來自耐藥菌的威脅

倪顯麗

如此“雞賊”，利用休眠騙人體

因為近來有跡象顯示，令人擔憂的臨床感染案例中，一部分歸咎于非耐藥性的持留菌，它們的活力機制和耐藥菌是完全不同的：耐藥菌側重于在有抗生素的情況下繼續繁殖，但持留菌優先確保自身存活而非繁殖，在抗生素消失后才恢復長勢。無論是哪種情況，感染都將加劇。

“持留菌”一詞實際上是由愛爾蘭細菌學家約瑟夫·比格發明的。1944年，約瑟夫·比格未能用青霉素殺滅全部的金黃色葡萄球菌，這位愛爾蘭細菌學家就此提出假設：細菌通過暫時停止分裂，從而逃脫了抗生素的攻擊。在此之前的1942年，美國微生物學家格拉蒂斯·霍比和她的團隊已證實，即使經過青霉素的強力治療，鏈球菌感染仍會復發。約瑟夫·比格在擔任軍醫期間也注意到，連續3天用大劑量青霉素治療傷口僅實現了部分滅菌，且感染會再次發生。因此，他估計有百萬分之一的葡萄球菌存活了下來，并提出假設：存活的細菌暫時停止了分裂增殖，這使它們能夠逃脫抗生素的攻擊。

這符合大多數抗生素在菌群中通過阻斷或干擾細菌正常生長時的關鍵過程而起作用。如果某些細菌進入休眠狀態，抗生素將失去目標，也就無法殺死它們。

生物膜中的持留菌

生物膜是包圍在微生物群落周遭的薄膜，往往會附著在植入性醫療設備（關節假體血管導管等）的表面，形成對持留菌有利的環境。由于生物膜的深層環境條件不佳，在應激反應誘導下，持留菌會大量出現。營養不足和缺氧會促使細菌休眠。在停止抗生素治療時，即使之前的操作規范且給藥劑量很大，也難免存在眾多持留菌復蘇后導致生物膜重構并使感染復發的風險。

越來越多的研究成果使科學家認識到，持留菌可能會對某些感染的治療產生影響。進一步了解持留性，有助于確定某些患者的治療方法，尤其在抗生素無法根除所有細菌的情況下。令人意外的是，直到2004年，該領域所需的先進技術（微流控芯片、視頻顯微鏡、流式細胞儀）才全部到位，研究人員由此得以對培植于極少量培養基中的細菌進行個體層面的長期檢測、可視化和分離。美國的洛克菲勒大學團隊首次揭示了持留菌的存在：在相同的遺傳條件和環境條件下培養的菌落中，一些細菌可以在無抗生素的培養基里暫時停止生長。由此形成了兩個共存的細菌亞群，大多數細菌繼續以正常速率分裂，而極少數則進入休眠狀態，后者便是持留菌。在群落相同的細菌內部產生了完全隨機的現象，有些類似物理學上所謂的對稱性破缺，這導致小部分細菌與種群里其他細菌的行為完全不同。

藏身于巨噬細胞

在繁殖期菌落中出現休眠細菌，這像是細菌的一種預備策略：始終儲存其中的一小部分細菌（盡管基因相似），以防生存條件惡化，尤其是在營養匱乏或暴露于抗生素的情況下，不至于全“菌”覆沒。最初由物理學家研究的該現象很快引起生物學家的興趣，因為它事關暴露于抗生素的細菌存亡。如今，科學家意識到，在實驗室中觀察到的相關現象與臨床上慢性或頑固性感染患者的情況非常相似。

在這些開拓性研究成果的基礎上，多個研究小組隨后在動物感染模型中明確觀察到持留菌的存在，它們分布于骨髓（樹突狀細胞）、腸道淋巴結，甚至是嚙齒動物的脾臟里。最后一種情況的持留菌藏身于巨噬細胞，而巨噬細胞是免疫系統的第一道防線。近來的一些研究也凸顯了持留菌的臨床重要性。研究人員已從復發性尿路感染患者體內的大腸桿菌中鑒定出與持留性有關的基因突變。同樣地，在囊性纖維化患者中也觀察到綠膿桿菌的持留菌比例提升，長期使用多種抗生素治療可能是出現慢性感染的原因。此外，持留菌也被視作鏈球菌性扁桃體炎復發的主要原因。這些結果表明，在某些情況下，即便使用抗生素治療，細菌也不會被全數清除。

科學家一年前就了解到沙門氏菌在小鼠的巨噬細胞中持留的一種策略，而通常認為細菌一旦進入巨噬細胞便會被殺死。進入這種會引發細菌應激的細胞內環境后，休眠細菌保留了一定的活性：它在巨噬細胞里釋放30余種分子以操縱巨噬細胞，使后者的細胞內環境不再劍拔弩張。難以置信，持留菌休眠時仍保持著警覺！它們看似不活躍，卻成功從內部瓦解巨噬細胞的武裝，確保了自己長期存活，畢竟在活體中光靠徹底休眠還不夠。至于對免疫系統內部的這種破壞是否會導致感染復發，甚至促進新病原體的感染，還有待觀察。

