抗生素未来应用前景的调研分析

冯东阳

（山东农业大学生命科学院，山东泰安271000）

抗生素未来应用前景的调研分析

冯东阳

（山东农业大学生命科学院，山东泰安271000）

抗生素的发现与应用为人类战胜多种感染性疾病提供了期盼已久的良药，并使人类的平均寿命延长了十年。但抗生素的滥用使“善变”的单细胞病原菌逐渐适应抗生素的存在，这就产生了日益严重的耐药性问题。另外，新的病原菌(如SARS、新肝炎病毒亚型等)的涌现以及抗生素用途的拓展似乎已将传统意义上治疗感染的抗生素升格为较广义的疾病治疗药物。这就迫使人们改变传统抗生素的研发和使用模式，在用好现有抗生素的同时集成多学科先进技术与方法，不断发现结构全新、作用机制独特的抗生素，使抗生素的发现更睿智、使用更理智，更好地推动我国抗生素事业的发展并提升国际竞争力，从而更好地造福全人类。

抗生素；展望；用途；耐药性；使用情况

1942年人类首次实现青霉素的工业化生产,其显著的疗效,让许多患者远离了病痛的折磨与死亡,从而奠定了抗生素在人类心目中的突出位置，激起了40年左右的发现和使用抗生素的高潮，诸如四环素、氨基糖苷类、大环内酯类和多肽、多烯类抗生素等的发现,把它们应用于治疗各种致病微生物的感染并取得了成功。抗生素的发现与应用，也延长了人类平均10年的寿命。自从这个高峰值的出现，近半个世纪以来,人类已经增加了对新药物的需求,全球投资总额逐年增加,核磁共振(NMR)、质谱等大型结构分析仪器等先进的设备发展突飞猛进，遗憾的是鲜有新型抗生素为临床药物研发。

上世纪80年代以来，抗生素的过度滥用，使病原菌的耐药性，成为药物治疗中普遍存在的棘手问题。抗生素的影响在全球范围内的急速下降,迫使科学家们重新思考与定位从而付诸于行动—改造传统的和研发新的抗生素，纵观近一个世纪抗生素发展的趋势，笔者认为未来抗生素的发展应该从如下几点着手。

1　抗生素产生菌的菌源

抗生素的独特结构多是由微生物借助其特有的基因簇及其控制的酶系统以人类迄今尚未完全知晓的方式构建出来的。目前使用抗生素的产生菌大多来自较易采集的土壤、水体等。据统计，过去几十年从土壤微生物培养物中已分离出1万多种活性化合物，且临床使用抗生素的70%是由不同土壤微生物产生的天然抗生素。然而，由于被筛菌种(株)的趋同，自从上世纪80年代以来，从土壤微生物中发现新抗生素的几率快速降低。为了扭转这一态势，人类似乎需要更多地关注研究化学和生物学研究都比较薄弱的特殊环境下生存的微生物，如人类先前无法采集的海洋微生物、长期被忽略但有最多机会与宿主发生基因重组的共生微生物(植物内生菌、昆虫共生菌等)。

1.1关于海洋微生物

海洋占整个地表面积的70%以上，其生物种类也较陆地生物要丰富的多，海洋植物和无脊椎动物活性成分的研究已经和正在收到很好的关注，但是作为对地球上最丰富的微生物资源的宝库——海洋的关注已经远远不够。众所周知，海洋环境具有高盐、高压、低温、贫瘠的特点，在长期的进化过程中，这些特殊的海洋环境因素(有些还被认为是“生命极限因子”)使得海洋微生物获得了区别于陆地微生物的代谢途径，由此为人类发现新菌种、新活性化合物提供了各类新的机遇。当今，科学家对海洋微生物的研究，得出的结论也充分证明了此观点。放线菌一直是抗生素的主要产生菌，海洋放线菌种类和陆生放线菌有着显著的差异。陆生放线菌，主要以链霉菌为主。而海洋放线菌，它随着样品采集深度的逐步增加，而含有分枝菌酸的放线菌(mycolata)逐渐增多，链霉菌逐渐减少。近几年被发现的新种属也主要是这一类。如加州大学(San Diego分校)Fenical课题组发现的专属海洋性的新放线菌属Salinispom和Marinispom-81，它们必须在含有海水的培养基中才能生长，从这两个放线菌属中已分离出了许多骨架新奇、活性强劲、机制独特的化合物。此外，从一些海洋真菌、海洋细菌中也分离得到了许多具有新颖结构和新活性特点的次生代谢产物。

