī)范且給藥劑量很大，也難免存在眾多持留菌復(fù)蘇后導(dǎo)致生物膜重構(gòu)并使感染復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

越來(lái)越多的研究成果使科學(xué)家認(rèn)識(shí)到，持留菌可能會(huì)對(duì)某些感染的治療產(chǎn)生影響。進(jìn)一步了解持留性，有助于確定某些患者的治療方法，尤其在抗生素?zé)o法根除所有細(xì)菌的情況下。令人意外的是，直到2004年，該領(lǐng)域所需的先進(jìn)技術(shù)（微流控芯片、視頻顯微鏡、流式細(xì)胞儀）才全部到位，研究人員由此得以對(duì)培植于極少量培養(yǎng)基中的細(xì)菌進(jìn)行個(gè)體層面的長(zhǎng)期檢測(cè)、可視化和分離。美國(guó)的洛克菲勒大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次揭示了持留菌的存在：在相同的遺傳條件和環(huán)境條件下培養(yǎng)的菌落中，一些細(xì)菌可以在無(wú)抗生素的培養(yǎng)基里暫時(shí)停止生長(zhǎng)。由此形成了兩個(gè)共存的細(xì)菌亞群，大多數(shù)細(xì)菌繼續(xù)以正常速率分裂，而極少數(shù)則進(jìn)入休眠狀態(tài)，后者便是持留菌。在群落相同的細(xì)菌內(nèi)部產(chǎn)生了完全隨機(jī)的現(xiàn)象，有些類似物理學(xué)上所謂的對(duì)稱性破缺，這導(dǎo)致小部分細(xì)菌與種群里其他細(xì)菌的行為完全不同。

藏身于巨噬細(xì)胞

在繁殖期菌落中出現(xiàn)休眠細(xì)菌，這像是細(xì)菌的一種預(yù)備策略：始終儲(chǔ)存其中的一小部分細(xì)菌（盡管基因相似），以防生存條件惡化，尤其是在營(yíng)養(yǎng)匱乏或暴露于抗生素的情況下，不至于全“菌”覆沒(méi)。最初由物理學(xué)家研究的該現(xiàn)象很快引起生物學(xué)家的興趣，因?yàn)樗玛P(guān)暴露于抗生素的細(xì)菌存亡。如今，科學(xué)家意識(shí)到，在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的相關(guān)現(xiàn)象與臨床上慢性或頑固性感染患者的情況非常相似。

在這些開拓性研究成果的基礎(chǔ)上，多個(gè)研究小組隨后在動(dòng)物感染模型中明確觀察到持留菌的存在，它們分布于骨髓（樹突狀細(xì)胞）、腸道淋巴結(jié)，甚至是嚙齒動(dòng)物的脾臟里。最后一種情況的持留菌藏身于巨噬細(xì)胞，而巨噬細(xì)胞是免疫系統(tǒng)的第一道防線。近來(lái)的一些研究也凸顯了持留菌的臨床重要性。研究人員已從復(fù)發(fā)性尿路感染患者體內(nèi)的大腸桿菌中鑒定出與持留性有關(guān)的基因突變。同樣地，在囊性纖維化患者中也觀察到綠膿桿菌的持留菌比例提升，長(zhǎng)期使用多種抗生素治療可能是出現(xiàn)慢性感染的原因。此外，持留菌也被視作鏈球菌性扁桃體炎復(fù)發(fā)的主要原因。這些結(jié)果表明，在某些情況下，即便使用抗生素治療，細(xì)菌也不會(huì)被全數(shù)清除。

科學(xué)家一年前就了解到沙門氏菌在小鼠的巨噬細(xì)胞中持留的一種策略，而通常認(rèn)為細(xì)菌一旦進(jìn)入巨噬細(xì)胞便會(huì)被殺死。進(jìn)入這種會(huì)引發(fā)細(xì)菌應(yīng)激的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境后，休眠細(xì)菌保留了一定的活性：它在巨噬細(xì)胞里釋放30余種分子以操縱巨噬細(xì)胞，使后者的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境不再劍拔弩張。難以置信，持留菌休眠時(shí)仍保持著警覺(jué)！它們看似不活躍，卻成功從內(nèi)部瓦解巨噬細(xì)胞的武裝，確保了自己長(zhǎng)期存活，畢竟在活體中光靠徹底休眠還不夠。至于對(duì)免疫系統(tǒng)內(nèi)部的這種破壞是否會(huì)導(dǎo)致感染復(fù)發(fā)，甚至促進(jìn)新病原體的感染，還有待觀察。

