中國ST11耐碳青霉烯類肺炎克雷伯菌耐藥分子機制研究進展*

唐依蓮,張 晨 綜述,蒲 翔 審校

貴州中醫藥大學,貴州貴陽 550025

序列型11(ST11)耐碳青霉烯類肺炎克雷伯菌(CRKP)是亞洲,尤其是中國的高度優勢克隆[1],幾乎可以對所有常用的臨床抗菌藥物產生耐藥性[2],導致缺乏治療選擇。在抗菌藥物使用不當的情況下肺炎克雷伯菌通過從頭突變及獲取質粒和可轉移遺傳元件不斷積累抗菌藥物抗性基因,導致出現具有“超級抵抗組”的極端耐藥(XDR)菌株[3],給臨床治療帶來了巨大的壓力。因此,隨著全球抗菌藥物耐藥性的不斷進展,迫切需要進一步探索CRKP的耐藥機制。現將ST11 CRKP在中國的耐藥機制闡述如下。

1 碳青霉烯類藥物耐藥性

中國常見的ST11 CRKP碳青霉烯酶編碼基因包括bla產肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶(KPC)-2、blaVIM、blaNDM-1、blaIMP和blaOXA。有研究對中國9個城市13家醫院的95株CRKP分離株進行了分析,根據多位點序列分型、聚合酶鏈反應(PCR)擴增和DNA測序提出了中國KPC的肺炎克雷伯菌分離株的分子流行病學主要包括:(1)blaKPC-2是中國常見的ST11 CRKP碳青霉烯酶基因;(2)獲得了7種序列類型,包括ST11、ST15、ST23、ST349、ST351、ST438和ST439;(3) ST11可能是產KPC的肺炎克雷伯菌的另一個主要克隆[4]。由此推測一些ST(如ST11和ST258)將是捕獲質粒的良好定殖者。有研究表明,blaVIM也是中國常見的ST11 CRKP碳青霉烯酶基因[5]。分別于2015、2018、2020年逐漸更新了各種bla,增加了blaNDM-1、blaIMP和blaOXA[6-8]。

臨床研究發現,blaKPC的遺傳環境以Tn3-Tn4401復合物為特征[9-10]。一種新型的遺傳環境KPC-2來自質粒pKP048的基因包含基于Tn3的轉座子和部分Tn4401片段的集成結構,基因順序為Tn3-轉座酶、Tn3-resolvase、ISKpn8、blaKPC-2和類似ISKpn6的元素。此外,Tn1721樣轉座子是blaKPC-2基因在中國有效傳播的主要原因[10]。另外2種類型的blaKPC-2遺傳結構包括Tn1721-blaKPC-2-Tn3和Tn1721-blaKPC-2-ΔTn3-IS26,分別攜帶在IncⅩ和IncFⅡ質粒中。攜帶Tn1721-bla的不同IncFