家畜中抗菌素耐藥性：抗生素的進展與替代

張江

摘 要：正如美國醫藥協會所報告的那樣，抗生素耐藥性被視為人類健康最大的威脅之一。生物技術的進步已經證明抗生素的功效能夠通過使用抗菌肽綴合物得到恢復。最近，研究人員已經開發了多個治療和控制由微生物引發的疾病的高度有效的和可供選擇的方法。在疾病控制上的科學突破將能夠安全地解決抗生素耐藥性問題。世界需要更多的研究、開發和評估。

關鍵詞：抗體；耐藥性；噬菌體；乳酸；疫苗

中圖分類號：S831.5 文獻標志碼：C 文章編號：1001-0769（2018）06-0077-03

抗生素耐藥性被視為人類健康最大的威脅之一。美國每年有200多萬人感染抗生素耐藥菌，直接導致23 000人死亡。奧尼爾委員會（ONeil commission）對消除抗生素耐藥性全球威脅的手段進行了評估，預測到2050年，全球將有1 000萬人死于抗生素耐藥性。除了對現有藥物的抗性增加之外，新型抗生素的開發也較為缺乏。該委員會提出了減少抗生素使用的如下建議。

⑴開展大規模的全球公共衛生活動，提高民眾對抗生素耐藥性的認識。

⑵改善衛生，預防傳染性疾病的擴散。

⑶減少在農業生產中不必要的抗菌劑使用及抗生素環境中的散播。

⑷改善對人類和動物耐藥性及抗菌素使用的全球監測。

⑸推動新的快速診斷方法應用，減少不必要的抗生素使用。

⑹推動疫苗和替代品的開發和使用。

歐洲藥品管理局和歐洲食品安全管理局的一個委員會提出了在歐盟畜牧業生產中減少抗生素使用進而降低對食品安全影響的實施措施。建議的措施包括：

⑴制定監測抗菌藥物使用和抗生素耐藥性發展的國家戰略。

⑵制定減少抗生素使用的國家目標。

⑶執行牧場衛生計劃。

⑷提高獸醫對處方抗菌劑的責任。

⑸提高快速可靠診斷方法的可用性。

⑹改善用于疾病預防控制的飼養管理措施。

⑺對畜牧生產系統進行反思，減少內在的疾病風險。可能用于替代抗生素的產品包括益生菌和益生元、競爭性排斥菌、噬菌體、免疫調節劑、有機酸和乳頭密封膠（teat sealant）等。

1 大健康委員會

大健康（One Health）是指“多學科間協同努力——在本地、國內和全球范圍內開展工作——獲得人、動物和環境的最佳健康。”抗生素耐藥性是體現大健康理念的最重要問題之一。不僅要基于大健康的原則，還要立足于經濟基礎、社會平等以及在全球范圍內為人類和動物提供有效醫療保健的原則，尋求降低選擇壓力以及在全球范圍內打破耐藥性傳播周期的綜合手段。國際協議有助于確保通過全球協調完成這些目標。

本綜述的目的是對最近動物飼料行業使用抗生素的進展情況和抗生素替代品作一個概述。

2 使用CRISPR/Cas基因編輯系統逆轉抗生素耐藥性并用作抗菌劑

目前使用的抗生素往往是廣譜的，不加分辨地殺死有益共生菌，增加耐藥性。成簇的規律間隔的短回文重復序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）/Cas系統已經成功地用于編輯細菌中靶向毒力因子和抗生素抗性基因，因此可用于可編程序列特異性抗菌素的開發。CRISPR系統是低等生物免疫系統的重要組成部分。它們能夠切斷導致病毒攻擊的任何病毒DNA序列。CRISPR技術被認為是生物技術的一項世紀發現，開創了一個全新的基因編輯領域，可用于包括工程性抗菌劑開發在內的治療目的。該技術可用于設計能選擇活性范圍的抗菌劑，并在體外和體內通過噬菌體衣殼傳遞有效殺死目標菌群（圖1）。此外該技術還可使耐藥菌重新變得對抗生素敏感。與其他方法相比，基于CRISPR技術的抗菌素的獨特優勢在于它們能夠基于基因序列殺死細菌，它們可解決兩個問題：（1）防止不加分辨地清除腸道有益菌；（2）促進非靶向菌群繁殖并擁有小生態，降低抗性的選擇壓力。基于CRISPR的技術將開辟控制菌群組成的新途徑，而不是使用傳統的廣譜抗生素。由于CRISPR/Cas技術的模塊化和簡單性，可以同時針對抗生素抗性和毒力決定簇快速構建多重RNA引導核酸酶文庫，調節復雜的菌群組成。該技術將為新型抗菌劑的開發開啟途徑。

3 增強抗菌效力的抗生素綴合物

抗生素綴合物正日益成為治療或預防部分細菌性疾病的一種靶向治療方法。天然形式的抗生素在生物利用率、毒性、生物分布以及功效方面受到限制。與使用抗生素治療有關的問題通常與無法靶向特定部位有關。由于存在這些限制，加上游離抗生素具有快速和短效的特點，一般需要每日多次高劑量的抗生素來維持特定部位的治療濃度。這反過來會損傷共生菌群。使用綴合物可避免抗生素耐藥性產生，并有可能使對耐藥菌失去效力的抗生素重新恢復功效。抗生素綴合物為將抗生素運輸至身體中任何特定組織提供了新的手段。