從持留到耐藥

另一個(gè)威脅： 細(xì)菌以持留性為跳板變成耐藥菌。這些細(xì)菌可以在巨噬細(xì)胞中滯留很長(zhǎng)時(shí)間，兇險(xiǎn)的環(huán)境有利于細(xì)菌DNA中許多突變的出現(xiàn)。現(xiàn)在還不能排除持留菌基因組中這些變化自發(fā)產(chǎn)生并最終導(dǎo)致耐藥突變體出現(xiàn)的可能性。研究小組2020年9月發(fā)表的一項(xiàng)研究證實(shí)了這一情況：持留菌具有傳播和獲得抗生素耐藥性的能力。在被沙門氏菌感染并用抗生素治療的嚙齒動(dòng)物中，科學(xué)家觀察到了遷移至腸道的持留菌，而這些細(xì)菌最初存在于其他器官（脾臟、肝臟）。這些持留性沙門氏菌可以接收其他腸道菌種的耐藥基因。研究人員還觀察到相反的情況：如果持留性沙門氏菌攜帶耐藥基因，可以將之轉(zhuǎn)移給其他菌種。研究人員由此開始意識(shí)到與持留菌作戰(zhàn)的重要性。如今，全球有50余支團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行該課題的研究。

問(wèn)題的關(guān)鍵是要了解這一獨(dú)特的遺傳和生化機(jī)制：細(xì)菌是如何休眠的？ 目前已在大腸桿菌、沙門氏菌和克雷伯菌中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)起關(guān)鍵作用的分子機(jī)制。它依托于多套毒素——抗毒素系統(tǒng)，其中一個(gè)基因負(fù)責(zé)產(chǎn)生穩(wěn)定的毒素，該毒素會(huì)干擾細(xì)菌的生長(zhǎng)。而另一個(gè)基因則負(fù)責(zé)產(chǎn)生不穩(wěn)定的抗毒素，來(lái)中和毒素的作用。當(dāng)抗毒素降解時(shí)，處于上風(fēng)的毒素將阻止細(xì)菌的繁殖，令它們進(jìn)入休眠狀態(tài)，繼而成為持留菌。2016年，研究小組證實(shí)，持留性沙門氏菌會(huì)產(chǎn)生一種毒素，這種毒素能卡住細(xì)菌自身的蛋白質(zhì)制造鏈，從而使細(xì)菌的生長(zhǎng)陷于停滯狀態(tài);當(dāng)一種可以糾正該毒素的酶產(chǎn)生后，細(xì)菌便能恢復(fù)蛋白質(zhì)的合成并繼續(xù)生長(zhǎng)。

2020年9月，比利時(shí)魯汶大學(xué)微生物與植物遺傳學(xué)中心的揚(yáng)·米歇爾斯團(tuán)隊(duì)描述了大腸桿菌如何進(jìn)入休眠期。它由細(xì)菌產(chǎn)生的一種毒素來(lái)調(diào)控，該毒素會(huì)在大腸桿菌的細(xì)胞膜上形成微小的孔隙：這些小孔會(huì)釋出ATP分子（Adenosinetriphosphate，別稱三磷酸腺苷，是體內(nèi)能量的主要來(lái)源，當(dāng)體內(nèi)吸收、分泌、肌肉收縮及進(jìn)行生化合成反應(yīng)等需要能量時(shí)，三磷酸腺苷即分解成二磷酸腺苷及磷酸基，同時(shí)釋放出能量），而細(xì)菌的生長(zhǎng)離不開后者提供的能量。專門瓦解這些孔隙的酶可以喚醒細(xì)菌，此時(shí)細(xì)菌便能重新蓄滿ATP并恢復(fù)生長(zhǎng)。

對(duì)抗持留菌的3種思路

盡管目前的研究仍不能解釋為什么某些細(xì)菌會(huì)休眠而其他細(xì)菌不會(huì)，但它們能打開抗擊休眠細(xì)菌的新局面。處于研究中對(duì)抗持留菌對(duì)策略有3種：根除它們、阻礙它們的形成，或者使它們重新對(duì)抗生素敏感。

