抗細菌耐藥的武器:疫苗和抗體▲

潘麗玲 陳瓊清 梁寧生

廣西醫科大學附屬腫瘤醫院藥學部,南寧市 530021

【提要】 細菌對抗菌藥的耐藥性(AMR)問題是全球衛生面臨的主要威脅之一。疫苗和抗體可以通過預防和治療細菌或病毒感染/兩者引起的繼發感染,減少對抗菌藥的需求,從而降低AMR的發生。總結疫苗和抗體在對抗AMR方面發揮的重要作用,探討當前現有疫苗和抗體如何參與對抗AMR,可為解決AMR提供更廣泛的思路。

自1928年英國醫學家弗萊明發現青霉素以來,抗菌藥逐漸得到發展和廣泛應用,挽救了無數感染性疾病患者的生命。然而,由于抗菌藥的成功開發,使得其便宜和容易獲得,導致過度使用和不恰當使用,產生了細菌對抗菌藥的耐藥性(antimicrobial resistance,AMR)問題。AMR是全球衛生面臨的主要威脅之一。基于細菌與人類與生俱來的共生關系和細菌“與時俱進”的耐藥機制,AMR所造成的影響愈發嚴峻。2019年,全球估計有495萬例死亡與耐藥細菌感染有關,AMR成為世界各地死亡的主要原因之一[1]。

傳統上應對AMR問題主要依靠不斷發現和制造新的抗菌藥,這些新型抗菌藥以細菌的不同結構和功能為靶標,殺滅耐藥的細菌。但是,隨著每一種新抗菌藥的使用,細菌都能夠逐漸適應并進化出新的耐藥機制,以驚人的速度逃避抗菌藥介導的死亡。抗菌藥是治療感染的必需品,不合理使用會增加耐藥菌的產生。有研究表明,碳青霉烯類抗菌藥的使用量與鮑曼不動桿菌對美羅培南耐藥率呈正相關,亞胺培南的使用量與美羅培南、亞胺培南的耐藥率呈正相關[2]。無論哪種新抗菌藥,最終AMR問題不可避免地會出現[3]。而且,新抗菌藥的研發,因為技術和經濟等問題,變得越來越困難,目前已出現了新型抗菌藥研發的空窗期。因此,應對AMR問題,僅專注于新抗菌藥的研發是不夠的,應該配合其他有效的手段。

疫苗和抗體可能是對抗AMR的有效手段。預防性使用疫苗,一方面可以減少宿主的感染,另一方面可以在細菌感染初期產生特定的免疫反應,控制感染,減少抗菌藥的使用[3-4]。在機體發生嚴重感染時,注射抗體可中和關鍵毒素或毒力因子,也可通過誘導細菌清除激活補體介導的細菌裂解或調理吞噬作用,發揮抗菌作用[3]。前者屬于主動免疫,后者屬于被動免疫。本綜述分析和介紹當前疫苗和抗體如何參與對抗AMR,旨在為解決AMR問題拓寬思路。

1 疫 苗

根據最新的預測,到2050年,AMR造成的死亡人數將超過癌癥造成的死亡人數,達到1 000萬例死亡[5-6]。有證據表明,在這種環境下,細菌和病毒疫苗對解決AMR問題都有很大幫助[7-8]。疫苗接種(主動免疫)是通過訓練機體免疫系統識別并且建立起針對特異病原體的快速有效的免疫反應來保護人類。目前疫苗接種已成為控制16種重大疾病的重要醫療手段[9]。傳統上疫苗接種主要用于病毒感染,而后發現,其對控制細菌感染也很有幫助。世界衛生組織強調,疫苗是一項可預防細菌感染的措施,可以減少AMR[5]。與抗菌藥的治療機制不同,疫苗是為了預防疾病而設計的,通過減少細菌和病毒感染來減少抗菌藥的使用,從而減少AMR的產生。疫苗的預防性使用允許宿主在遇到病原體之前,甚至在感染開始時僅存在極少細菌就建立起免疫反應,誘導持久和強大的保護性免疫記憶,它需要數周才能完全有效,最終有助于控制細菌感染。此外,大多數抗菌藥只針對細菌的單個靶標,而疫苗具有誘導宿主產生特異性抗體和/或T細胞反應,可以針對細菌的多個靶標,殺菌更有效,使AMR的產生更困難[9-10]。因此,疫苗可以通過不同的方式有效地應對AMR。

