影响细菌抗性代价因素研究进展

杨小庆，林思彤，孙 磊，张德显，刘明春

(沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866)

抗菌药物的使用为防治人和动物细菌性疾病做出了重要贡献，其使用量也不断增加。据估计，从2002年开始每年全球使用抗菌药物的量大约在10万吨到20万吨，自20世纪40年代以来抗菌药物的使用总量已超过200万吨[1]。全球范围内抗菌药物的大量使用加速了人和动物病原菌耐药性的出现，增加了所致疾病的治疗难度[2]。近年来，抗菌药物的开发速度有所降低，细菌耐药性的产生使人和动物可能会面临后抗生素时代的窘境[3]，因此，寻找新的途径来减缓或阻止耐药性的产生受到人们的关注。

抗性代价(fitness cost)是指细菌耐药菌株在不含抗菌药物的环境中表现出的生长速率、毒力以及致病力等方面降低的现象[4-5]。在此理论基础上，有些学者认为可利用耐药性所致的抗性代价来减缓或阻止细菌耐药性的产生，即停止抗菌药物使用将有利于敏感菌株的生长，降低耐药菌株在环境中的比例，进而实现消除耐药菌株[6]。但是，随着研究的深入发现，细菌可通过耐药基因或其他基因的补偿性突变以及遗传共同选择而降低耐药菌株的抗性代价，从而使得这一理论在临床应用变得更加困难[7]。本综述对细菌抗性代价及其影响因素进行讨论，并探讨利用该现象消除或减缓菌株耐药的可能性。

1 耐药性的产生和抗性代价

1.1 靶基因序列突变和质粒介导的耐药性

多种机制能够导致细菌耐药性的产生，其中，靶基因序列突变和质粒携带的耐药基因是细菌产生耐药性的两种重要机制。靶基因序列突变通常导致抗菌药物作用靶位结构的改变、或者增加细菌对药物的外排作用，有时靶基因序列突变也会导致基因表达量的升高或降低[8]。质粒介导的耐药性通常是通过水解药物、保护药物作用靶位、耐药的作用靶位代替药物敏感的作用靶位或者获得新的外排泵来实现的[9-10]。

1.2 遗传共选择现象

质粒是细菌产生耐药性的重要机制之一。某些耐药基因通常是和其他耐药基因一起存在于某些质粒上，并同时进行表达，因而，细菌获得对某一种抗菌药物耐药的同时也会对其他药物产生耐药性，这种现象就是细菌的耐药共选择现象[11]。这种现象也就能解释为什么某些抗菌药物已经不再应用于临床，但细菌针对此抗菌药物的耐药水平仍然不断增加的现象。如磺胺类药物已经很少用于治疗大肠埃希菌所致的疾病，但是该菌对磺胺类药物的耐药性仍然存在，甚至有增加的趋势，推测介导磺胺类药物耐药的基因是质粒骨架的组成部分，并且和其他耐药基因存在遗传共选择的现象[12]。

1.3 细菌耐药所致的抗性代价和补偿性进化

抗菌药物通常是影响细菌体内的重要细胞结构如细胞壁合成过程、细菌染色体的超螺旋结构、RNA的转录和蛋白质的合成等[13]。因此，细菌对抗菌药物产生耐药性之后，菌体内的重要结构也会发生变化，这种变化有些是有利的，但绝大多数都是有害的，进而产生抗性代价。抗性代价为防止和减缓耐药性的产生提供了思路，即减少抗菌药物的使用，通过自然选择降低耐药菌株在环境中的比例，消除或减缓细菌耐药性。研究也发现，细菌可通过其他基因或同一基因不同部位的突变来补偿耐药所致的抗性代价[14]。如沙门菌的rpsL(AAA42ACA)发生突变可对链霉素产生耐药性，对小鼠的致病力也下降；但是，rpsL(AAA42ACA)同时发生其他突变(如CGT93CAT)不但保持了对链霉素的耐药性，且对小鼠的致病力与野生株相当[15]，这提示沙门菌rpsL的突变(CGT93CAT)可恢复链球菌耐药菌株的致病力，推测此突变具有对抗性代价的补偿作用。

2 影响细菌抗性代价的因素

抗性代价是相对的，为确定是否存在抗性代价或者抗性代价大小，应在不同的环境中测定细菌的抗性代价，确定其在临床感染性疾病中的应用价值。在某些情况下，耐药菌株的致病力与敏感细菌并无差异，在这种情况下，耐药菌株又不存在抗性代价，因此，需要进一步明确影响细菌抗性代价的影响因素。

