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与“超级细菌”之间的战斗,我们能赢吗?
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前不久,一篇名为“流感下的北京中年”的文章在网络上引起了巨大的反响,作者的家庭遭遇令人同情,也引人深思。该文除了折射出当代医疗制度中的种种问题,也反映了生物医学层面上的一个严峻挑战:患者感冒后感染了未知病毒与耐药超级细菌,在1个月内病情恶化去逝,而现代医学却对此束手无策。实际上,近年来时有超级细菌感染的病例出现,且频率呈现上升趋势,几十年来抗生素滥用造成的恶果已开始对公共卫生安全造成巨大威胁。而自医学的概念诞生以来,人类与细菌的角力已达千年之久,弗莱明于1928年发现了青霉素,这些产自放线菌、真菌的生物武器,一度使人类在这场鏖战中占据上风,但随着抗药性的产生与变异菌群的蔓延,人类的优势正在逐渐丧失,有报告指出,如果放任其发展,估计至2050年耐药菌会使3000万人丧生【1】。显然,人类仍需向这个硝烟渐浓的战场投入更多的力量。近期,Cell、Nature Communication上多篇文献的发表,从新型抗菌药的开发、药物筛选平台建立、细菌相关环境研究与分子机理探索等方面,揭示了科学家们在这场战争中作出的不懈努力。
    当下抗生素面临的严峻问题是耐药菌的出现和蔓延,医学上的应对方式往往是增加抗生素的剂量、采用多种抗生素共用的复合疗法,或是使用诸如万古霉素之类的“撒手锏”,但这些手段会不可避免地产生更广泛的耐药性,无异于饮鸩止渴。而新型抗生素药物的研发受限于药代动力学验证、副作用等诸多因素,进展缓慢,成功率有限。因此,从现有药物中寻找能杀灭这些超级细菌的武器,已成为新的研究热点。在这一方面,香港大学的研究者于今年年初在Nature Communication刊文,报导了一类潜在的针对超级细菌的药物【2】。他们发现,用于治疗胃溃疡的含铋药物CBS(colloidal bismuth subcitrate),对于MBL介导的耐药菌具有有效的杀灭作用。MBL(metallo-β-lactamases)是耐药菌产生的常见抗药因子,会发挥其作为β内酰胺酶的作用切开β内酰胺环,从而令β内酰胺类抗生素(如青霉素、头孢菌素等)失效,数年前曾被广泛报道的NDM阳性菌(NDM是MBL中的一类酶)就属于此种超级细菌,这类细菌的成员如CRE、CRKP等在感染后致死率极高,是公认最危险的耐药菌类型。港大的研究者发现,CBS可以利用铋离子,经由金属离子替换的方式令MBL失活,从而压制其耐药性,联合常规抗生素治疗对耐药菌产生杀灭作用。小鼠模型显示CBS与碳青霉烯类抗生素的联合疗法可以有效延长NDM阳性菌感染的预后生存期,甚至达到治愈的效果(图1)。研究还显示CBS会减缓耐药性产生的速率,增加抗生素的使用周期(图2)。

                      
图1 小鼠感染模型显示CBS与抗生素(MER)的联合疗法可有效提高生存率(Runming Wang, et al.Nature Communication. 2018)

                                  
图2 耐药性增长曲线与NDM的western-blot显示CBS可有效缓解耐药性的产生(Runming Wang, et al. Nature Communication. 2018

     解决耐药问题的另一个良方是抗菌肽的使用。区别于源自放线菌、真菌的传统抗生素,抗菌肽多是由动植物产生的小片段多肽,可以说是自然进化而来防御机制。抗菌肽的使用可以有效规避因传统抗生素滥用而产生的耐药性,但由于学界缺乏对复杂多肽文库的筛选能力,且当下对蛋白质功能结构研究存在局限,抗菌肽往往只能从少数自然产生的特殊蛋白家族中筛选,极大地限制了新抗菌药物的开发速度与能力。今年1月发表于Cell的一篇文献所报导的抗菌肽筛选系统旨在解决这一瓶颈【3】。在该报道中,研究者将筛选系统命名为SLAY(Surface Localized Antimicrobial Display),该系统的核心思路是将随机设计的多肽序列插入表达文库中,随后转化进用于筛选的靶细菌菌群,用于筛选的多肽表达后会整合到细菌表面,并与细菌自身携带的多肽靶点相互作用。如此一来,如果待筛多肽具备抗菌肽活性,携带该多肽表达载体的菌株会出现自我抑制,并在生长曲线上显著低于正常菌株,这一差异可以通过高通量测序进行检测(图3)。SLAY可以同时对大量多肽文库进行筛选,且不限于天然多肽序列,研究者用该系统筛选了近80万个随机多肽序列并得到了数千具备抑菌能力的抗菌肽,经验证,排位靠前的抗菌肽抑菌效能高于天然多肽。