1.1 針對病毒的疫苗 病毒疫苗在降低AMR方面非常有效。有研究表明,門診中約有30%～50%的抗菌藥處方是不合理的,因為這些不合理處方許多與流感有關,而流感是由病毒引起,使用抗菌藥無效[11]。接種流感疫苗已被證明可以減少抗菌藥的使用。在流感季節,一些醫師會開出不合理的抗菌藥經驗性處方,而接種流感疫苗會減少抗菌藥的使用[12]。在意大利進行的一項研究中,流感疫苗接種覆蓋率與某些微生物AMR之間存在負相關關系,接種率高的地區AMR會低。其主要機制,一方面是通過預防呼吸道病毒感染和減少抗菌藥處方,減少抗菌藥的使用,降低AMR;另一方面是流感發生后,容易發生繼發性細菌感染,需要使用抗菌藥,而接種流感疫苗后,流感發病率降低,繼發性細菌感染和相關的抗菌藥處方減少[13]。在非洲,有學者評估了流感疫苗對抗菌藥使用的潛在影響:如果南非65歲以上成人或塞內加爾2～5歲兒童接種50%有效的、覆蓋率為30%的流感疫苗,每年每10萬人中可避免390張以上的抗菌藥處方;在整個非洲,如果給5歲以下兒童接種流感疫苗,每年就可以避免至少2.4萬份抗菌藥處方[14]。這些研究說明,病毒疫苗可以在抗AMR方面發揮重要的作用。

1.2 針對細菌的疫苗 與病毒疫苗相比,接種細菌疫苗是相對新的技術。20世紀90年代,在7價肺炎球菌結合疫苗引入之前,美國每年約發生63 000例由疫苗血清型(7價肺炎球菌結合疫苗涵蓋的血清型)和非疫苗血清型(7價肺炎球菌結合疫苗不涵蓋的血清型)肺炎球菌引起的侵入性肺炎球菌病[15]。預防肺炎球菌的結合疫苗的應用極大地改變了肺炎球菌病這一重要疾病的流行病學狀況:在5歲以下兒童這一主要目標人群中,肺炎球菌多糖結合疫苗預防侵襲性肺炎球菌病的有效率高達90%以上,與B型流感嗜血桿菌疫苗的效果相似;在美國,不僅兒童肺炎球菌病的發病率下降,而且細菌定植也顯著減少,成人也出現了群體免疫[15]。發病率的降低也就意味著抗菌藥的使用減少,這有益于解決AMR問題。

研究表明[9],在2000年～2004年期間,青霉素非易感侵襲性肺炎球菌病的發病率降低了57%,多重耐藥菌株的發病率降低了84%,表明接種細菌疫苗是有效的,這無論細菌是否耐藥;然而,普遍使用7價肺炎球菌結合疫苗導致19A血清型流行率增加,19A血清型是非疫苗血清型,青霉素耐藥率高;改用多價結合疫苗(如13價肺炎球菌結合疫苗)進一步增加了疫苗接種的直接和間接效果。最新一項研究也證明了這一點,由于血清型覆蓋率高,13價肺炎球菌結合疫苗可以大大降低侵襲性肺炎球菌疾病的發生率[16]。最近一項研究表明,在中國,肺炎球菌疫苗接種在減少AMR方面具有良好的效果,包括減少治療失敗和節省大量成本,這顯示了13價肺炎球菌結合疫苗接種的價值[6]。這表明針對耐藥性決定因素或耐藥株設計疫苗是非常有價值的。

