来自耐药菌的威胁

倪显丽

如此“鸡贼”，利用休眠骗人体

因为近来有迹象显示，令人担忧的临床感染案例中，一部分归咎于非耐药性的持留菌，它们的活力机制和耐药菌是完全不同的：耐药菌侧重于在有抗生素的情况下继续繁殖，但持留菌优先确保自身存活而非繁殖，在抗生素消失后才恢复长势。无论是哪种情况，感染都将加剧。

“持留菌”一词实际上是由爱尔兰细菌学家约瑟夫·比格发明的。1944年，约瑟夫·比格未能用青霉素杀灭全部的金黄色葡萄球菌，这位爱尔兰细菌学家就此提出假设：细菌通过暂时停止分裂，从而逃脱了抗生素的攻击。在此之前的1942年，美国微生物学家格拉蒂斯·霍比和她的团队已证实，即使经过青霉素的强力治疗，链球菌感染仍会复发。约瑟夫·比格在担任军医期间也注意到，连续3天用大剂量青霉素治疗伤口仅实现了部分灭菌，且感染会再次发生。因此，他估计有百万分之一的葡萄球菌存活了下来，并提出假设：存活的细菌暂时停止了分裂增殖，这使它们能够逃脱抗生素的攻击。

这符合大多数抗生素在菌群中通过阻断或干扰细菌正常生长时的关键过程而起作用。如果某些细菌进入休眠状态，抗生素将失去目标，也就无法杀死它们。

生物膜中的持留菌

生物膜是包围在微生物群落周遭的薄膜，往往会附着在植入性医疗设备（关节假体血管导管等）的表面，形成对持留菌有利的环境。由于生物膜的深层环境条件不佳，在应激反应诱导下，持留菌会大量出现。营养不足和缺氧会促使细菌休眠。在停止抗生素治疗时，即使之前的操作规范且给药剂量很大，也难免存在众多持留菌复苏后导致生物膜重构并使感染复发的风险。

越来越多的研究成果使科学家认识到，持留菌可能会对某些感染的治疗产生影响。进一步了解持留性，有助于确定某些患者的治疗方法，尤其在抗生素无法根除所有细菌的情况下。令人意外的是，直到2004年，该领域所需的先进技术（微流控芯片、视频显微镜、流式细胞仪）才全部到位，研究人员由此得以对培植于极少量培养基中的细菌进行个体层面的长期检测、可视化和分离。美国的洛克菲勒大学团队首次揭示了持留菌的存在：在相同的遗传条件和环境条件下培养的菌落中，一些细菌可以在无抗生素的培养基里暂时停止生长。由此形成了两个共存的细菌亚群，大多数细菌继续以正常速率分裂，而极少数则进入休眠状态，后者便是持留菌。在群落相同的细菌内部产生了完全随机的现象，有些类似物理学上所谓的对称性破缺，这导致小部分细菌与种群里其他细菌的行为完全不同。

藏身于巨噬细胞

在繁殖期菌落中出现休眠细菌，这像是细菌的一种预备策略：始终储存其中的一小部分细菌（尽管基因相似），以防生存条件恶化，尤其是在营养匮乏或暴露于抗生素的情况下，不至于全“菌”覆没。最初由物理学家研究的该现象很快引起生物学家的兴趣，因为它事关暴露于抗生素的细菌存亡。如今，科学家意识到，在实验室中观察到的相关现象与临床上慢性或顽固性感染患者的情况非常相似。

在这些开拓性研究成果的基础上，多个研究小组随后在动物感染模型中明确观察到持留菌的存在，它们分布于骨髓（树突状细胞）、肠道淋巴结，甚至是啮齿动物的脾脏里。最后一种情况的持留菌藏身于巨噬细胞，而巨噬细胞是免疫系统的第一道防线。近来的一些研究也凸显了持留菌的临床重要性。研究人员已从复发性尿路感染患者体内的大肠杆菌中鉴定出与持留性有关的基因突变。同样地，在囊性纤维化患者中也观察到绿脓杆菌的持留菌比例提升，长期使用多种抗生素治疗可能是出现慢性感染的原因。此外，持留菌也被视作链球菌性扁桃体炎复发的主要原因。这些結果表明，在某些情况下，即便使用抗生素治疗，细菌也不会被全数清除。

科学家一年前就了解到沙门氏菌在小鼠的巨噬细胞中持留的一种策略，而通常认为细菌一旦进入巨噬细胞便会被杀死。进入这种会引发细菌应激的细胞内环境后，休眠细菌保留了一定的活性：它在巨噬细胞里释放30余种分子以操纵巨噬细胞，使后者的细胞内环境不再剑拔弩张。难以置信，持留菌休眠时仍保持着警觉！它们看似不活跃，却成功从内部瓦解巨噬细胞的武装，确保了自己长期存活，毕竟在活体中光靠彻底休眠还不够。至于对免疫系统内部的这种破坏是否会导致感染复发，甚至促进新病原体的感染，还有待观察。

