頭孢他啶-阿維巴坦耐藥性及其機制研究進展

傅倩雯， 徐 杰， 趙衛峰

近年來，隨著廣譜抗生素的廣泛使用及細菌耐藥基因的出現，耐碳青霉烯類革蘭陰性菌在世界范圍內的播散已逐漸成為世界一大重要公共衛生問題[1]。其中主要包括耐碳青霉烯類腸桿菌目細菌（CRE），耐碳青霉烯類銅綠假單胞菌（CRPA）和耐碳青霉烯類鮑曼不動桿菌（CRAB），其中CRE及CRAB往往攜帶碳青霉烯酶，可以使絕大多數β內酰胺類抗生素失活，并且這些細菌還攜帶可以水平轉移的耐藥質粒，進一步加劇碳青霉烯類耐藥性傳播[2]。以革蘭陰性菌為代表的多重耐藥（MDR）菌檢出率呈逐年上升趨勢，且其感染治療難度大，病死率高，迫使我們不斷去尋找新的抗感染方案。

頭孢他啶-阿維巴坦（ceftazidime-avibactam）是一種新型的β內酰胺類-β內酰胺酶抑制劑復方制劑，于2015年2月與2019年5月分別獲美國食品藥品監督管理局（FDA）和中國國家藥品監督管理局（NMPA）批準上市，用于治療由MDR或泛耐藥（PDR）革蘭陰性菌引起的復雜性尿路感染和復雜性腹腔內感染[3]。盡管頭孢他啶-阿維巴坦耐藥仍然不常見，但耐藥問題報道越來越多，感染頭孢他啶-阿維巴坦耐藥菌株患者的死亡率似乎很高（近40%）[4]。因此為減少細菌耐藥，延緩耐藥性的出現及蔓延，為臨床診治提供參考，本文就頭孢他啶-阿維巴坦耐藥性的變遷及其可能機制進行綜述。

1 抗菌機制及應用

頭孢他啶-阿維巴坦是一種由第三代頭孢菌素頭孢他啶與新型β內酰胺酶抑制劑阿維巴坦組成的合劑，其主要抗菌機制是阿維巴坦抑制多種類型的β內酰胺酶，進而保護頭孢他啶的殺菌作用[5]。頭孢他啶具有廣譜抗菌活性，通過與革蘭陰性桿菌的青霉素結合蛋白結合，抑制細胞壁合成[6]。阿維巴坦對各類β內酰胺酶有廣泛的抑制活性，包括A類酶（如CTX-M-15、KPC-2等）、C類酶（AmpC）和某些D類酶（如OXA-48）；但對由于缺乏活性位點絲氨酸殘基的B類金屬酶（NDM-1）無抑制能力[7]。頭孢他啶-阿維巴坦對大多數產AmpC、KPC和超廣譜β內酰胺酶（ESBL）的腸桿菌有活性，但對鮑曼不動桿菌的抗菌活性取決于對頭孢他啶的敏感性[8]。頭孢他啶-阿維巴坦于2015年被批準用于復雜性腹腔內感染（聯合甲硝唑）及復雜性尿路感染的治療；2016年6月被歐洲藥品管理局（EMA）批準用于治療復雜性腹腔炎（聯合甲硝唑）、復雜性尿路感染（包括腎盂腎炎）和醫院獲得性肺炎（包括呼吸機相關性肺炎）等有限的革蘭陰性菌導致的感染[9]。每2.5 g復方制劑中包括頭孢他啶五水合物（相當于頭孢他啶C22H22N6O7S22.0 g）和阿維巴坦鈉（相當于阿維巴坦C7H11N3O6S 0.5 g），并建議2.5 g 每8小時1次，靜脈輸注持續時間大于120 min，療程一般為5～14 d，根據感染嚴重程度、病原菌、患者臨床情況和細菌學進展調整療程時間。