1.3 針對耐藥菌的疫苗 盡管針對耐藥菌疫苗的研究已有不少,如針對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、梭狀芽孢桿菌等的研究,但迄今為止,還沒有成功的III期臨床試驗的研究發表[17]。研制針對這些耐藥菌疫苗失敗的原因可能包括:疫苗需要針對多種毒力機制,以及缺乏能代表人類疾病的動物模型。更好地了解宿主-病原體的相互作用,如免疫逃避,并增加對主要抗原的流行病學和變異性的認識,將有助于開發有效的耐藥細菌疫苗[9]。如前所述,人們越來越認識到疫苗可以有效地降低AMR,但多數研究并未將疫苗對AMR相關的價值納入其中,從而導致其價值被低估和投資不足[6]。因此,開發新型細菌疫苗可能需要政府和社會新的激勵措施,從而改善針對耐藥細菌感染的醫療治療效果,并最終挽救數百萬人的生命[1,3]。

2 抗 體

2.1 抗體在應對AMR問題中的優勢 19世紀 90年代,人們發現特異性抗體能夠抵抗細菌毒素,進而發展出一種針對各種傳染病的抗體療法。初始使用的抗體制劑來自免疫人供體或免疫動物的血清,這種被稱為血清療法的方法都是有效的,但由于給患者輸入大量外源性蛋白,很容易產生副作用,比如過敏反應和血清病(一種抗原-抗體復合物病)。隨著首批抗菌藥的出現,以血清為基礎的抗菌治療方法在很大程度上被拋棄[18]。幾十年來,隨著抗菌藥的廣泛應用,AMR問題日益嚴重,導致一線抗菌藥療法無法治愈的細菌感染肆意流行。這種危機尤其集中在多藥耐藥的“ESKAPE”細菌,包括屎腸球菌屬、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌屬、鮑曼不動桿菌、銅綠假單胞菌和腸桿菌屬[19]。

事實上,幾乎所有目前用于臨床的抗菌藥或其衍生物都是在1940年～1960年間發現的[20],在過去的幾十年很少有新類型的抗菌藥獲得批準進入臨床。顯然亟待其他替代方案來解決日益嚴重的AMR問題。疫苗接種是其中一種有效的方法,其在預防細菌感染、減少抗菌藥的使用和降低細菌耐藥性方面有著良好的作用,但是也存在不足。例如,疫苗發揮作用需要的時間長(一周或者更長),在已經發生細菌感染時,沒有治療作用。被動免疫可以簡單地描述為將已經形成的抗體向細菌感染個體的轉移[19,21]。與主動免疫相反,使用抗體(被動免疫)提供了對傳染源的直接保護。使用抗體具有應對多藥耐藥細菌所需的許多特征,包括特異性活性、靶向耐藥細菌的能力,以及導致新的AMR的可能性低。抗體具有很高的特異性,并以較高的親和力結合其靶結構抗原。雖然每種B細胞產生相同的抗體,但每一個體至少可以產生總數為107種特異抗體,使得免疫系統能夠響應廣泛的抗原。盡管抗體壽命短,但仍可以持續數周至數個月。獲得抗體的傳統方法如前所述,而先進的生物學技術不需要接種給動物,通過體外細胞培養的方式大量生產特定的抗體,特別是人源化的單克隆抗體(特異性很高,又不容易刺激接受個體產生抗體而降低療效)[10,18]。目前在臨床上使用的抗細菌抗體有三種,都是針對革蘭氏陽性細菌毒素[19,22]。

2.2 批準用于人類的抗感染抗體 兩種抗體,雷昔庫單抗(raxibacumab)和奧比托西單抗(obiltoxaximab)分別于2009年、2016年被批準用于針對炭疽毒素治療炭疽桿菌感染。炭疽桿菌可以通過呼吸道、消化道和皮膚引起感染,其中通過呼吸道吸入感染有較高的死亡率,有人曾經用它進行生物恐怖襲擊。炭疽桿菌是通過其毒素起作用,毒素有三個組成部分,即保護性抗原(protective antigen,PA)、致死因子和水腫因子,這三個部分單獨都沒有毒性,一旦PA與致死因子結合就形成致死毒素,或者PA與水腫因子結合就形成水腫毒素,就具有毒性作用。PA可協助致死因子和水腫因子結合到細胞表面的受體,然后進入細胞內發揮毒性作用。雷昔庫單抗和奧比托西單抗都可以特異性地識別和結合PA,從而阻止毒素與受體結合,使炭疽毒素無法到達細胞內靶標發揮作用[23-24]。此外,根據Fang等的研究表明,通過氫-氘交換質譜法確定了單克隆抗體與炭疽PA的結合的具體區域,這有助于促進針對炭疽桿菌感染新型療法的研發[23]。