另需要说明的是海洋微生物与陆生微生物产生的次生代谢产物在结构、活性方面都存在很大的差异。海洋微生物的次生代谢产物分子中常带有卤素、硫元素内酯、内酰胺、特殊螺环等已确认(或潜在)药效团。也许正是由于这些药效团的存在,从而对致病菌的耐药性与肿瘤细胞某个特定生物学环节，才表现出强有力的抑制作用。

1.2关于植物内生菌

植物内生菌，通常是特指全部或部分生活在健康植物组织或细胞内的真菌或细菌(包括放线菌)，和植物病原菌不一样的是，宿主的感染，并不会因它们的存在而引发明显症状，分离出来，只需从严格表面消毒的植物组织中就可取得。其内生性可通过组织学方法或从植物组织内部扩增出微生物DNA等策略予以证明。植物内生菌可籍其存在或通过其代谢产物，影响宿主植物的生长。比如，宿主植物定植的促进，对环境胁迫的抗性，对抗食草动物及病原菌的侵袭等等。世界著名植物内生菌研究先驱之一，哈佛医学院Clardy教授认为，有一个非常大却很少有人涉足的微生物的宝库就是栖息在植物内部的一大类微生物，并且由于生活在植物内部，它们的生存方式和代谢途径均有别于普通微生物，因此其产生的化合物的结构也非常特殊，如nodulisporic acid、guanacastepen等。作为新型抗生素(或新活性化合物)的产生菌—植物内生菌，之所以受到空前的关注，正是鉴于此。

1.3其它特境微生物

其它特境微生物如昆虫共生菌、海绵共附生菌、极地微生物等由于其生存环境的特殊，造就了其有别于普通的环境或陆生微生物的代谢途径，势必产生新的结构类型的药物分子，如新型免疫抑制剂dalesconol。

2　抗生素作用的靶标

细菌耐药性特别是多重耐药性，以及新疾病等问题的涌现向抗生素药物的发展提出了新的挑战，要求人们采用全新的思路去寻找新的抗生素。随着现代生物技术及相关科学的发展，特别是基因组学、蛋白质组学、生物信息学、生物大分子结晶技术等的兴起，有些影响细菌的生长跟致病基因的发现与靶标的筛选模型的构建，是发现新的抗生素耐药细菌的关键。

2.1运用基因组学寻找新的突破—靶点

随着基因组测序项目的发展,科学家们已经完成了人类各种致病性和致病微生物全基因组序列测定工作。在致病微生物中，它的所有基因，都有可能作为潜在的靶标。我们所要的理想的抗生素靶标：第一，必须是微生物细胞存活所必需的。第二，它在病原体中必须高度保守。第三，人体中不存在，或与人类基因组有着本质的差异。因而，运用基因组学，研发抗生素新靶点，基因产物的功能等方法，由基因组学入手，会是一条可以事半功倍的捷径。

2.2传统抗生素靶点的重新发掘

传统的抗生素作用的靶点不外乎抑制细菌细胞壁的生物合成的靶点，抑制蛋白质的合成的靶点以及抑制DNA的复制与修复的靶点等。回顾我们对基因组学的研究、对微生物细胞结构与分子机制的认识，还有对已往传统靶点的重新认识和发掘，这都必将为抗生素的研发提供新的途径。

2.3非传统的抗生素作用靶点的发现

微生物致病，必须达到一定的密度。细菌之间有着信息交流，已被科学研究所证实，其中有能合成并释放一种被称为自诱导物质(autoinducer，AI)的信号分子，随细菌密度的增加而增加的胞外的AI浓度，当达到一个临界点时，Al便自动启动菌体中相关基因的信息传导，也就是说能够调控细菌的生物行为，以适应环境的变化，这被称之为群体感应(quorum sensing.QS)。因此，阻断微生物的群体感应的信号传导也是发展新型抗生素的源头之一。如在患者的各种导管内，群体感应系统就会成为细菌形态和信号传导的决定因素。而细菌多糖被膜的渗透性极差，直接使用抗生素难以控制细菌，所以更直接有效的抑制作用就是阻断群体感应器的生物合成，抑制可激发生物膜的信号分子的形成。多重耐药菌株的出现，在很大程度上是由于微生物存在药物外排系统所造成的，因此，外排泵阻遏剂町有效降低抗生素固有耐药性，逆转获得性耐药性，并减少对抗生素高度敏感耐药株的出现率。

