革蘭陰性桿菌對(duì)抗菌藥物的耐藥機(jī)制仍然是大家非常熟悉的產(chǎn)生滅活酶、靶位改變及外排泵高表達(dá)等,產(chǎn)ESBLs的革蘭陰性菌對(duì)第三代和第四代頭孢菌素的耐藥問(wèn)題仍是我們必須面對(duì)的且非常突出的問(wèn)題,但近年大家主要關(guān)心的革蘭陰性菌的耐藥機(jī)制如下。
1.碳青霉烯類抗生素的耐藥機(jī)制:碳青霉烯類抗生素耐藥最主要的機(jī)制是產(chǎn)生碳青霉烯酶,造成包括碳青霉烯類抗生素在內(nèi)的幾乎所有β-內(nèi)酰胺類抗生素耐藥,主要包括金屬酶(metallo-beta-lactamases,MBL)、KPC酶(carbapenemases-producing Klebsiella pneumoniae,KPC)和OXA酶(oxacillinase酶)等。
金屬酶:其酶活性中心需金屬鋅離子的參與,故稱為金屬β-內(nèi)酰胺酶,屬Bush分類3群,Ambler分類B類,可由染色體、質(zhì)?;蜣D(zhuǎn)座子介導(dǎo)。該類酶對(duì)β-內(nèi)酰胺酶抑制劑敏感性差,但可被乙二胺四乙酸(EDTA)所抑制。隨著臨床碳青霉烯類抗生素使用的增加,MBL的產(chǎn)生有不斷上升的趨勢(shì)。根據(jù)氨基酸的同源性,Bush分類中將金屬酶分為B1、B2和B3亞型,其中B1亞型包括了大多數(shù)已知的金屬酶,如常見(jiàn)的IMP、VIM和NDM等。自1991年日本首次發(fā)現(xiàn)產(chǎn)IMP-1的銅綠假單胞菌以來(lái),世界各地不斷發(fā)現(xiàn)IMP的其他亞型,迄今為止已超過(guò)50種,其同源性較高,多數(shù)由IMP-1突變產(chǎn)生[6]。臨床上IMP主要從銅綠假單胞菌、黏質(zhì)沙雷菌、肺炎克雷伯菌和鮑曼不動(dòng)桿菌中分離得到。除小部分blaIMP-1基因存在于Ⅲ類整合子,絕大多數(shù)blaIMP-1基因位于Ⅰ類整合子上,整合子通過(guò)質(zhì)?;蜣D(zhuǎn)座子等可移動(dòng)元件進(jìn)行傳播,從而導(dǎo)致耐藥基因在細(xì)菌中的播散。同樣可通過(guò)整合子機(jī)制在不同種細(xì)菌間進(jìn)行水平傳播的VIM,十幾年來(lái)已發(fā)現(xiàn)近50種亞型,大多分離自銅綠假單胞菌,遍及亞洲、歐洲、北美洲和南美洲各地,給臨床治療帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。2008年,瑞典報(bào)道了第1例NDM-1病例,此后,其突變亞型相繼被報(bào)道。NDM-1大多存在于腸桿菌科,也存在于非發(fā)酵菌和弧菌科等。與已知的MBL有所不同,NDM酶活性位點(diǎn)附近具有獨(dú)特的氨基酸殘基以及插入序列,能與碳青霉烯類抗生素更緊密接合。產(chǎn)NDM的菌株同時(shí)對(duì)多類抗菌藥物均表現(xiàn)為耐藥,與其同時(shí)攜帶的多種耐藥基因密切相關(guān)。研究結(jié)果顯示,大多數(shù)blaNDM-1陽(yáng)性的菌株同時(shí)攜帶blaCMY、blaTEM、blaSHV或blaCTX-M型β-內(nèi)酰胺酶基因,以及ara-2、ereC、aadA1和cmlA7等多種其他耐藥基因。大多數(shù)研究結(jié)果顯示,blaNDM基因定位于質(zhì)粒上,并能以質(zhì)粒為轉(zhuǎn)移元件,通過(guò)接合在不同菌種間轉(zhuǎn)移,這就是導(dǎo)致blaNDM基因能在遺傳背景差異顯著的不同菌種中存在的重要原因之一。blaNDM-1基因可位于不同類型的質(zhì)粒上,如IncR、IncX3、IncF、IncL/M和A/C等,調(diào)查結(jié)果顯示,blaNDM-1基因的傳播與特定的克隆、具體的質(zhì)粒和單獨(dú)的基因結(jié)構(gòu)均無(wú)關(guān)。
