陸旻雅,劉亞麗,張麗,徐英春
中國醫學科學院北京協和醫院檢驗科,侵襲性真菌病機制研究與精準診斷北京市重點實驗室,北京 100730
隨著抗菌藥物的廣泛應用,細菌耐藥性問題逐漸成為臨床治療和防控感染性疾病的重大挑戰,越來越多的超級細菌嚴重威脅著人類健康。2019年,美國疾病控制和預防中心(Centers for Disease Control and Prevention,CDC)耐藥報告中將碳青霉烯類耐藥不動桿菌屬、碳青霉烯類耐藥腸桿菌目細菌、耐藥淋病奈瑟菌、艱難梭菌等耐藥菌列入“緊急威脅(urgent threats)”[1]。本文結合美國臨床實驗室標準化協會(Clinical and Laboratory Standards Institute,CLSI)、歐洲藥敏試驗委員會(European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing,EUCAST)及我國的藥敏試驗相關標準,對目前臨床主要細菌耐藥表型的分子機制、檢測方法及結果解讀進行介紹[2~4]。
超過90%的葡萄球菌屬菌株均產生青霉素酶,多由blaZ基因編碼,可水解青霉素類成份,表現為對不耐酶青霉素類抗菌藥物耐藥,但對耐酶青霉素類(如苯唑西林)、頭孢菌素類藥物敏感[5]。
當青霉素最低抑菌濃度(minimum inhibitory concentration,MIC)≤0.12μg/ml或紙片擴散法的抑菌圈直徑>29mm時,應進一步采用青霉素抑菌圈邊緣試驗(僅用于金黃色葡萄球菌)、經誘導的頭孢硝噻吩試驗(金黃色葡萄球菌和包括路鄧葡萄球菌在內的凝固酶陰性葡萄球菌)檢測葡萄球菌β~內酰胺酶。β~內酰胺酶檢測陰性提示菌株對青霉素類及其他β~內酰胺類抗菌藥物敏感,β~內酰胺酶檢測陽性則提示菌株對不耐酶青霉素類抗菌藥物耐藥。
代表性菌株為耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin~resistantStaphylococcus aureus,MRSA),但凝固酶陰性葡萄球菌亦可出現甲氧西林耐藥(methicillin~resistant coagulase negativeStaphylococci,MRCNS)。
甲氧西林耐藥與細菌攜帶的mecA基因相關。mecA基因可編碼青霉素結合蛋白2a(penicillin~binding protein 2a,PBP2a),該蛋白與β~內酰胺類藥物的親和力很低,可導致菌株產生對于β~內酰胺類藥物的耐藥性;攜帶mecA基因的菌株對青霉素類、頭孢菌素類等β~內酰胺類藥物均耐藥,但對新型頭孢菌素類藥物可能敏感,如頭孢洛林[6~8]。
部分mecA基因陽性MRSA菌株的體外藥物敏感性試驗表現為苯唑西林敏感(MIC≤2μg/ml),稱為苯唑西林敏感MRSA菌株(oxacillin~susceptible methicillin~resistantStaphylococcus aureus,OS~MRSA)。有研究顯示,我國OS~MRSA菌株在MRSA菌株中檢出率為1.6%~1.8%,多位點序列分型(multilocus sequence typing,MLST)主要分型為ST59型[9];苯唑西林MIC為1~2μg/ml(敏感)時,OS~MRSA檢出率高達33.3%,因此苯唑西林MIC為1~2μg/ml時易出現MRSA漏檢的情況,而頭孢西丁紙片法檢測mecA基因陽性菌株的敏感性和特異性均較好[9]。
部分MRSA菌株mecA基因陰性,但攜帶另一種mec基因,即mecC基因。該基因可編碼PBP2c蛋白,同樣因與β~內酰胺類藥物的低親和力而導致菌株耐藥[7,10]。mecC基因陽性 MRSA菌株在藥敏表型上常表現為頭孢西丁耐藥、苯唑西林敏感[11]。
甲氧西林耐藥葡萄球菌的檢測方法包括:①5種表型檢測方法,即頭孢西丁MIC法、頭孢西丁紙片擴散法、苯唑西林MIC法、苯唑西林紙片擴散法及苯唑西林鹽瓊脂法。②可通過PCR技術檢測mecA基因和mecC基因的攜帶情況。③乳膠凝集法檢測PBP2a蛋白的敏感性及特異性均較高,但該法目前暫無法檢測 PBP2c 蛋白[2~4]。
在藥敏檢測結果準確的前提下,對于頭孢西丁篩選試驗陽性或苯唑西林MIC檢測為耐藥的金黃色葡萄球菌,建議均報告為MRSA菌株;對于頭孢西丁篩選試驗陰性、苯唑西林MIC檢測為敏感但范圍在1~2μg/ml的金黃色葡萄球菌,建議補充頭孢西丁紙片擴散法、檢測mecA基因或PBP2a等檢測,若結果為陽性則提示該菌株為MRSA菌株;對于凝固酶陰性葡萄球菌(除表皮葡萄球菌、施氏葡萄球菌、偽中間型葡萄球菌外),苯唑西林MIC在1~2μg/ml時為苯唑西林耐藥(MIC≥1μg/ml為耐藥[3]),此時需補充mecA基因或PBP2a檢測,若結果為陽性方可報告為MRSA菌株。
MLSB指大環內酯類~林可酰胺類~鏈陽菌素類抗菌藥物,3種抗菌藥物結構不同但具有相同或重疊的靶位作用點,細菌可同時對這3類抗菌藥物交叉耐藥,稱為MLSB耐藥。
最常見的MLSB耐藥機制是erm基因編碼核糖體甲基化酶引起23S rRNA甲基化,導致MLSB與細菌核糖體靶位結合能力下降而產生耐藥[12~13]。erm基因主要包括ermA、ermB、ermC,肺炎鏈球菌的MLSB耐藥主要由ermB基因介導,而金黃色葡萄球菌的MLSB耐藥則以ermA、ermC為主[14~16]。若erm基因穩定表達,則菌株表現為MLSB耐藥。但某些情況下,erm基因需要誘導劑(紅霉素等)誘導表達才能使菌株對克林霉素耐藥,這類菌株在體外表現為紅霉素耐藥、克林霉素敏感,稱為MLSB誘導表型。與甲氧西林敏感金黃色葡萄 球 菌(methicillin~sensitiveStaphylococcus aureu,MSSA)相比,MLSB誘導表型菌株在MRSA中占比更高[17],若臨床應用克林霉素可導致治療失敗[18]。因此,當葡萄球菌屬、肺炎鏈球菌、β~溶血性鏈球菌的菌株表現為紅霉素耐藥、克林霉素敏感或中介時,需補充紅霉素誘導克林霉素耐藥試驗(D~試驗)檢測MLSB誘導表型,D~試驗結果陽性應報告克林霉素耐藥。
PRSP的耐藥機制主要為青霉素結合蛋白(PBPs)結構改變導致的其與青霉素親和力降低。肺炎鏈球菌有6種PBPs,包括PBP1a、PBP1b、PBP2x、PBP2a、PBP2b及PBP3,其中以PBP2x、PBP2b蛋白的編碼基因突變為最常見耐藥類型,可導致苯唑西林耐藥,而PBP2x或PBP2b聯合PBP1a突變后可引起對頭孢噻肟、頭孢曲松的高水平耐藥[19]。
對于非腦膜炎分離株,若苯唑西林抑菌圈直徑≥20mm或青霉素MIC≤0.06mg/ml,提示該菌株對氨芐西林(口服或腸外制劑)、氨芐西林~舒巴坦、阿莫西林、阿莫西林~克拉維酸、頭孢克洛、頭孢地尼、頭孢妥侖、頭孢吡肟、頭孢噻肟、頭孢泊肟、頭孢丙烯、頭孢洛林、頭孢唑肟、頭孢曲松、頭孢呋辛、多利培南、厄他培南、亞胺培南、Loracarbef、美羅培南均敏感;若苯唑西林抑菌圈直徑≤19mm,則該菌株可能為青霉素敏感、中介或耐藥,建議進行青霉素MIC測定,同時測定頭孢噻肟、頭孢曲松、美羅培南的MIC。對于腦膜炎分離株,盡快應用MIC法檢測并報告其對青霉素、頭孢噻肟、頭孢曲松和美羅培南的敏感性。
萬古霉素可與細菌細胞壁肽聚糖前體末端的D~丙氨酰~D~丙氨酸結合,抑制細胞壁肽聚糖的合成。VRE表達9種基因型:VanA、VanB、VanC、VanD、VanE、VanG、VanL、VanM、VanN,其中VanA、VanB、VanD和VanM可合成D~丙氨酰~D~乳酸,取代正常的D~丙氨酰~D~丙氨酸,降低對萬古霉素的親和力,導致菌株對萬古霉素耐藥。VanC、VanE、VanG、VanL和VanN則產生D~丙氨酰~D~絲氨酸而導致耐藥[21]。VRE基因型檢測可采用PCR;表型檢測可采用紙片擴散法,檢測結果為中介的菌株應進行MIC測定。不同基因型VRE的耐藥表型不同。VanC型為天然耐藥,攜帶vanC基因的鶉雞腸球菌和鉛黃腸球菌對萬古霉素呈先天性低水平耐藥;其他表型均為獲得性耐藥,如VanA型對萬古霉素、替考拉寧高水平耐藥,VanB型對萬古霉素可變水平耐藥、對替考拉寧敏感。
腸球菌對氨基糖苷類的耐藥性有2種,即中度耐藥性和高度耐藥性。中度耐藥主要與腸球菌的細胞壁屏障有關,腸球菌的細胞壁較厚,氨基糖苷類藥物不易穿透,但當氨基糖苷類與青霉素、頭孢菌素類等抑制細胞壁合成的抗菌藥物聯用時可發揮協同作用,故此類菌對青霉素或糖肽類與氨基糖苷類聯用敏感[20]。但有約30%的腸球菌為高水平氨基糖苷類耐藥腸球菌(high~level aminoglycoside~resistantEnterococci,HLARE),其耐藥機制主要是通過產氨基糖苷類修飾酶(aminoglycoside modifying enzymes,AME)或通過核糖體靶位修飾介導,對青霉素和糖肽類與氨基糖苷類聯用呈現耐藥,其中AME主要包括乙酰轉移酶(acetyltransferases,AAC)、 磷 酸 轉 移 酶(phosphotransferases,APH)及核苷轉移酶(nucleotidyl transferases,ANT)3 類[20],此類菌對青霉素或糖肽類與氨基糖苷類聯用耐藥。
臨床可選用紙片擴散法、微量肉湯稀釋法或瓊脂稀釋法對高水平慶大霉素及鏈霉素耐藥性進行檢測。高水平慶大霉素及鏈霉素檢測敏感株提示慶大霉素等氨基糖苷類藥物與β~內酰胺類/糖肽類藥物聯用可有效抗菌;耐藥菌株則提示上述藥物聯用耐藥。
ESBLs是由質粒介導合成,能水解青霉素類、頭孢菌素類和氨曲南等β~內酰胺類藥物,對碳青霉烯類和頭霉素類水解能力弱,可被β~內酰胺酶抑制劑(如克拉維酸)抑制的一類β~內酰胺酶[22]。ESBLs主要由腸桿菌目細菌產生,常見于肺炎克雷伯菌、大腸埃希菌、變形桿菌。根據編碼基因同源性,ESBLs可分為TEM型、SHV型、CTX~M型、OXA型和其他型[23]。