從持留到耐藥

另一個威脅： 細菌以持留性為跳板變成耐藥菌。這些細菌可以在巨噬細胞中滯留很長時間，兇險的環境有利于細菌DNA中許多突變的出現。現在還不能排除持留菌基因組中這些變化自發產生并最終導致耐藥突變體出現的可能性。研究小組2020年9月發表的一項研究證實了這一情況：持留菌具有傳播和獲得抗生素耐藥性的能力。在被沙門氏菌感染并用抗生素治療的嚙齒動物中，科學家觀察到了遷移至腸道的持留菌，而這些細菌最初存在于其他器官（脾臟、肝臟）。這些持留性沙門氏菌可以接收其他腸道菌種的耐藥基因。研究人員還觀察到相反的情況：如果持留性沙門氏菌攜帶耐藥基因，可以將之轉移給其他菌種。研究人員由此開始意識到與持留菌作戰的重要性。如今，全球有50余支團隊正在進行該課題的研究。

問題的關鍵是要了解這一獨特的遺傳和生化機制：細菌是如何休眠的？ 目前已在大腸桿菌、沙門氏菌和克雷伯菌中發現了一個起關鍵作用的分子機制。它依托于多套毒素——抗毒素系統，其中一個基因負責產生穩定的毒素，該毒素會干擾細菌的生長。而另一個基因則負責產生不穩定的抗毒素，來中和毒素的作用。當抗毒素降解時，處于上風的毒素將阻止細菌的繁殖，令它們進入休眠狀態，繼而成為持留菌。2016年，研究小組證實，持留性沙門氏菌會產生一種毒素，這種毒素能卡住細菌自身的蛋白質制造鏈，從而使細菌的生長陷于停滯狀態;當一種可以糾正該毒素的酶產生后，細菌便能恢復蛋白質的合成并繼續生長。

2020年9月，比利時魯汶大學微生物與植物遺傳學中心的揚·米歇爾斯團隊描述了大腸桿菌如何進入休眠期。它由細菌產生的一種毒素來調控，該毒素會在大腸桿菌的細胞膜上形成微小的孔隙：這些小孔會釋出ATP分子（Adenosinetriphosphate，別稱三磷酸腺苷，是體內能量的主要來源，當體內吸收、分泌、肌肉收縮及進行生化合成反應等需要能量時，三磷酸腺苷即分解成二磷酸腺苷及磷酸基，同時釋放出能量），而細菌的生長離不開后者提供的能量。專門瓦解這些孔隙的酶可以喚醒細菌，此時細菌便能重新蓄滿ATP并恢復生長。

對抗持留菌的3種思路

盡管目前的研究仍不能解釋為什么某些細菌會休眠而其他細菌不會，但它們能打開抗擊休眠細菌的新局面。處于研究中對抗持留菌對策略有3種：根除它們、阻礙它們的形成，或者使它們重新對抗生素敏感。

將它們扼殺在休眠期，這意味著要找到能使抗生素進行攻擊的替代標靶，通常抗生素僅對處于快速生長階段的細菌有效， 令它們無法休眠，靶向攻擊可讓細菌進入休眠狀態的分子機制。然而，這些機制不僅為數眾多且有一定冗余：要想設計出針對所有分子機制的單一藥物并不容易。喚醒它們，待其恢復生長，就能令抗生素殺死它們。

第一種對策需要為抗生素找到替代靶標。通過與一種抗生素相結合，一種以酶為靶標的分子已被證實能夠根除小鼠體內的耐藥性金黃色葡萄球菌的感染。同樣，以細菌外膜為攻擊靶標的合成小分子（類視黃醇）也在小鼠嚴重感染模型中顯示出其有效性。

第二種方案阻礙持留菌的形成或生存，似乎還不太現實，因為這需要同時瞄準誘導出細菌持留性的多種分子機制。

第三種方案是使持留菌對抗生素重新敏感——有點類似令它們蘇醒的機制，通過激活其新陳代謝，使抗生素可以重新對它們起作用。已知大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的持留菌可因此再度對抗生素敏感。這些在體外實驗或動物模型中獲得的鼓舞人心的結果還須在人體內進行驗證。目前， 評估幾種抗持留菌分子安全性和抗菌活性的Ⅰ期和Ⅱ期臨床試驗已經展開，而且為此創立的生物技術公司也有好幾家。僅僅數年時間——雖然距它們被發現已過了75年——持留菌便重回歷史舞臺。可以肯定的是，無論學界最終用什么術語對其命名，它們很快就會為世人所知。

對付耐藥細菌的方法很簡單，就是找到新的“魔彈”。然而，許多抗生素來自微生物本身，生存壓力會迫使微生物物種不斷發展出擊敗競爭對手的武器。這些微生物制造抗生素的方式往往不是很靈活：它們非常擅長制造特異性的結構，但如果這一結構不再與目標相吻合，它們就很難調整過來。我們還在大自然中發現了許多顯而易見的抗生素，但隨著時間推移，這樣的抗生素已經越來越難以找到。我們唯一不能做的一件事就是放棄，因為細菌永遠不會放棄。

抗生素耐藥性是一場人類一開始就處于下風的軍備競賽。在對抗耐藥性細菌的戰斗中，美國政府出臺了一個新激勵措施：設置2000萬美元獎金，用于獎勵能識別高耐藥性感染的快速診斷試驗。該獎金只是白宮宣布的大量行動中的一個，這些行動標志著其對耐抗生素細菌威脅的更大關注。除了相關獎金，美國政府還每年提供1.5億美元用于可能帶來新抗生素或對抗感染的“非常規”療法的基礎研究。