KPC型碳青霉烯酶:其在分子分類上為A類,功能分區(qū)上屬于2f組,是一種由質(zhì)粒介導(dǎo)的β-內(nèi)酰胺酶。KPC型碳青霉烯酶利用絲氨酸殘基的活性,具有非常廣泛的水解活性,包括青霉素類、頭孢菌素類、經(jīng)典的β-內(nèi)酰胺酶抑制劑(克拉維酸、舒巴坦和他唑巴坦)、氨曲南和碳青霉烯類抗生素,該酶的活性可以部分被克拉維酸抑制,但不被EDTA所抑制。KPC型碳青霉烯酶是目前引起腸桿菌科細(xì)菌對(duì)碳青霉烯類抗生素耐藥的主要原因,尤其在碳青霉烯類抗生素耐藥的肺炎克雷伯菌中最為常見(jiàn)[7]。2001年由Yigit首次報(bào)道KPC-1后,迄今共發(fā)現(xiàn)了24種亞型(KPC-1~24),但在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)KPC-1的序列與KPC-2完全相同,故KPC型碳青霉烯酶至今共有23種亞型,每個(gè)亞型與KPC-2型相比,只有1~5個(gè)氨基酸的替換。在全球的流行病學(xué)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),KPC-2與KPC-3是主要的亞型。美國(guó)疾病預(yù)防與控制中心對(duì)其國(guó)內(nèi)各州產(chǎn)KPC酶的肺炎克雷伯菌進(jìn)行分型后發(fā)現(xiàn),主要克隆型為ST258;國(guó)內(nèi)也有類似的研究,結(jié)果顯示我國(guó)的主要流行克隆型為ST11,ST11與ST258僅有1個(gè)管家基因的差別,屬于同一個(gè)克隆復(fù)合體CC258。KPC型碳青霉烯酶容易傳播和播散的原因在于該基因質(zhì)粒周圍結(jié)構(gòu)的特殊性。2008年,Nass報(bào)道KPC基因位于1個(gè)名為Tn4401的轉(zhuǎn)座子結(jié)構(gòu)上,這個(gè)轉(zhuǎn)座子包含了1個(gè)轉(zhuǎn)座酶tnpA基因和1個(gè)熔解酶tnpR基因,還有2個(gè)插入序列ISKpn6和ISKpn7,KPC基因就位于這2個(gè)插入序列中間。Shen等[8]在2009年首次報(bào)道我國(guó)KPC基因周圍有著不同于Tn4401的結(jié)構(gòu),即KPC基因位于1個(gè)由Tn3轉(zhuǎn)座子與Tn4401轉(zhuǎn)座子共同整合而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)上。KPC基因可以依靠?jī)蛇叺牟迦胄蛄须S著轉(zhuǎn)座子在不同菌種中快速傳遞。
與KPC型碳青霉烯酶在Bush-Jacoby-Medeiros分類中同為2f組的β-內(nèi)酰胺酶還有SME和IMI等。SME酶在黏質(zhì)沙雷菌中特異性存在,基因定位在細(xì)菌的染色體上,該基因存在5種亞型(SME-1~5),每個(gè)亞型之間僅有1~2個(gè)氨基酸的變異,產(chǎn)SME型碳青霉烯酶的細(xì)菌主要在英國(guó)分離。IMI酶存在11種亞型(IMI-1~11),并在陰溝腸桿菌與阿氏腸桿菌中發(fā)現(xiàn),在阿氏腸桿菌中IMI-2基因位于Tn2501轉(zhuǎn)座子上,其包含了插入序列IS2與轉(zhuǎn)座酶tnpA,而在陰溝腸桿菌中IMI-2基因位于轉(zhuǎn)座子Tn903上,這些轉(zhuǎn)座結(jié)構(gòu)可能與IMI基因在染色體與質(zhì)粒上的移動(dòng)相關(guān)。