3　抗生素研究的新策略

3.1激活沉睡基因，以衍生并发现新抗生素

对抗生素的研究，以往主要是通过微生物培养，经常规的提取、分离、纯化技术等寻找抗生素。周而复始的研究策略与方法使得相同或相近的抗生素被不断重复分离出来。随着生物科技的不断发展，利用基因工程的方法，激活处于“沉睡”状态的基因系统，从而引发这种藏匿的隐性基因表达，对发现新抗生素是一条新的捷径。其中涉及的沉睡基因(silent gene)是指微生物固有的、在自然条件下处于休眠状态，但是在给予一定的条件下可被激活，诱发活性产物的DNA序列。

著名科学家Hopwood于上世纪80年代初提出，通过基因克隆、诱变处理、菌株或种间的自然接合、原生质体融合等方法可以激活沉睡基因，从而为我们获取新抗生素和新活性产物指明了一条新的途径。对此领域进行进一步深入地研究，一定会有更多新抗生素和新活性物质从这些休眠基因簇中被挖掘出来。

3.2不可培养微生物遗传物质的异源表达

事实上，目前我们所培养的微生物仅仅占所有微生物总量的一少部分，比可培养微生物种类更多的是活着但不可培养的微生物。而仅占冰山一角的这一少部分的可培养微生物却已经为人类贡献了数百种的抗生素。因此，研究不可培养微生物的次生代谢产物将为抗生素研究带来新的发现。目前比较成功的做法是直接从环境样品中提取所有可培养和不可培养微生物的总DNA，选择其中具有较大片段的eDNA(environmentalDNA)并通过合适的载体将其导入易培养的宿主菌(如E coli)中，然后再通过常规的培养手段进行培养。由于宿主菌中“新加”了不可培养微生物的遗传物质，故可产生不可培养微生物的活性次生代谢产物。宏基因组文库技术在这方面已为我们指出了一条有效途径。

3.3治疗非感染性疾病的抗生素发现

许多微生物次生代谢物具有跨界(interkingdom)调节作用，这就为治疗非感染性疾病抗生素的发现带来了希望，如人们发现多种微生物次生代谢物对癌细胞(已变异的哺乳动物细胞)有显著的抑制和杀伤作用，从而导致了许多“抗肿瘤抗生素”的问世。若换以免疫细胞或其调节通路为靶点，也许“免疫调节抗生素”的发现就在眼前。

4　人们对抗生素使用情况的调查

抗生素自问世以来为人类作出了卓越的贡献，然而随着时间的演变，当今社会滥用抗生素已成为人们的安全隐患。希望通过本次调查,让人们对抗生素有一个正确的了解和认识，以便更好地使用抗生素，避免一些不必要的伤害。

根据我们小组成员共同制定出的调查方案和问卷，并于2015年11月3日实施调查，事后进行了数据处理和调查分析。调查内容围绕人们对抗生素的了解程度、使用情况和滥用抗生素对人体危害三个方面进行设计，共有12个调查问题、40个选项。调查方式分别为网络问卷、现场问卷两种。调查样本为济南市历城区18岁以上成年人，要求均匀遍布18-40、40-60、60以上三个年龄段，每个年龄段人数的比例相当，以确保调查结果的准确性。调查回收有效问卷100份，然后经组员进行处理分析得出以下结果（仅挑出较具代表性问题进行作图分析，其他简略）。

4.1人们对抗生素的了解程度

抗生素是有些微生物的“代谢产物或合成类似物，在小剂量下能抑制病原体的生长，而对宿主细胞不产生严重的毒副作用。”类似红霉素、青霉素等等这些药品都是抗生素，但人们使用时知道他们是抗生素吗？了解这些抗生素的作用吗？

图一

由图中数据可知，大多数人只是稍微了解抗生素是一种可以治疗很多疾病的药物，至于抗生素的具体事项了解度并不高。人们经常使用的抗生素有青霉素、红霉素、氟哌酸等，其中青霉素和红霉素所占比例较高。不少人认为“抗生素很有用，吃了病就好了”，所以不排斥使用抗生素，这些问题都在一定程度上纵容了抗生素的滥用，长期使用从而危害人们的健康。

图二

4.2人们对抗生素的使用情况

时下，抗生素在临床应用中，被广泛应用。抗生素对预防、控制和治疗各种感染性疾病具有重要的作用，但是，人们对使用抗生素药物的情况却不容乐观。

图三

由图可知，人们在回答“您是否在没有医生开处方时使用抗生素？”问题时，有88.23%的人选择“不是”，仅有11.74%的人选择“是”。人们在使用医生开的抗生素时，只有64.7%的人会严格按照医生的指导，仍有35.30%的人却会自行地增减药或感觉良好而停药。