2.1 上位作用对抗性代价的影响

上位作用是指两对独立遗传基因共同对一对性状发生作用，而且其中一对基因对另一对基因的表现有遮盖作用[16]。上位作用对细菌抗性代价也能够产生影响。rpsL(编码30S核糖体蛋白S12亚基)突变可引起细菌对链霉素的耐药，而链霉素耐药所致的抗性代价受到环境和上位作用的影响[17]。如沙门菌RpsL蛋白的K42N或P90S可导致链霉素耐药，该链霉素耐药菌株在营养丰富的培养基中的生长速度低于敏感菌株，而在碳源缺乏的培养基中生长速度则高于敏感菌株[18]。RpoS是能够抑制处于生长对数后期和低营养环境中细菌分裂的一个重要调控因子，通过限制细菌的增长，保持细菌在环境中的长期生存，而耐药菌株的生长速率增加会导致菌体快速消耗环境中的营养，进而减少耐药菌株的存活时间，推测沙门菌链霉素耐药导致rpsL基因对rpoS产生上位作用，引起RpoS的功能失调，导致耐药沙门菌在低营养环境中的存活能力下降[19]。此外，空肠弯曲菌体内编码DNA回旋酶亚单位A(gyrase subunit A，GyrA)的gyrA基因突变可致环丙沙星耐药，同时gyrA的突变可增强耐药菌株对鸡的致病力，但是，当将该菌株的gyrA电转至其他空肠弯曲菌分离株时，在空肠弯曲菌产生环丙沙星耐药的同时，也产生了抗性代价[20]。因此，在测定耐药菌株的抗性代价时应当在不同条件下进行，从而能更精确的找到耐药菌株的抗性代价机理，有利于新药的开发或者药物之间的联合应用。

2.2 环境影响细菌抗性代价

某些耐药菌株在实验室培养条件下无抗性代价，且对小鼠产生致病力与敏感菌株基本相似；相反，虽然某些耐药菌株对小鼠的致病力与敏感菌株相似，但在实验室培养条件下具有明显的抗性代价。沙门菌fusA基因突变可通过影响鸟苷四磷酸调控因子的表达对夫西地酸产生耐药性；fusA基因的突变可导致其他多个基因表达的变化，从而导致在不同环境条件下所观察到的抗性代价也有所不同[21]。此外，沙门菌fusA突变可导致对头孢菌素等抗菌药物的超敏感现象，可能是由于fusA突变导致的耐药引起了抗性代价，而抗性代价的产生导致了耐药菌株对其他抗菌药物的超敏感现象。同时提示沙门菌fusA突变所致的夫西地酸耐药菌株可采用这些超敏感的抗菌药物进行治疗。

细菌对利福平耐药的主要机制为编码RNA聚合酶亚单位的rpoB基因发生突变，利福平产生耐药后可产生细菌抗性代价，但是，甲氧西林耐药的金黄色葡萄球菌分离株S464P同样对利福平具有耐药性时，其对小鼠的病致力和敏感菌株基本相同[22]。产生这种差异的原因仍不清楚，推测可能是由于环境差异所导致的。

2.3 耐药机制对抗性代价的影响

沙门菌和大肠埃希菌30S核糖体蛋白S12的氨基酸变化(K42R)可产生链霉素耐药，但不会产生抗性代价，甚至该30S核糖体蛋白S12氨基酸变化会引起菌株对小鼠和猪致病力的升高[23]。同时，对链霉素耐药的结核杆菌30S核糖体蛋白S12也具有相同的氨基酸变化，且致病力也不会下降，这提示30S核糖体蛋白S12中的氨基酸K42R变化可导致链霉素耐药，但不会产生抗性代价。

金黄色葡萄球菌通过获得含有vanA的质粒产生与万古霉素低结合能力的细胞壁前体物而产生耐药。携带vanA基因的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌临床分离株在含有万古霉素的环境中能够诱导vanA基因的表达，产生耐药，生长速率会下降20%～38%抗性代价比较明显；相反，将相同菌株置于无万古霉素的环境中时，其生长速率只下降0.04%～0.3%[24]。因此，对甲氧西林耐药的金黄色葡萄球菌中vanA能够根据菌体所处的环境而调整抗性代价。

2.4 耐药菌株的补偿进化对抗性代价的影响

对喹诺酮类药物耐药的大肠埃希菌gyrA基因会发生多处突变。细菌体内外试验发现，随着gyrA突变数量的增加，抗性代价不断降低。如当大肠埃希菌gyrA基因的突变点从3个增加到4个时，不仅能增加对喹诺酮类药物的耐药，而且能够降低耐药菌株的抗性代价[25]。这提示可能细菌正向耐药性更强、抗性代价更低的方向进化。

3 结论

不同种类的细菌甚至是不同菌株，由于受到多种因素的影响，其抗性代价会有所差异。细菌通过补偿性突变或者遗传选择可弥补由耐药所产生的抗性代价，因此，目前条件下，依靠抗性代价来消除耐药菌株是比较缓慢，甚至是不能够实现的。通过研究细菌抗性代价，从而在临床上选择高抗性代价同时菌又不易产生补偿性突变的抗菌药物，进而阻止或延缓细菌耐药性的产生。

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