OXA型碳青霉烯酶:D類β-內(nèi)酰胺酶亦被稱作OXA酶,因早期發(fā)現(xiàn)的OXA酶對(duì)苯唑西林的水解速度比典型的青霉素快而得名,但如今更多的是根據(jù)酶的氨基酸結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸類。根據(jù)功能分類,OXA酶屬于2d組,大部分此類酶的活性可被NaCl而不能被克拉維酸抑制。不同的OXA酶的水解譜各有差異,如功能分類2de亞組的OXA酶屬于ESBLs,而2df亞組的OXA酶具有水解碳青霉烯類抗菌藥物的活性,但較弱,OXA型碳青霉烯酶的傳播與碳青霉烯耐藥性的不斷升高有著密切的關(guān)系,尤其是在不動(dòng)桿菌屬細(xì)菌中。研究結(jié)果顯示,CRAB的主要耐藥機(jī)制是產(chǎn)OXA-23型碳青霉烯酶[9]。目前,在統(tǒng)計(jì)各種β-內(nèi)酰胺酶數(shù)據(jù)的Lahey網(wǎng)站(G. Jacoby and K. Bush, http://www.lahey.org /Studies/)上,已報(bào)道過(guò)的OXA酶超過(guò)400多種。根據(jù)對(duì)這些OXA酶氨基酸序列進(jìn)行最大相似度分析,可將具有碳青霉烯酶活性的OXA酶歸為12類,分別是OXA-23-like、OXA-24/40-like、OXA-48-like、OXA-51-like、OXA-55-like、OXA-58-like、OXA-134-like、OXA-143-like、OXA-211-like、OXA-214-like、OXA-229-like以及OXA-235-like碳青霉烯酶。值得注意的是,以O(shè)XA-23型碳青霉烯酶為代表的10類OXA酶常出現(xiàn)于不動(dòng)桿菌屬細(xì)菌中,而以O(shè)XA-48型碳青霉烯酶為代表的另外2類酶則出現(xiàn)于腸桿菌科細(xì)菌以及希瓦菌屬細(xì)菌中,這兩大類酶的氨基酸序列差異較大,OXA-23與OXA-48酶的氨基酸序列相似度僅為39%。
2.替加環(huán)素的耐藥機(jī)制:目前研究認(rèn)為,外排泵在替加環(huán)素耐藥過(guò)程中發(fā)揮重要作用,尤其與RND型外排泵相關(guān)。RND型外排泵主要存在于革蘭陰性菌中,在革蘭陰性菌的天然耐藥和獲得性耐藥中扮演著重要角色。在腸桿菌科細(xì)菌中與替加環(huán)素耐藥相關(guān)的RND型外排泵則有AcrAB-TolC和OqxAB[10],在鮑曼不動(dòng)桿菌中則包括AdeABC、AdeFGH和AdeIJK等[11]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)這些外排泵的表達(dá)又處于多種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的調(diào)控之中。目前,RND型外排泵系統(tǒng)過(guò)表達(dá)及其調(diào)控基因突變?cè)谔婕迎h(huán)素耐藥中的作用已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證。
最近的研究發(fā)現(xiàn),核糖體蛋白的變異可能也是引起細(xì)菌對(duì)替加環(huán)素耐藥的重要原因。Beabout等[12]將鮑曼不動(dòng)桿菌、屎腸球菌、大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌培養(yǎng)于帶有一定濃度的替加環(huán)素的培養(yǎng)基中,在最后獲得的替加環(huán)素適應(yīng)株中發(fā)現(xiàn),47株中有35株存在rpsJ基因的突變(編碼核糖體S10蛋白),進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)rpsJ基因的突變可以導(dǎo)致屎腸球菌對(duì)替加環(huán)素的MIC值提高至臨床折點(diǎn)0.5 μg/ml,這也是第一次關(guān)于rpsJ基因突變導(dǎo)致細(xì)菌對(duì)替加環(huán)素敏感度下降的報(bào)道。在隨后的報(bào)道中Lupien等[13]證明了核糖體S10蛋白的突變可導(dǎo)致肺炎鏈球菌對(duì)替加環(huán)素的敏感度降低。