从持留到耐药

另一个威胁： 细菌以持留性为跳板变成耐药菌。这些细菌可以在巨噬细胞中滞留很长时间，凶险的环境有利于细菌DNA中许多突变的出现。现在还不能排除持留菌基因组中这些变化自发产生并最终导致耐药突变体出现的可能性。研究小组2020年9月发表的一项研究证实了这一情况：持留菌具有传播和获得抗生素耐药性的能力。在被沙门氏菌感染并用抗生素治疗的啮齿动物中，科学家观察到了迁移至肠道的持留菌，而这些细菌最初存在于其他器官（脾脏、肝脏）。这些持留性沙门氏菌可以接收其他肠道菌种的耐药基因。研究人员还观察到相反的情况：如果持留性沙门氏菌携带耐药基因，可以将之转移给其他菌种。研究人员由此开始意识到与持留菌作战的重要性。如今，全球有50余支团队正在进行该课题的研究。

问题的关键是要了解这一独特的遗传和生化机制：细菌是如何休眠的？ 目前已在大肠杆菌、沙门氏菌和克雷伯菌中发现了一个起关键作用的分子机制。它依托于多套毒素——抗毒素系统，其中一个基因负责产生稳定的毒素，该毒素会干扰细菌的生长。而另一个基因则负责产生不稳定的抗毒素，来中和毒素的作用。当抗毒素降解时，处于上风的毒素将阻止细菌的繁殖，令它们进入休眠状态，继而成为持留菌。2016年，研究小组证实，持留性沙门氏菌会产生一种毒素，这种毒素能卡住细菌自身的蛋白质制造链，从而使细菌的生长陷于停滞状态;当一种可以纠正该毒素的酶产生后，细菌便能恢复蛋白质的合成并继续生长。

2020年9月，比利时鲁汶大学微生物与植物遗传学中心的扬·米歇尔斯团队描述了大肠杆菌如何进入休眠期。它由细菌产生的一种毒素来调控，该毒素会在大肠杆菌的细胞膜上形成微小的孔隙：这些小孔会释出ATP分子（Adenosinetriphosphate，别称三磷酸腺苷，是体内能量的主要来源，当体内吸收、分泌、肌肉收缩及进行生化合成反应等需要能量时，三磷酸腺苷即分解成二磷酸腺苷及磷酸基，同时释放出能量），而细菌的生长离不开后者提供的能量。专门瓦解这些孔隙的酶可以唤醒细菌，此时细菌便能重新蓄满ATP并恢复生长。

对抗持留菌的3种思路

尽管目前的研究仍不能解释为什么某些细菌会休眠而其他细菌不会，但它们能打开抗击休眠细菌的新局面。处于研究中对抗持留菌对策略有3种：根除它们、阻碍它们的形成，或者使它们重新对抗生素敏感。

将它们扼杀在休眠期，这意味着要找到能使抗生素进行攻击的替代标靶，通常抗生素仅对处于快速生长阶段的细菌有效， 令它们无法休眠，靶向攻击可让细菌进入休眠状态的分子机制。然而，这些机制不仅为数众多且有一定冗余：要想设计出针对所有分子机制的单一药物并不容易。唤醒它们，待其恢复生长，就能令抗生素杀死它们。

第一种对策需要为抗生素找到替代靶标。通过与一种抗生素相结合，一种以酶为靶标的分子已被证实能够根除小鼠体内的耐药性金黄色葡萄球菌的感染。同样，以细菌外膜为攻击靶标的合成小分子（类视黄醇）也在小鼠严重感染模型中显示出其有效性。

第二种方案阻碍持留菌的形成或生存，似乎还不太现实，因为这需要同时瞄准诱导出细菌持留性的多种分子机制。

第三种方案是使持留菌对抗生素重新敏感——有点类似令它们苏醒的机制，通过激活其新陈代谢，使抗生素可以重新对它们起作用。已知大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的持留菌可因此再度对抗生素敏感。这些在体外实验或动物模型中获得的鼓舞人心的结果还须在人体内进行验证。目前， 评估几种抗持留菌分子安全性和抗菌活性的Ⅰ期和Ⅱ期临床试验已经展开，而且为此创立的生物技术公司也有好几家。仅仅数年时间——虽然距它们被发现已过了75年——持留菌便重回历史舞台。可以肯定的是，无论学界最终用什么术语对其命名，它们很快就会为世人所知。

对付耐药细菌的方法很简单，就是找到新的“魔弹”。然而，许多抗生素来自微生物本身，生存压力会迫使微生物物种不断发展出击败竞争对手的武器。这些微生物制造抗生素的方式往往不是很灵活：它们非常擅長制造特异性的结构，但如果这一结构不再与目标相吻合，它们就很难调整过来。我们还在大自然中发现了许多显而易见的抗生素，但随着时间推移，这样的抗生素已经越来越难以找到。我们唯一不能做的一件事就是放弃，因为细菌永远不会放弃。

抗生素耐药性是一场人类一开始就处于下风的军备竞赛。在对抗耐药性细菌的战斗中，美国政府出台了一个新激励措施：设置2000万美元奖金，用于奖励能识别高耐药性感染的快速诊断试验。该奖金只是白宫宣布的大量行动中的一个，这些行动标志着其对耐抗生素细菌威胁的更大关注。除了相关奖金，美国政府还每年提供1.5亿美元用于可能带来新抗生素或对抗感染的“非常规”疗法的基础研究。