另外，此次调查发现认为普通感冒没必要去看医生，吃一些抗生素就会好的人数占61.11%，其中的原因是他们认为去医院看病程序复杂，医药费太贵或者抗生素能治疗多种疾病等等。

4.3抗生素滥用的危害

调查和访谈中，人们回答“滥用抗生素的危害，您是否了解？”这一问题时，有58.82%的人回答是“了解一些”，而再进一步询问时，大部分人对其危害，只是看到了具体的表相，深层的原因却并不清楚，只知道服用某种抗生素较多次以后会使细菌的耐药性增强，降低药效。

图四

其实，抗生素的滥用危害主要有这几个方面：1.伤害身体，尤其是儿童。2.产生耐药性。3.杀灭体内正常细菌。

4.4结论和建议

抗生素的治疗作用与毒副作用普通人群并不怎么深入地了解，反而只重视了其治疗作用。医者父母心，患者相信医生，尽管知道抗生素对人体危害很大，但是仍对抗生素有很大的依赖性。抗生素仍然是很多人的常备药，如土霉素，红霉素，阿莫西林、青霉素、利君沙、先锋霉素等。由此可知，对于抗生素的滥用，形势依然严峻。如何规范，如何使用，是当今亟待解决的大问题。

通过这次调查，总结出下列这几条建议，希望能对抗生素的规范使用有所帮助。

第一，加强宣传，对广大群众而言，只有让人们正确认识和使用抗生素，才能从根本上控制抗生素的使用。

第二，严格限制抗生素的处方量，针对医务人员，据官方统计，我国医院抗生素的销售额占所有药品销售额的一半以上（这个数字令人吃惊）。这一数字足以说明对处方的控制，是有效防止抗生素滥用的重要途径。

第三，加强监督，对零售药店，杜绝药店在没有处方情况下出售抗生素的现象。在监督部门与政府的有力管控下，确保抗生素限售令落到实处。

第四，新药研发，希望社会各界给予支持与配合，利于科研工作者发现、创造并生产出更多非抗生素类的替代药品。

4　总结

抗生素的治疗与毒副作用，尤其是发展到现在，当滥用让毒副作用越来越成为棘手的大问题时，抗生素的发展，难逃有史以来的第一个瓶颈，国际制药巨头或削减或停止对新型抗生素的研发。这既是困难，更是机遇。笔者认为，传统模式已经行不通，只有改变模式，加大对海洋微生物、植物内生菌的研究，加大对共生微生物的研究，还有相对薄弱的微生物次生代谢产物的研究，运用基因组学、蛋白组学和生物信息学等科学寻找抗生素作用的新靶点，运用生物化学和分子生物学的方法激活休眠基因，也许能够找到新的出路。基础生物学和基础医学的迅速发展，让人类可以从微生物次生代谢产物中筛选发现治疗当今高发且难治的非感染性疾病(如肿瘤、糖尿病、心脑血管疾病、过敏、老年痴呆症等)的新药或其先导化合物。由此可见，新时期已经赋予了抗生素新的内涵和新的用武之地。

当今，抗生素的发展走到了一个新的十字路，是迷茫徘徊，还是走向光明正途？既需要有政治家的卓识胆识作为后盾，又需要相关的化学家、微生物学家、生物化学家、药物药理学家等科研工作者的长期合作。

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编辑：董刚

The research and analysis of future potential applications of the antibiotic

FENG Dongyang
（Shandong Agriculture University College of Life Sciences，taian Shandong 271000）

The discovery and use of antibiotics provides humans a long-awaited medicine to overcome a variety of infectious diseases,and to extend the average human life expectancy for a decade.But the repeated antibiotics use(excessive)to make"fickle"single-celled pathogen gradually adapt to the presence of antibiotics,which resulted in the growing problem of drug resistance.In addition,the emergence of antibiotic(such as SARS,New hepatitis virus subtype,etc.)and the use and develop of new pathogens seems to have an traditional infections-treated antibiotic upgraded to a more generalized disease treatments.This has forced people to change the traditional mode of development and use of antibiotics,take good use of existing antibiotics while incorporating advanced technology and multi-disciplinary approach,and constantly find new structure,unique mechanism of action of antibiotics,make the discovery of antibiotics smarter, more sensible,to better benefit all humanity.

Antibiotics;Prospect;use;drug resistance;usage

R453.2

A

2095-7327（2016）-07-0035-06

冯东阳（1994-），男，山东济南人，山东农业大学生命科学学院生物科学专业，研究方向为生物科学。