图3 SLAY的工作流程图:通过靶菌表达多肽自抑制的模式筛选抗菌肽,并运用二代测序进行检测 (Ashley T. Tucker, et al. Cell. 2018)

     很多抗生素(以β内酰胺类为主)的作用机理是破坏细菌的细胞壁,此后细菌会由于渗透压等理化因素被杀死。但在极少数情形下,失去细胞壁的细菌并不会被杀死,而是在特定理化条件下藉由未知因素转化为L型菌(L-form),并在一定程度上保持着病理毒性。尽管L型细菌很早就被发现,且成功在实验室中制成,但其形成的分子机制仍不明确。在最新一期的Cell中,来自英国的研究者解释了L型菌转化的条件与机理【4,5】。他们认为,L型菌株的转化需要肽聚糖的水解过程,介于青霉素等β内酰胺类抗生素本身会影响肽聚糖的合成与水解,因此L型细菌的转化并不是由抗生素的使用单独导致的。有趣的是,他们的实验证明细菌宿主免疫机制中的溶解酶活性(例如巨噬细胞的溶菌酶)能够弥补这一点,在抗生素破坏细菌的细胞壁后,帮助其向L型转化,从而在特定的渗透压环境中生存下来(图4)。也就是说,宿主的免疫机制可能在实际上联合抗生素帮助致病菌完成L型转化并逃脱基于细胞壁破坏的抗菌作用。这些发现对于细菌耐药机制以及抗菌分子机理的研究有重要意义。



图4 青霉素与巨噬细胞的共同作用促成细菌向L型的转化(Kawai, et al. Cell. 2018)

     而在微生物学的研究领域中,细菌耐药性研究不仅仅局限于分子机制层面,还包括微生物环境对此的影响。今年Cell子刊Trends in Microbiology的一篇综述就集中阐述了环境废水在细菌耐药能力增强方面起到了决定性的作用6】。文章引用大量研究,不仅阐述了废水环境是细菌进行耐药基因交流的温床:耐药菌可以通过转化、转导、融合等方式将遗传物质传递给非耐药菌;同时强调了废水中的金属离子环境、废弃消毒物质本身就是一种环境压力,可以加速耐药性的产生。可以说,这些发现警示了环境保护也是人类与细菌对抗的战线之一。
    
遗憾的是,尽管学界在细菌及其耐药性研究方面投入了相当的努力,目前仍无法找到一种能根本性扭转与细菌战争颓势的手段,“超级细菌”的威胁仍会持续存在,并可能愈演愈烈。因此,社会殆需对这一严峻问题投入更多关注,以推动医药界与生物学界的技术进步,从而在可预见的未来斗争中占据主动。


作者:Chromatin

参考文献:

1. Review on Antimicrobial Resistance. Tackling drug-resistant infections globally: final report and recommendations. Review on Antimicrobial Resistance, 2016.

2. Wang, Runming, et al. "Bismuth antimicrobial drugs serve as broad-spectrum metallo-β-lactamase inhibitors." Nature communications 9.1 (2018): 439.

3. Tucker, Ashley T., et al. "Discovery of Next-Generation Antimicrobials through Bacterial Self-Screening of Surface-Displayed Peptide Libraries." Cell (2018).

4. Burke, Thomas P. "The Unexpected Effects of the Combination of Antibiotics and Immunity." Cell 172.5 (2018): 891-893.

5. Kawai, Yoshikazu, Katarzyna Mickiewicz, and Jeff Errington. "Lysozyme Counteracts β-Lactam Antibiotics by Promoting the Emergence of L-Form Bacteria." Cell (2018).

6. Karkman, Antti, et al. "Antibiotic-Resistance Genes in Waste Water." Trends in microbiology (2017).



 

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