2 耐藥現狀

根據國際最佳耐藥性監測網絡（International Network for Optimal Resistance Monitoring，INFORM）數據顯示2015－2017年美羅培南耐藥的腸桿菌對頭孢他啶-阿維巴坦的耐藥率為27%[10]。據國際耐藥性監測報道，大部分腸桿菌科細菌對頭孢他啶-阿維巴坦的耐藥率較低（＜2.6%）[11]，而銅綠假單胞菌耐藥率相對較高，可達到4%～8%[12]。2006－2018年，美國開展的大量研究均報道了頭孢他啶-阿維巴坦的耐藥性，其結果顯示大多數革蘭陰性菌的耐藥率都在3.7%以下[13]。同樣在歐洲和亞太地區，腸桿菌屬對頭孢他啶-阿維巴坦的耐藥率分別為＜1.1%和＜1.7%，銅綠假單胞菌則為＜8.9%和＜7.4%[14-15]。在加拿大及巴西，其耐藥率大多低于5.3%[16-17]。但根據中國細菌耐藥性監測網（CHINET）公布的2020年細菌耐藥性監測顯示，耐碳青霉烯類肺炎克雷伯菌（CRKP）對頭孢他啶-阿維巴坦的耐藥率為12.3%，CRPA的耐藥率則為13.4%，其耐藥率相對較高[18]。我國臨床分離CRE中碳青霉烯酶分布特征主要以產KPC酶為主，其中大腸埃希菌主要產生NDM型金屬酶，而對于肺炎克雷伯菌，成人分離株主要產KPC酶，兒童分離株產KPC、NDM和OXA-48型酶，且OXA-48型酶不同地域差異較大[19]。

3 耐藥機制研究

發生頭孢他啶-阿維巴坦耐藥性的主要幾種機制：①產生金屬β內酰胺酶；②blaKPC基因過表達及β內酰胺酶關鍵位點氨基酸突變；③膜孔蛋白丟失所致的細胞通透性改變；④外排泵的過表達。其中產金屬酶是最常見的耐藥機制。B類金屬β內酰胺酶通過鋅離子與β內酰胺類底物結合，可水解所有臨床使用的絲氨酸β內酰胺酶抑制劑，包括阿維巴坦[20]，因此不推薦頭孢他啶-阿維巴坦用于產此類酶菌株的感染。除產金屬酶外，KPC型碳青霉烯酶基因突變是導致對頭孢他啶-阿維巴坦耐藥的最主要機制。已報道的耐藥機制包括β內酰胺酶氨基酸突變或缺失、膜通透性缺陷（即OmpK35、OmpK36和OmpK37的改變）和青霉素結合蛋白突變，有時與KPC及ESBL決定簇（SHV-、CTX-M-或VEB型）過表達有關[13]。

3.1 β內酰胺酶關鍵位點的氨基酸替換

2015年，Humphries等[21]報道了首例從既往未接受過頭孢他啶-阿維巴坦治療的患者中分離出對頭孢他啶-阿維巴坦耐藥菌株（MIC 32-4 mg/L），并考慮其耐藥性與產KPC酶相關。隨后在頭孢他啶-阿維巴坦耐藥株中發現1個單一L169P氨基酸替換的KPC-2突變體，將其命名為KPC-35，與KPC-2相比，其藥敏顯示明顯降低了對頭孢他啶-阿維巴坦的敏感性，而增強了碳青霉烯酶活性[22]。Winkler等[4]通過對頭孢他啶-阿維巴坦耐藥的銅綠假單胞菌進行多種藥物組合測試，推斷耐藥性最大的因素是膜通透性的改變和外排泵的增加。

頭孢他啶-阿維巴坦對A類、C類和D類β內酰胺酶具有良好抗菌活性[23]。然而，當β內酰胺酶活性位點關鍵殘基處發生突變時，菌株的MIC值將顯著增加。Ω環是位于Arg164和Asp179之間的鹽橋，是β內酰胺酶的重要活性位點，對維持其結構具有重要作用[24]。Ω環突變可導致結合位點結構“不穩定性”，增強了頭孢他啶的親和力，而降低與阿維巴坦的結合，從而導致頭孢他啶-阿維巴坦產生耐藥性[25]。A類β內酰胺酶中的KPC酶突變已被廣泛報道，既往報道過Asp179Tyr、Val240Gly、Ala240Val、Ala177Glu、Thr243Met、Pro169Leu、Asn179Asp、Tyr179Asp、Gln169Leu和Gly130Ser的突變，165-166Glu-Leu插入以及167-168Glu-Leu的缺失導致頭孢他啶-阿維巴坦耐藥[26-31]。不同位點及不同形式的突變可導致頭孢他啶-阿維巴坦的MIC值不同程度升高，且組合突變通常具有協同作用[32]。

在銅綠假單胞菌、陰溝腸桿菌、產氣腸桿菌、弗氏枸櫞酸桿菌、沙雷菌中均出現了AmpC突變的耐藥菌株。腸桿菌屬AmpC中第168、176、309～314和366位氨基酸突變，R2結合位點、H-9和H-10螺旋以及Tyr150Cys取代的結構改變均可導致頭孢他啶-阿維巴坦耐藥[33-35]。頭孢他啶-阿維巴坦對OXA-2突變體（OXA-539，包含關鍵殘基D149的重復）銅綠假單胞菌菌株的MIC值明顯升高，為正常OXA-2菌株的32倍[36]。在鮑曼不動桿菌中，含有D類β內酰胺酶如OXA-23、40、58、66、69、88、93～96和206菌株對頭孢他啶-阿維巴坦耐藥[37]。D類β內酰胺酶OXA-48在大腸埃希菌中同時發生Ala68Pro和Ser211Tyr替換時表現為對頭孢他啶-阿維巴坦耐藥性[36]。