將它們扼殺在休眠期，這意味著要找到能使抗生素進(jìn)行攻擊的替代標(biāo)靶，通常抗生素僅對(duì)處于快速生長(zhǎng)階段的細(xì)菌有效， 令它們無(wú)法休眠，靶向攻擊可讓細(xì)菌進(jìn)入休眠狀態(tài)的分子機(jī)制。然而，這些機(jī)制不僅為數(shù)眾多且有一定冗余：要想設(shè)計(jì)出針對(duì)所有分子機(jī)制的單一藥物并不容易。喚醒它們，待其恢復(fù)生長(zhǎng)，就能令抗生素殺死它們。

第一種對(duì)策需要為抗生素找到替代靶標(biāo)。通過(guò)與一種抗生素相結(jié)合，一種以酶為靶標(biāo)的分子已被證實(shí)能夠根除小鼠體內(nèi)的耐藥性金黃色葡萄球菌的感染。同樣，以細(xì)菌外膜為攻擊靶標(biāo)的合成小分子（類視黃醇）也在小鼠嚴(yán)重感染模型中顯示出其有效性。

第二種方案阻礙持留菌的形成或生存，似乎還不太現(xiàn)實(shí)，因?yàn)檫@需要同時(shí)瞄準(zhǔn)誘導(dǎo)出細(xì)菌持留性的多種分子機(jī)制。

第三種方案是使持留菌對(duì)抗生素重新敏感——有點(diǎn)類似令它們蘇醒的機(jī)制，通過(guò)激活其新陳代謝，使抗生素可以重新對(duì)它們起作用。已知大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的持留菌可因此再度對(duì)抗生素敏感。這些在體外實(shí)驗(yàn)或動(dòng)物模型中獲得的鼓舞人心的結(jié)果還須在人體內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證。目前， 評(píng)估幾種抗持留菌分子安全性和抗菌活性的Ⅰ期和Ⅱ期臨床試驗(yàn)已經(jīng)展開，而且為此創(chuàng)立的生物技術(shù)公司也有好幾家。僅僅數(shù)年時(shí)間——雖然距它們被發(fā)現(xiàn)已過(guò)了75年——持留菌便重回歷史舞臺(tái)。可以肯定的是，無(wú)論學(xué)界最終用什么術(shù)語(yǔ)對(duì)其命名，它們很快就會(huì)為世人所知。

對(duì)付耐藥細(xì)菌的方法很簡(jiǎn)單，就是找到新的“魔彈”。然而，許多抗生素來(lái)自微生物本身，生存壓力會(huì)迫使微生物物種不斷發(fā)展出擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的武器。這些微生物制造抗生素的方式往往不是很靈活：它們非常擅長(zhǎng)制造特異性的結(jié)構(gòu)，但如果這一結(jié)構(gòu)不再與目標(biāo)相吻合，它們就很難調(diào)整過(guò)來(lái)。我們還在大自然中發(fā)現(xiàn)了許多顯而易見(jiàn)的抗生素，但隨著時(shí)間推移，這樣的抗生素已經(jīng)越來(lái)越難以找到。我們唯一不能做的一件事就是放棄，因?yàn)榧?xì)菌永遠(yuǎn)不會(huì)放棄。

抗生素耐藥性是一場(chǎng)人類一開始就處于下風(fēng)的軍備競(jìng)賽。在對(duì)抗耐藥性細(xì)菌的戰(zhàn)斗中，美國(guó)政府出臺(tái)了一個(gè)新激勵(lì)措施：設(shè)置2000萬(wàn)美元獎(jiǎng)金，用于獎(jiǎng)勵(lì)能識(shí)別高耐藥性感染的快速診斷試驗(yàn)。該獎(jiǎng)金只是白宮宣布的大量行動(dòng)中的一個(gè)，這些行動(dòng)標(biāo)志著其對(duì)耐抗生素細(xì)菌威脅的更大關(guān)注。除了相關(guān)獎(jiǎng)金，美國(guó)政府還每年提供1.5億美元用于可能帶來(lái)新抗生素或?qū)垢腥镜摹胺浅Ｒ?guī)”療法的基礎(chǔ)研究。