以往的研究結(jié)果顯示,替加環(huán)素能夠克服引起細(xì)菌對(duì)四環(huán)素耐藥的機(jī)制,而最近的研究發(fā)現(xiàn),攜帶tetA基因的沙門菌除對(duì)四環(huán)素耐藥外,同樣也對(duì)替加環(huán)素耐藥。Linkevicius等認(rèn)為,tetA的突變進(jìn)化可以引起大腸埃希菌對(duì)替加環(huán)素敏感度的下降,同時(shí)他們認(rèn)為核糖體保護(hù)蛋白TetM和四環(huán)素修飾酶TetX的突變也可導(dǎo)致替加環(huán)素敏感度的下降。
3.多黏菌素的耐藥機(jī)制:目前細(xì)菌對(duì)多黏菌素耐藥的機(jī)制仍未完全明確,主要包括染色體介導(dǎo)和質(zhì)粒介導(dǎo)的兩大類耐藥機(jī)制。染色體介導(dǎo)的耐藥機(jī)制中,最重要的是對(duì)脂多糖核心及其脂質(zhì)A的修飾,具體包括有磷酸乙醇胺(PEtN)、4-氨基-4脫氧-L-阿拉伯糖(L-Ara4N)的共價(jià)結(jié)合以及pagP酶介導(dǎo)的脫?;土u基化等。對(duì)脂多糖最常見(jiàn)的修飾方式是其帶正電荷的磷酸基被4-氨基-4脫氧-L-阿拉伯糖(L-Ara4N)替換,從而使脂質(zhì)A的負(fù)電荷降低至0;另一種常見(jiàn)的修飾是與磷酸乙醇胺(PEtN)的共價(jià)結(jié)合,能夠使脂質(zhì)A的凈電荷由-1.5降低至-1。此外,還有外排泵的過(guò)表達(dá)、細(xì)菌莢膜多糖阻斷等方式來(lái)產(chǎn)生對(duì)多黏菌素的耐藥。
在對(duì)脂多糖的修飾機(jī)制中,雙組分調(diào)控系統(tǒng)(TCS)具有重要的意義,它們可以受環(huán)境刺激以及雙組分調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)的特殊基因突變所觸發(fā),從而使其對(duì)脂多糖修飾基因持續(xù)的激活和過(guò)表達(dá)。雙組分調(diào)控系統(tǒng)中PhoP/PhoQ、PmrA/PmrB兩組具有最重要的意義,PmrA/PmrB的表達(dá)增加會(huì)導(dǎo)致操縱子pmrCAB和arnBCADTEF-pmrE的表達(dá)增加,它們分別介導(dǎo)了細(xì)菌對(duì)PEtN和L-Ara4N的合成與傳遞。而雙組分調(diào)控系統(tǒng)PhoP/PhoQ導(dǎo)致多黏菌素的耐藥主要是通過(guò)增加雙組分調(diào)控系統(tǒng)PmrA/PmrB的表達(dá),實(shí)現(xiàn)對(duì)脂多糖的修飾。在不同的菌種中,不同種類雙組分調(diào)控系統(tǒng)影響著多黏菌素的耐藥水平。
腸桿菌科細(xì)菌中,對(duì)脂多糖修飾的最重要的雙組分調(diào)控系統(tǒng)PmrA/PmrB(PhoP/PhoQ可通過(guò)增加PmrA/PmrB的表達(dá)實(shí)現(xiàn)),可受外界環(huán)境刺激的影響,包括異常的pH值、Fe3+、Mg2+濃度及多黏菌素的暴露等,導(dǎo)致一系列與脂多糖修飾相關(guān)基因表達(dá)水平出現(xiàn)變化。在大腸埃希菌中,除雙組分調(diào)控系統(tǒng)PmrA/PmrB和PhoP/PhoQ對(duì)多黏菌素耐藥的發(fā)生具有重要意義外,一種酪氨酸激酶Etk也可以促進(jìn)L-Ara4N對(duì)脂多糖的修飾,形成對(duì)多黏菌素的耐藥。Etk酶可促進(jìn)Ugd(pmrE)脫氫酶的活性,從而促進(jìn)L-Ara4N合成起始原料的合成(Ugd-glucuronic acid)。mgrR是另一個(gè)可以調(diào)節(jié)多黏菌素耐藥的基因,是一種小RNA,受雙組分調(diào)控系統(tǒng)PhoP/PhoQ調(diào)控,能夠抑制性調(diào)解eptB,而后者可以介導(dǎo)外膜脂多糖上的Kdo殘端與PEtN的結(jié)合,從而減少脂多糖的凈電荷。