3.2 孔蛋白突變導致的細胞膜通透性障礙介導耐藥

在敲除實驗中，分別對孔蛋白OmpK36敲除C端的16個氨基酸或插入2個氨基酸（Gly134Asp135）、以及在孔蛋白OmpK35中插入堿基對后均出現了孔蛋白的功能喪失，從而產生耐藥性[38]。報道稱OmpK35及OmpK36孔蛋白的缺乏與頭孢他啶對肺炎克雷伯菌的耐藥相關，導致對頭孢他啶-阿維巴坦的MIC值顯著升高（4→32 mg/L）[39]，且OmpK35孔蛋白缺乏引起的頭孢他啶對細菌MIC值的升高大于OmpK36孔蛋白缺乏[40]。然而，這些耐藥機制往往需要其他機制的參與得以顯著升高MIC值。Nelson等[38]報道了2株耐頭孢他啶-阿維巴坦的分離株，在OmpK35功能缺失的背景下，當OmpK36失活，同時blaKPC-3和blaSHV-12的表達增加，可導致頭孢他啶-阿維巴坦的耐藥。Galani等[27]也報道了1株耐頭孢他啶-阿維巴坦的分離株，其耐藥歸因于OmpK36的表達減少和OmpK35的終止密碼子提前。

3.3 外排泵過表達介導耐藥

外排泵過表達在頭孢他啶-阿維巴坦耐藥方面似乎沒有發揮主要作用。外排泵抑制劑苯丙氨 酸-精 氨 酸-β萘 酰 胺（phenylalanine-arginine β-napthylamide， PaβN）的加入并沒有使頭孢他啶-阿維巴坦的MIC值降低1/3[41]。然而，Winkler等[4]在頭孢他啶-阿維巴坦耐藥菌株中添加了外排泵抑制劑羰基氰化物間氯苯腙（carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazine， CCCP）和 PaβN，部分菌株的MIC值明顯降低，其中銅綠假單胞菌MIC值從＞32 mg/L降至＜0.06 mg/L。因此MIC值的降低可能是多種耐藥機制疊加的結果。當耐藥菌株存在AmpC過表達時，則過表達MexAB-OprM進一步有助于菌株產生耐藥[42]。

3.4 青霉素結合蛋白突變介導耐藥

青霉素結合蛋白因其對青霉素的親和力而得名，是細菌細胞壁肽聚糖的重要組成部分[43]。據報道，在含NDM的大腸埃希菌菌株中出現了PBP3突變，突變表現為在第333氨基酸殘基后插入了4個氨基酸，由12對堿基對重復（導致YRIN）或具有單一錯配的相同重復（導致YRIK）構成[44]。具有YRIN插入的PBP3突變菌株，可同時攜帶其他β內酰胺酶，如CMY-42、OXA-1、CTX-M-15、TEM-1、NDM-5和 CTXM-55.1， 可降低多種β內酰胺類抗生素如美羅培南、頭孢他啶-阿維巴坦等的敏感性[45]。盡管目前頭孢他啶-阿維巴坦對于此類菌株的敏感率仍較高，但青霉素結合蛋白突變及獲得性β內酰胺酶所導致的交叉耐藥仍應得到密切監測。

3.5 ESBL突變介導的耐藥

大多數ESBL突變可導致通透性、外排泵或β內酰胺酶數量的變化，但仍有報道提示突變致β內酰胺酶突變，加劇耐藥發生。Livermore等[35]在產ESBL及AmpC大腸埃希菌株篩選出1株ESBL突變菌株，突變導致CTX-M-15發生了Asp182Tyr取代，使頭孢他啶-阿維巴坦對該細菌的MIC值上升了8倍（0.25→2 mg/L）。其他 ESBL突 變， 包 括 Gln169Leu（CTX-M-15）、Gly130Ser（CTX-M-15）、Pro 170Ser（CTX-M-14）、Thr264Ile（CTX-M-14）及130位點氨基酸缺失（SHV-）也均有報道[35-46]。當OmpK36或ESBL單獨存在時，頭孢他啶-阿維巴坦對肺炎克雷伯菌的MIC值為0.5 mg/L，與兩者均不存在時的MIC值相似，然而，當兩者同時存在時，MIC為1 mg/L[47]。