2007年以來,我國產ESBLs大腸埃希菌檢出率為50%~60%,其中90%以上菌株的基因型為CTX~M型;2021年我國肺炎克雷伯菌的ESBLs檢出 率 為 41.5%,同 樣 以CTX~M型 為主[24]。CTX~M型可分為34個亞型,不同地區、不同菌種亞型分布不同。我國接近70%的大腸埃希菌及90%的奇異變形桿菌為CTX~M~9組,超過60%肺炎克雷伯菌則以CTX~M~1組為主。基因型的不同導致菌株的耐藥表型有一定差異,表現為CTX~M~1組菌株對頭孢他啶、頭孢吡肟和氨曲南的耐藥率較CTX~M~9組菌株更高[25]。臨床需報告大腸埃希菌、肺炎克雷伯菌、產酸克雷伯菌及奇異變形桿菌是否產ESBLs,其檢測方法有表型篩選試驗(雙紙片協同試驗)、確證試驗(紙片擴散法、微量肉湯稀釋法)。其他腸桿菌目細菌(如陰溝腸桿菌、產氣克雷伯菌)也產ESBLs,但由于可能合并產頭孢菌素酶(AmpC酶)而影響ESBLs檢出,因此目前CLSI推薦的ESBLs表型篩選方法不適用。產ESBLs菌株感染建議選用β~內酰胺類抗菌藥物/β~內酰胺酶抑制劑復方制劑或碳青霉烯類等抗菌藥物治療。
AmpC酶主要存在于革蘭陰性桿菌中,屬Ambler分類法中的C類酶或Bush分類法中的I類酶,通常由染色體介導,可導致細菌對三代頭孢菌素、單環β~內酰胺類及頭霉素類抗菌藥物耐藥,且多數不能被β~內酰胺酶抑制劑所抑制,但對碳青霉烯類及第四代頭孢菌素的水解能力較弱[22]。
染色體介導的AmpC酶根據產酶水平的高低可分為誘導高產酶、持續高產酶和持續低產酶,而根據是否具有誘導性可分為誘導型AmpC 酶和結構型AmpC 酶。除大腸埃希菌、肺炎克雷伯菌及志賀菌屬外,多數革蘭陰性桿菌表現為誘導高產酶,即自然狀態下產酶較少、β~內酰胺類誘導下產酶量明顯增加。該誘導合成依賴ampR基因調節,當其發生突變后,可導致ampC基因的持續高表達[26~27]。與之相對,大腸埃希菌的ampC基因表達不受ampR基因調節,表現為結構型低水平表達AmpC 酶[26]。AmpC 酶也可通過質粒介導,質粒介導的AmpC酶與染色體介導的結構型AmpC 酶類似,不受AmpC 酶調節基因調節,表現為持續高水平表達,主要在大腸桿菌、肺炎克雷伯菌、奇異變形桿菌等中檢出[26,28]。
目前CLSI尚無統一的AmpC酶檢測方法,可采用雙紙片法、三維試驗等方法檢測菌株的耐藥表型。對可能產生誘導型AmpC酶菌株所致感染應嚴格掌握頭孢菌素類抗菌藥物的適應癥,并在治療中監測細菌耐藥性變化。
CRE是指對至少1種碳青霉烯類藥物耐藥(亞胺培南、美羅培南、厄他培南或多利培南)或產碳青霉烯酶的腸桿菌目細菌。碳青霉烯酶可水解碳青霉烯類在內的所有β~內酰胺類抗菌藥物,產碳青霉烯酶是CRE最常見的耐藥機制。碳青霉烯酶包括A類、B類和D類酶:①A類酶為絲氨酸酶,多數由質粒介導,可被阿維巴坦抑制、部分被克拉維酸抑制,產酶菌株通常僅對替加環素、多黏菌素、頭孢他啶/阿維巴坦敏感[22]。A類酶中,產KPC酶為腸桿菌目細菌、尤其是肺炎克雷伯菌對碳青霉烯類耐藥的最主要機制,其中KPC~2型為我國腸桿菌目中的流行類型,在產碳青霉烯酶肺炎克雷伯菌中占比超過70%[24]。