4 以噬菌體作為抗菌劑

噬菌體是可以影響和殺死細菌的病毒。噬菌體可高特異性地感染細菌細胞，如果是裂解噬菌體，可破壞并裂解宿主細胞，導致細胞死亡（圖2）。穿透細胞壁的尾部將噬菌體DNA注入宿主細胞質中。一旦進入細胞，噬菌體會合成由噬菌體基因組編碼的特定酶，將宿主細胞的DNA和蛋白質合成轉換為產生新的噬菌體顆粒。在噬菌體復制循環結束的特定時間，噬菌體編碼的穿孔素在細胞膜上形成孔隙，導致細胞快速破壞。裂解噬菌體具有成倍增殖的能力，并且可以迅速清除細菌，且與其耐藥性無關。

對革蘭氏陽性菌和陰性菌引起的動物急性感染，烈性噬菌體是非常有吸引力的候選治療劑。口服噬菌體通常會降低腸道病原體的濃度或使致病菌死亡。動物中使用噬菌體的問題主要是噬菌體宿主范圍較窄，導致其廣譜保護方面受到限制，服用噬菌體可能誘導動物體產生免疫反應，造成細菌對噬菌體產生抗性，另外噬菌體在胃部低pH（約pH 2）條件下不穩定，但是在大腸pH條件下（約pH 6.8）非常穩定。有研究表明，包被在脂質體中的噬菌體可在雞盲腸中保留更長時間（數日以上）。研究人員最近開發了基于基因工程噬菌體釋放系統，作為抗金黃色葡萄球菌的抗菌劑。它們能夠克服目前的噬菌體給藥系統的缺陷，如低效釋放、宿主范圍狹窄以及毒力基因的潛在轉移等。該系統可以適用于其他重要的病原體。最近的研發將不斷解決對噬菌體療法的擔心，并最終釋放出作為抗菌劑的巨大潛力。我們還需要進行更多研究來證明工程噬菌體的健康/安全問題，包括其傳播耐藥性能力。

5 設計用于控制體內微生物疾病的抗菌肽

抗菌肽是一類有應用前景的新一代抗生素，具有戰勝細菌耐藥性的巨大潛力。抗菌肽是陽離子（帶正電荷）兩性小肽（29～42個氨基酸），對革蘭氏陽性菌和陰性菌、真菌和病毒具有直接或間接的抗微生物活性。與常規抗生素相比，抗菌肽能夠誘導快速殺滅，且與常規抗生素相比產生抗藥性的傾向較低。但是，盡管過去30年取得了重大進展，抗菌肽仍未進入臨床使用。很遺憾的是，抗菌肽必須在克服一些缺點（包括穩定性差、易于蛋白水解、生理條件下活性低以及生產成本高）后才能進入市場。有研究人員合成了一類新的抗菌劑，稱為“納米結構工程抗菌肽聚合物”。它們對所有測試的革蘭氏陰性菌能夠表現出亞微摩爾活性，且被證明毒性低。總體而言，納米結構工程抗菌肽聚合物作為低成本高效抗菌劑具有很大的希望。它們可能在對抗革蘭氏陰性細菌日益增長的威脅上非常有效。需要進一步的研究來確認工程抗菌肽的安全性和有效性。

6 使用化學合成的病毒樣納米粒子（納米抗生素）殺死致病菌

抗菌肽（宿主防御肽）及其合成模擬物已經成為殺死致病細菌的比較有前景的候選物。陽離子電荷及兩親性是抗生素的兩個關鍵性狀，幫助眾多抗菌肽通過協同疏水和電荷相互作用破壞細菌膜。抗菌肽的成本、毒性和受限的組織分布阻礙了抗菌肽的直接應用。由于抗菌肽的活性取決于其整體理化性質而不是其特定的組成，因此人們對開發合成肽感興趣。合成抗菌肽的疏水性對于抗菌活性可能是至關重要的，但是也可能對哺乳動物細胞造成毒性。

一般認為，開發膜活性抗菌劑是尋求陽離子- 疏水性微妙的平衡。研究人員通過設計模擬噬菌體尾部球形和桿狀聚合物分子刷這兩個基本結構研究了納米結構抗生素的作用。合成的尾刷參與顆粒與細菌細胞的結合。他們的研究證明，盡管單個聚合物分子刷具有親水性和弱抗菌性，但一旦納米結構發揮作用，兩親性就不再是必需的抗生素性狀。納米結構的聚合物分子刷在細菌中可誘導形成孔（致死性），但不會誘導哺乳動物膜形成孔。納米結構的大小和形狀可進一步幫助確定聚合物分子對不同細菌的抗菌活性和選擇性。該研究強調了納米結構在高活性、對真核生物的低毒性和靶特異性的膜活性設計中的重要性。此項研究可用于開發一種全新的化學合成抗菌劑，這種抗菌劑不會產生抗性，并可針對不同類型的細菌。新型抗生素可以飼料添加劑的方式廣泛用作促生長劑。休斯敦大學的研究人員認為，這種令人興奮的新型抗菌劑可能成為一種關鍵工具，用以抗擊其他方式難以殺滅的耐藥菌。研究者謹慎樂觀地表示，通過生物工程技術可以合理設計具有最佳活性、選擇性、生物相容性和生物分布的納米抗生素。