4 對頭孢他啶-阿維巴坦耐藥菌株的治療策略

目前臨床上針對頭孢他啶-阿維巴坦耐藥可供選擇的替代治療方法并不多，美羅培南-韋博巴坦（meropenem-vaborbactam）、亞胺培南-瑞來巴坦、頭孢地爾、依拉環素、氨曲南-阿維巴坦等這些正在開發的新型抗菌藥物可能會成為另一種選擇[48]。既往已有報道美羅培南-韋博巴坦成功挽救性治療了頭孢他啶-阿維巴坦耐藥肺炎克雷伯菌血流感染的相關病例[49]。考慮到頭孢他啶-阿維巴坦產生耐藥性的主要機制是出現β內酰胺酶，其他β內酰胺類-β內酰胺酶抑制劑復方制劑組合（即美羅培南-韋博巴坦和亞胺培南-瑞來巴坦）的作用總體上是有限的。頭孢他啶-阿維巴坦的聯合抗菌方案可能對頭孢他啶-阿維巴坦耐藥菌感染產生良好的效果，臨床上頭孢他啶-阿維巴坦常常與多黏菌素、替加環素、氨基糖苷類、碳青霉烯類、磷霉素及氨曲南聯合使用，但其療效及具體方案仍存在爭議。在一項前瞻性觀察研究中，接受頭孢他啶-阿維巴坦聯合氨曲南治療的產金屬β內酰胺酶腸桿菌屬血流感染患者的30 d死亡率明顯低于其他有效抗生素治療組[50]。Shaw等[51]報道了10例頭孢他啶-阿維巴坦聯合氨曲南治療產NDM-1/OXA-48/CTX-M-15酶的肺炎克雷伯菌感染，臨床有效率為60%（6/10）。在體外試驗中，頭孢他啶-阿維巴坦和氨曲南的聯用對產金屬酶的銅綠假單胞菌和陰溝腸桿菌也同樣有效[52]。磷霉素可抑制細菌細胞壁的合成，并增加其他抗生素的吸收，在體外試驗中，頭孢他啶-阿維巴坦和磷霉素的聯用可以降低MDR銅綠假單胞菌的MIC值[15]。碳青霉烯類藥物也常與頭孢他啶-阿維巴坦聯合使用，Gaibani等[53]在體外試驗中評價了頭孢他啶-阿維巴坦與6種常用的抗菌藥物組合（厄他培南、亞胺培南、美羅培南、慶大霉素、替加環素和環丙沙星）對產KPC酶肺炎克雷伯菌的抗菌療效，結果顯示只有頭孢他啶-阿維巴坦和亞胺培南或美羅培南的組合具有協同活性。盡管IDSA在關于耐藥革蘭陰性菌感染治療的最新指南中建議不要對CRE感染進行常規聯合治療[54]。其原因可能是阿維巴坦對碳青霉烯酶的水解有保護作用，而碳青霉烯類對blaKPC-3突變具有反選擇作用，可導致頭孢他啶-阿維巴坦耐藥，目前沒有數據支持頭孢他啶-阿維巴坦和碳青霉烯類聯合治療，而且還不清楚在這種情況下是否會產生其他耐藥性機制，如孔蛋白突變或外排泵過表達。綜上所述，單藥還是聯合用藥以及聯合治療方案的選擇仍然是一個未解的問題。

5 結論與展望

以革蘭陰性菌為代表的MDR菌檢出率呈逐年上升趨勢，且其感染治療難度大，病死率高，迫使我們不斷去尋找新的抗感染方案。頭孢他啶-阿維巴坦作為一種新型的抗菌藥物，目前對于革蘭陰性菌特別是腸桿菌屬保持著非常好的活性，但對于近年來逐漸上升的頭孢他啶-阿維巴坦耐藥率仍需引起密切關注。與對腸桿菌屬的耐藥率（0～4.2%）相比，銅綠假單胞菌對頭孢他啶-阿維巴坦的耐藥率較高（3.2%～13.4%）。β內酰胺酶關鍵位點的氨基酸替換、膜蛋白突變所致膜的通透性改變、外排泵過表達和青霉素結合蛋白及ESBL突變均可介導頭孢他啶-阿維巴坦耐藥的發生。頭孢他啶-阿維巴坦不應用于天然耐藥的病原體，對于頭孢他啶-阿維巴坦獲得性耐藥的菌株，應考慮其他有效抗菌藥物或頭孢他啶-阿維巴坦與其他抗菌藥物聯合使用。目前，針對頭孢他啶-阿維巴坦耐藥，頭孢他啶-阿維巴坦聯合治療方案選擇及其療效仍需進一步研究。