② B類酶為金屬酶,多數由染色體介導,可水解青霉素類、頭孢菌素類和碳青霉烯類,但對氨曲南水解活性弱;不能被β~內酰胺酶抑制劑(如阿維巴坦)抑制,可被EDTA抑制;產酶株通常僅對替加環素、多黏菌素敏感,少數對氨曲南敏感[22]。B類酶包括NDM、IMP、VIM、GIM、SPM酶等,其中NDM酶為我國大腸埃希菌、肺炎克雷伯菌(患兒分離株)中的流行類型,以NDM~1型、NDM~5型最為常見[29]。③D類酶為OXA酶,同樣為絲氨酸酶,多由質粒介導,對苯唑西林水解活性強,其活性難以被大部分酶抑制劑抑制,但可被阿維巴坦抑制[22]。我國D類酶在兒童患者分離肺炎克雷伯菌中占比更為突出,常見亞型包括OXA~48型、OXA~23型等。在產碳青霉烯酶肺炎克雷伯菌中,OXA~48樣碳青霉烯酶檢出率為 13.3%[29]。
CRE的表型檢測方法包括Carba NP試驗、改良碳青霉烯失活試驗(mCIM、eCIM)、碳青霉烯酶抑制劑增強試驗等,基因型檢測方法包括酶免疫層析技術、GeneXpert檢測技術、FlimArray技術等[2~4]。
部分腸桿菌目細菌表現為對亞胺培南的天然高水平耐藥,如變形桿菌屬、摩根菌屬、普羅威登斯菌屬,臨床需進一步檢測美羅培南、多利培南和厄他培南的MIC以判斷該菌株是否為CRE菌株。陰溝腸桿菌復合體中可見厄他培南單耐藥菌株,但多數不是由產碳青霉烯酶引起[30]。
產不同碳青霉烯酶菌株所致感染的治療方案不同。產絲氨酸酶(A類、D類酶)菌株通常對替加環素、多黏菌素、頭孢他啶/阿維巴坦敏感;產金屬酶(B類酶)菌株通常僅對替加環素、多黏菌素敏感,少數對氨曲南敏感,而均對頭孢他啶/阿維巴坦耐藥[22,29]。
銅綠假單胞菌的藥物外排系統對其天然耐藥和多重耐藥的發生至關重要。銅綠假單胞菌至少存在10種外排系統,基本上屬于RND家族,主要包括 Mex AB~OprM、Mex CD~OprJ、Mex EF~OprN和Mex XY~OprM[31]。細菌外膜上存在多種孔蛋白,為親水性抗菌藥物通道。銅綠假單胞菌外膜上的特異性通道蛋白有OprC~H。其中OprC、OprD、OprE 的相對分子質量較小,可以讓一部分相對分子質量較小的親水性碳青霉烯類抗菌藥物通過,如OprD2為亞胺培南的特異性通道,其丟失可導致菌株對亞胺培南耐藥、對頭孢他啶仍敏感[31]。編碼孔蛋白的基因發生突變可下調孔蛋白表達,是銅綠假單胞菌對碳青霉烯類、氨基糖苷類、黏菌素和氟喹諾酮類耐藥的機制之一[31]。
銅綠假單胞菌可產生多種β~內酰胺酶,包括ESBLs、AmpC酶、碳青霉烯酶、青霉素酶等,以染色體介導的酶最為多見。銅綠假單胞菌所產的AmpC酶為誘導型酶,頭孢西丁、亞胺培南等β~內酰胺酶類、β~內酰胺酶抑制劑(克拉維酸)均可誘導AmpC酶產生,因此不推薦采用含克拉維酸制劑治療產AmpC 酶銅綠假單胞菌所致感染[32];銅綠假單胞菌所產的碳青霉烯酶以金屬酶IMP、VIM為主,但有研究發現攜帶NDM~1型酶的超級細菌對目前所有β~內酰胺類均耐藥、對多黏菌素耐藥[31,33]。
與銅綠假單胞菌類似,鮑曼不動桿菌可通過改變外膜通透性及外排系統活性介導對氟喹諾酮類、氨基糖苷類、四環素類及多黏菌素類耐藥。OmpA蛋白為鮑曼不動桿菌的主要非特異性通道,其中的碳青霉烯類耐藥相關外膜蛋白(CarO)突變與美羅培南、亞胺培南耐藥相關[34]。
