抗细菌耐药的武器:疫苗和抗体▲

潘丽玲 陈琼清 梁宁生

广西医科大学附属肿瘤医院药学部,南宁市 530021

【提要】 细菌对抗菌药的耐药性(AMR)问题是全球卫生面临的主要威胁之一。疫苗和抗体可以通过预防和治疗细菌或病毒感染/两者引起的继发感染,减少对抗菌药的需求,从而降低AMR的发生。总结疫苗和抗体在对抗AMR方面发挥的重要作用,探讨当前现有疫苗和抗体如何参与对抗AMR,可为解决AMR提供更广泛的思路。

自1928年英国医学家弗莱明发现青霉素以来,抗菌药逐渐得到发展和广泛应用,挽救了无数感染性疾病患者的生命。然而,由于抗菌药的成功开发,使得其便宜和容易获得,导致过度使用和不恰当使用,产生了细菌对抗菌药的耐药性(antimicrobial resistance,AMR)问题。AMR是全球卫生面临的主要威胁之一。基于细菌与人类与生俱来的共生关系和细菌“与时俱进”的耐药机制,AMR所造成的影响愈发严峻。2019年,全球估计有495万例死亡与耐药细菌感染有关,AMR成为世界各地死亡的主要原因之一[1]。

传统上应对AMR问题主要依靠不断发现和制造新的抗菌药,这些新型抗菌药以细菌的不同结构和功能为靶标,杀灭耐药的细菌。但是,随着每一种新抗菌药的使用,细菌都能够逐渐适应并进化出新的耐药机制,以惊人的速度逃避抗菌药介导的死亡。抗菌药是治疗感染的必需品,不合理使用会增加耐药菌的产生。有研究表明,碳青霉烯类抗菌药的使用量与鲍曼不动杆菌对美罗培南耐药率呈正相关,亚胺培南的使用量与美罗培南、亚胺培南的耐药率呈正相关[2]。无论哪种新抗菌药,最终AMR问题不可避免地会出现[3]。而且,新抗菌药的研发,因为技术和经济等问题,变得越来越困难,目前已出现了新型抗菌药研发的空窗期。因此,应对AMR问题,仅专注于新抗菌药的研发是不够的,应该配合其他有效的手段。

疫苗和抗体可能是对抗AMR的有效手段。预防性使用疫苗,一方面可以减少宿主的感染,另一方面可以在细菌感染初期产生特定的免疫反应,控制感染,减少抗菌药的使用[3-4]。在机体发生严重感染时,注射抗体可中和关键毒素或毒力因子,也可通过诱导细菌清除激活补体介导的细菌裂解或调理吞噬作用,发挥抗菌作用[3]。前者属于主动免疫,后者属于被动免疫。本综述分析和介绍当前疫苗和抗体如何参与对抗AMR,旨在为解决AMR问题拓宽思路。

1 疫 苗

根据最新的预测,到2050年,AMR造成的死亡人数将超过癌症造成的死亡人数,达到1 000万例死亡[5-6]。有证据表明,在这种环境下,细菌和病毒疫苗对解决AMR问题都有很大帮助[7-8]。疫苗接种(主动免疫)是通过训练机体免疫系统识别并且建立起针对特异病原体的快速有效的免疫反应来保护人类。目前疫苗接种已成为控制16种重大疾病的重要医疗手段[9]。传统上疫苗接种主要用于病毒感染,而后发现,其对控制细菌感染也很有帮助。世界卫生组织强调,疫苗是一项可预防细菌感染的措施,可以减少AMR[5]。与抗菌药的治疗机制不同,疫苗是为了预防疾病而设计的,通过减少细菌和病毒感染来减少抗菌药的使用,从而减少AMR的产生。疫苗的预防性使用允许宿主在遇到病原体之前,甚至在感染开始时仅存在极少细菌就建立起免疫反应,诱导持久和强大的保护性免疫记忆,它需要数周才能完全有效,最终有助于控制细菌感染。此外,大多数抗菌药只针对细菌的单个靶标,而疫苗具有诱导宿主产生特异性抗体和/或T细胞反应,可以针对细菌的多个靶标,杀菌更有效,使AMR的产生更困难[9-10]。因此,疫苗可以通过不同的方式有效地应对AMR。