貝唑妥珠單抗(bezlotoxumab)是一種針對艱難梭菌毒素B的全人源化單克隆抗體,于2016年被批準用于預防高危患者的復發性艱難梭菌感染。艱難梭菌是一種形成孢子的細菌,當正常的腸道微生物菌群被破壞時,它會定植并引起嚴重感染,通常在長期使用抗菌藥后發生[22,25]。艱難梭菌通過產生外毒素──毒素A和毒素B發揮毒性作用。艱難梭菌的致病能力完全依賴于其表達的外毒素,尤其是毒素B,該毒素可結合腸道上皮細胞上的受體,通過內吞作用進入并破壞細胞間緊密連接,導致腸道通透性增加和誘發炎癥反應。貝唑妥珠單抗通過與艱難梭菌毒素B的N末端結構域中的兩個同源位點結合,阻斷毒素與受體結合位點,起到消除毒素的作用[22]。

在這些成功例子的激勵下,研究者針對其它細菌的抗體也做了許多努力, 如針對金黃色葡萄球菌抗體的研究。金黃色葡萄球菌是醫院感染常見的病原菌之一,可引起多種類型的感染,且目前沒有相關疫苗。金黃色葡萄球菌能夠在植入的裝置(例如人工/機械心臟瓣膜、導管、假體關節)和宿主組織(例如慢性傷口、心內膜、骨髓)上形成生物膜[26],從而導致植入物相關感染和皮膚感染等。生物膜是嵌入細胞外聚合物基質中的微生物集合。生物膜感染很難治療,因為生物膜可以保護細菌免受抗菌藥的作用和宿主免疫系統的攻擊。此外,它們通常發生在抗菌藥物不容易到達的身體部位(例如心臟瓣膜、骨骼等)[10,27-28]。基于抗體的藥物有助于破壞金黃色葡萄球菌生物膜的形成,可用于相關感染的治療。其中有些抗體的研究已經獲得了階段性成果,如Altastaph(靶標是細菌莢膜多糖)和Veronate(靶標是表面黏附素)[10,19,22]。此外,治療銅綠假單胞菌的帕巴庫單抗(panobacumab,靶標是O-抗原),已經完成I期臨床試驗,進入了Ⅱ期或者Ⅲ期臨床試驗,還有更多的藥物在進行Ⅰ期臨床試驗和臨床前研究[19,22]。

中和抗體是抵抗細菌感染的有效防線,特別是針對已證實的毒性因子(如表面暴露的細菌黏附素)的免疫反應可以早期阻斷感染。但基于抗體的療法在開發使用方面存在一些缺點,主要是前期成本高和所需的研究時間長,再加上規模化生產的難度[19]。盡管如此,不斷增長的臨床需求,以及抗體研究領域的技術進步,會有越來越多的抗體被批準用于治療細菌感染。

3 總結與展望

AMR的情況在惡化,已經形成令人擔憂的全球性危機。毫無疑問,針對細菌的疫苗和抗體在對抗AMR方面發揮著重要的作用。開發出針對具有多重耐藥性和高嚴重感染發生率的關鍵病原體的疫苗或者抗體是解決AMR問題的有效方法,盡管并非所有疫苗或者抗體都能根除目標細菌,但降低感染發生率可以減少抗菌藥的使用,從而減少AMR的發生。當前,疫苗和抗體受到關注,越來越多的研究者和企業希望利用這兩件武器來對抗細菌感染和細菌耐藥問題。