鮑曼不動桿菌可產生多種β~內酰胺酶,包括ESBLs、碳青霉烯酶和AmpC酶等。鮑曼不動桿菌所產ESBLs以TEM型為主,碳青霉烯酶則以OXA酶、金屬酶為主,常見酶型包括OXA~23、OXA~24、OXA~40、OXA~48、OXA~58 和OXA~51型等,我國主要流行酶型為 OXA~23[22,34~36]。
通過產β~內酰胺酶而對氨芐西林、阿莫西林耐藥的株被稱為β~內酰胺酶陽性氨芐西林耐藥(β~lactamase~positive ampicillin~resistant,BLPAR)流感嗜血桿菌,目前已知的β~內酰胺酶基因型包括TEM和ROB型,以TEM~1型為主[37~38]。部分氨芐西林耐藥菌株β~內酰胺酶檢測陰 性(β~lactamase~negative ampicillin resistant,BLNAR),2014年我國BLNAR菌株檢出率為8.6%[39],且呈現升高趨勢。 BLNAR菌株的主要機制為ftsI基因點突變導致PBP3蛋白的空間構象改變,對β~內酰胺類親和力降低,導致菌株對第一、二代頭孢菌素及氨基青霉素/β~內酰胺酶抑制劑復合制劑類抗菌藥物(如阿莫西林/克拉維酸、氨芐西林/舒巴坦、哌拉西林/他唑巴坦)耐藥[37]。部分產酶株可合并ftsI基因突變,表現為對阿莫西林/克拉維酸耐藥,被稱為β~內酰胺酶陽性阿莫西林/克拉維酸 耐 藥 株(β~lactamase~positive amoxicillin/clavulanate~resistant,BLPACR)。臨床可采用頭孢硝噻吩紙片法檢測β~內酰胺酶:若檢測結果為β~內酰胺酶陽性,提示菌株對阿莫西林、氨芐西林和哌拉西林耐藥;若檢測結果為β~內酰胺酶陰性且對氨芐西林耐藥,提示菌株對氨芐西林、阿莫西林、阿莫西林/克拉維酸、氨芐西林/舒巴坦、哌拉西林、哌拉西林/他唑巴坦、頭孢克洛、頭孢呋辛酯耐藥;若檢測結果為β~內酰胺酶陽性且阿莫西林/克拉維酸耐藥,提示菌株對氨芐西林、阿莫西林、阿莫西林/克拉維酸、氨芐西林/舒巴坦、頭孢克洛、哌拉西林、哌拉西林/他唑巴坦、頭孢呋辛、頭孢呋辛酯耐藥[2~4]。
淋病奈瑟菌對青霉素耐藥的主要機制為產生β~內酰胺酶,產酶株對青霉素、氨芐西林和阿莫西林耐藥[40~41],臨床可采用頭孢硝噻吩紙片法檢測β~內酰胺酶;淋病奈瑟菌對頭孢菌素類耐藥的主要機制為penA基因突變導致PBP2蛋白改變,與頭孢菌素類親和力降低,導致菌株對頭孢曲松、頭孢克肟等抗菌藥物耐藥[40,42]。淋病奈瑟菌對阿奇霉素耐藥的主要原因是藥物作用靶位的改變(如23S rRNA突變),且藥物外排增加也是其耐藥機制之一[40]。
90%以上的卡他莫拉菌產β~內酰胺酶,以BRO型為主,其中BRO~1型約占90%。產酶株對青霉素、氨芐西林及阿莫西林耐藥,β~內酰胺酶抑制劑可抑制其活性[43]。臨床可采用頭孢硝噻吩紙片法檢測β~內酰胺酶。卡他莫拉菌通常對阿莫西林/克拉維酸、第二及三代頭孢菌素、大環內酯類、四環素類、利福平、氟喹諾酮類和磺胺類等藥物敏感。
細菌耐藥性問題的出現給感染性疾病的治療和防控帶來了挑戰。依據不同細菌耐藥表型的不同分子機制,針對其耐藥機制的實驗室檢測方法也逐步推廣,為耐藥菌的治療和防控提供了極大的助力。了解臨床重要細菌耐藥表型的分子機制有助于更好地開展藥物敏感性檢測、快速而準確地發布臨床報告。