1.1 针对病毒的疫苗 病毒疫苗在降低AMR方面非常有效。有研究表明,门诊中约有30%～50%的抗菌药处方是不合理的,因为这些不合理处方许多与流感有关,而流感是由病毒引起,使用抗菌药无效[11]。接种流感疫苗已被证明可以减少抗菌药的使用。在流感季节,一些医师会开出不合理的抗菌药经验性处方,而接种流感疫苗会减少抗菌药的使用[12]。在意大利进行的一项研究中,流感疫苗接种覆盖率与某些微生物AMR之间存在负相关关系,接种率高的地区AMR会低。其主要机制,一方面是通过预防呼吸道病毒感染和减少抗菌药处方,减少抗菌药的使用,降低AMR;另一方面是流感发生后,容易发生继发性细菌感染,需要使用抗菌药,而接种流感疫苗后,流感发病率降低,继发性细菌感染和相关的抗菌药处方减少[13]。在非洲,有学者评估了流感疫苗对抗菌药使用的潜在影响:如果南非65岁以上成人或塞内加尔2～5岁儿童接种50%有效的、覆盖率为30%的流感疫苗,每年每10万人中可避免390张以上的抗菌药处方;在整个非洲,如果给5岁以下儿童接种流感疫苗,每年就可以避免至少2.4万份抗菌药处方[14]。这些研究说明,病毒疫苗可以在抗AMR方面发挥重要的作用。

1.2 针对细菌的疫苗 与病毒疫苗相比,接种细菌疫苗是相对新的技术。20世纪90年代,在7价肺炎球菌结合疫苗引入之前,美国每年约发生63 000例由疫苗血清型(7价肺炎球菌结合疫苗涵盖的血清型)和非疫苗血清型(7价肺炎球菌结合疫苗不涵盖的血清型)肺炎球菌引起的侵入性肺炎球菌病[15]。预防肺炎球菌的结合疫苗的应用极大地改变了肺炎球菌病这一重要疾病的流行病学状况:在5岁以下儿童这一主要目标人群中,肺炎球菌多糖结合疫苗预防侵袭性肺炎球菌病的有效率高达90%以上,与B型流感嗜血杆菌疫苗的效果相似;在美国,不仅儿童肺炎球菌病的发病率下降,而且细菌定植也显著减少,成人也出现了群体免疫[15]。发病率的降低也就意味着抗菌药的使用减少,这有益于解决AMR问题。

研究表明[9],在2000年～2004年期间,青霉素非易感侵袭性肺炎球菌病的发病率降低了57%,多重耐药菌株的发病率降低了84%,表明接种细菌疫苗是有效的,这无论细菌是否耐药;然而,普遍使用7价肺炎球菌结合疫苗导致19A血清型流行率增加,19A血清型是非疫苗血清型,青霉素耐药率高;改用多价结合疫苗(如13价肺炎球菌结合疫苗)进一步增加了疫苗接种的直接和间接效果。最新一项研究也证明了这一点,由于血清型覆盖率高,13价肺炎球菌结合疫苗可以大大降低侵袭性肺炎球菌疾病的发生率[16]。最近一项研究表明,在中国,肺炎球菌疫苗接种在减少AMR方面具有良好的效果,包括减少治疗失败和节省大量成本,这显示了13价肺炎球菌结合疫苗接种的价值[6]。这表明针对耐药性决定因素或耐药株设计疫苗是非常有价值的。