在產(chǎn)KPC的肺炎克雷伯菌中,多黏菌素耐藥的一種重要機(jī)制是mgrB基因的失活。mgrB基因是一段長(zhǎng)度為144 bp、編碼1個(gè)含47個(gè)氨基酸的跨膜蛋白的基因,對(duì)PhoP/PhoQ系統(tǒng)具有負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用,將導(dǎo)致PhoP/PhoQ相關(guān)基因表達(dá)受到抑制。當(dāng)mgrB因發(fā)生插入失活、無(wú)義突變或者大片段的缺失而無(wú)法正確表達(dá)時(shí),雙組分調(diào)控系統(tǒng)phoP/phoQ的表達(dá)將增加,從而導(dǎo)致肺炎克雷伯菌對(duì)多黏菌素的耐藥。除此之外,也有研究發(fā)現(xiàn)肺炎克雷伯菌中有新的雙組分調(diào)控系統(tǒng)CrrA/CrrB,可導(dǎo)致對(duì)多黏菌素的耐藥,同樣是通過(guò)對(duì)脂多糖的修飾產(chǎn)生耐藥。
目前,鮑曼不動(dòng)桿菌對(duì)多黏菌素的耐藥主要有兩大主要機(jī)制,一是通過(guò)PEtN對(duì)脂多糖的修飾,其分子機(jī)制是雙組分調(diào)控系統(tǒng)PmrA/PmrB發(fā)生突變導(dǎo)致表達(dá)持續(xù)的增加,而鮑曼不動(dòng)桿菌并不存在L-Ara4N合成的分子機(jī)制,其對(duì)脂多糖的修飾僅通過(guò)PEtN進(jìn)行,多種pmrA/pmrB中導(dǎo)致該雙組分調(diào)控系統(tǒng)持續(xù)表達(dá)的突變已被發(fā)現(xiàn),可以導(dǎo)致對(duì)多黏菌素耐藥。另一種機(jī)制則是通過(guò)在脂多糖合成基因上發(fā)生突變或插入失活所導(dǎo)致的脂多糖完全丟失,包括lpxA、lpxC以及l(fā)pxD,臨床上已經(jīng)出現(xiàn)該原因?qū)е碌哪退幘辍?/span>
銅綠假單胞菌與鮑曼不動(dòng)桿菌不同,其含有PmrA/PmrB、PhoP/PhoQ兩對(duì)雙組分調(diào)控系統(tǒng),可通過(guò)PEtN和L-Ara4N對(duì)脂多糖進(jìn)行修飾,與腸桿菌科十分相似。除此之外,銅綠假單胞菌中另有3對(duì)雙組分調(diào)控系統(tǒng)參與了多黏菌素的耐藥,分別是ColR/ColS、CprR/CprS和ParR/ParS。
質(zhì)粒介導(dǎo)的耐藥機(jī)制:在2015年底,質(zhì)粒介導(dǎo)的多黏菌素耐藥基因mcr-1首次被報(bào)道[14]。該質(zhì)粒最早在中國(guó)畜牧業(yè)中發(fā)現(xiàn),mcr-1是一段長(zhǎng)度為1 626 bp的基因,GC含量為49%,其表達(dá)產(chǎn)物是一種磷酸乙胺醇乙醇胺轉(zhuǎn)移酶,可通過(guò)使脂質(zhì)A結(jié)合PEtN達(dá)到對(duì)多黏菌素的耐藥。
對(duì)臨床菌株的篩查結(jié)果顯示,在亞洲、歐洲、非洲及美洲等地均有攜帶mcr-1的肺炎克雷伯菌及大腸埃希菌的臨床菌株出現(xiàn)。更為重要的是,體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不同菌種之間攜帶mcr-1的質(zhì)粒可以通過(guò)結(jié)合或轉(zhuǎn)化試驗(yàn)在細(xì)菌間傳遞。雖然目前臨床菌株中未發(fā)現(xiàn)攜帶mcr-1的鮑曼不動(dòng)桿菌和銅綠假單胞菌,但體外研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)被轉(zhuǎn)化進(jìn)入非發(fā)酵菌中的mcr-1基因也可表達(dá)并引起對(duì)多黏菌素的耐藥。