1.3 针对耐药菌的疫苗 尽管针对耐药菌疫苗的研究已有不少,如针对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、梭状芽孢杆菌等的研究,但迄今为止,还没有成功的III期临床试验的研究发表[17]。研制针对这些耐药菌疫苗失败的原因可能包括:疫苗需要针对多种毒力机制,以及缺乏能代表人类疾病的动物模型。更好地了解宿主-病原体的相互作用,如免疫逃避,并增加对主要抗原的流行病学和变异性的认识,将有助于开发有效的耐药细菌疫苗[9]。如前所述,人们越来越认识到疫苗可以有效地降低AMR,但多数研究并未将疫苗对AMR相关的价值纳入其中,从而导致其价值被低估和投资不足[6]。因此,开发新型细菌疫苗可能需要政府和社会新的激励措施,从而改善针对耐药细菌感染的医疗治疗效果,并最终挽救数百万人的生命[1,3]。

2 抗 体

2.1 抗体在应对AMR问题中的优势 19世纪 90年代,人们发现特异性抗体能够抵抗细菌毒素,进而发展出一种针对各种传染病的抗体疗法。初始使用的抗体制剂来自免疫人供体或免疫动物的血清,这种被称为血清疗法的方法都是有效的,但由于给患者输入大量外源性蛋白,很容易产生副作用,比如过敏反应和血清病(一种抗原-抗体复合物病)。随着首批抗菌药的出现,以血清为基础的抗菌治疗方法在很大程度上被抛弃[18]。几十年来,随着抗菌药的广泛应用,AMR问题日益严重,导致一线抗菌药疗法无法治愈的细菌感染肆意流行。这种危机尤其集中在多药耐药的“ESKAPE”细菌,包括屎肠球菌属、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌属、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌属[19]。

事实上,几乎所有目前用于临床的抗菌药或其衍生物都是在1940年～1960年间发现的[20],在过去的几十年很少有新类型的抗菌药获得批准进入临床。显然亟待其他替代方案来解决日益严重的AMR问题。疫苗接种是其中一种有效的方法,其在预防细菌感染、减少抗菌药的使用和降低细菌耐药性方面有着良好的作用,但是也存在不足。例如,疫苗发挥作用需要的时间长(一周或者更长),在已经发生细菌感染时,没有治疗作用。被动免疫可以简单地描述为将已经形成的抗体向细菌感染个体的转移[19,21]。与主动免疫相反,使用抗体(被动免疫)提供了对传染源的直接保护。使用抗体具有应对多药耐药细菌所需的许多特征,包括特异性活性、靶向耐药细菌的能力,以及导致新的AMR的可能性低。抗体具有很高的特异性,并以较高的亲和力结合其靶结构抗原。虽然每种B细胞产生相同的抗体,但每一个体至少可以产生总数为107种特异抗体,使得免疫系统能够响应广泛的抗原。尽管抗体寿命短,但仍可以持续数周至数个月。获得抗体的传统方法如前所述,而先进的生物学技术不需要接种给动物,通过体外细胞培养的方式大量生产特定的抗体,特别是人源化的单克隆抗体(特异性很高,又不容易刺激接受个体产生抗体而降低疗效)[10,18]。目前在临床上使用的抗细菌抗体有三种,都是针对革兰氏阳性细菌毒素[19,22]。

2.2 批准用于人类的抗感染抗体 两种抗体,雷昔库单抗(raxibacumab)和奥比托西单抗(obiltoxaximab)分别于2009年、2016年被批准用于针对炭疽毒素治疗炭疽杆菌感染。炭疽杆菌可以通过呼吸道、消化道和皮肤引起感染,其中通过呼吸道吸入感染有较高的死亡率,有人曾经用它进行生物恐怖袭击。炭疽杆菌是通过其毒素起作用,毒素有三个组成部分,即保护性抗原(protective antigen,PA)、致死因子和水肿因子,这三个部分单独都没有毒性,一旦PA与致死因子结合就形成致死毒素,或者PA与水肿因子结合就形成水肿毒素,就具有毒性作用。PA可协助致死因子和水肿因子结合到细胞表面的受体,然后进入细胞内发挥毒性作用。雷昔库单抗和奥比托西单抗都可以特异性地识别和结合PA,从而阻止毒素与受体结合,使炭疽毒素无法到达细胞内靶标发挥作用[23-24]。此外,根据Fang等的研究表明,通过氢-氘交换质谱法确定了单克隆抗体与炭疽PA的结合的具体区域,这有助于促进针对炭疽杆菌感染新型疗法的研发[23]。

贝唑妥珠单抗(bezlotoxumab)是一种针对艰难梭菌毒素B的全人源化单克隆抗体,于2016年被批准用于预防高危患者的复发性艰难梭菌感染。艰难梭菌是一种形成孢子的细菌,当正常的肠道微生物菌群被破坏时,它会定植并引起严重感染,通常在长期使用抗菌药后发生[22,25]。艰难梭菌通过产生外毒素──毒素A和毒素B发挥毒性作用。艰难梭菌的致病能力完全依赖于其表达的外毒素,尤其是毒素B,该毒素可结合肠道上皮细胞上的受体,通过内吞作用进入并破坏细胞间紧密连接,导致肠道通透性增加和诱发炎症反应。贝唑妥珠单抗通过与艰难梭菌毒素B的N末端结构域中的两个同源位点结合,阻断毒素与受体结合位点,起到消除毒素的作用[22]。

在这些成功例子的激励下,研究者针对其它细菌的抗体也做了许多努力, 如针对金黄色葡萄球菌抗体的研究。金黄色葡萄球菌是医院感染常见的病原菌之一,可引起多种类型的感染,且目前没有相关疫苗。金黄色葡萄球菌能够在植入的装置(例如人工/机械心脏瓣膜、导管、假体关节)和宿主组织(例如慢性伤口、心内膜、骨髓)上形成生物膜[26],从而导致植入物相关感染和皮肤感染等。生物膜是嵌入细胞外聚合物基质中的微生物集合。生物膜感染很难治疗,因为生物膜可以保护细菌免受抗菌药的作用和宿主免疫系统的攻击。此外,它们通常发生在抗菌药物不容易到达的身体部位(例如心脏瓣膜、骨骼等)[10,27-28]。基于抗体的药物有助于破坏金黄色葡萄球菌生物膜的形成,可用于相关感染的治疗。其中有些抗体的研究已经获得了阶段性成果,如Altastaph(靶标是细菌荚膜多糖)和Veronate(靶标是表面黏附素)[10,19,22]。此外,治疗铜绿假单胞菌的帕巴库单抗(panobacumab,靶标是O-抗原),已经完成I期临床试验,进入了Ⅱ期或者Ⅲ期临床试验,还有更多的药物在进行Ⅰ期临床试验和临床前研究[19,22]。

中和抗体是抵抗细菌感染的有效防线,特别是针对已证实的毒性因子(如表面暴露的细菌黏附素)的免疫反应可以早期阻断感染。但基于抗体的疗法在开发使用方面存在一些缺点,主要是前期成本高和所需的研究时间长,再加上规模化生产的难度[19]。尽管如此,不断增长的临床需求,以及抗体研究领域的技术进步,会有越来越多的抗体被批准用于治疗细菌感染。

3 总结与展望

AMR的情况在恶化,已经形成令人担忧的全球性危机。毫无疑问,针对细菌的疫苗和抗体在对抗AMR方面发挥着重要的作用。开发出针对具有多重耐药性和高严重感染发生率的关键病原体的疫苗或者抗体是解决AMR问题的有效方法,尽管并非所有疫苗或者抗体都能根除目标细菌,但降低感染发生率可以减少抗菌药的使用,从而减少AMR的发生。当前,疫苗和抗体受到关注,越来越多的研究者和企业希望利用这两件武器来对抗细菌感染和细菌耐药问题。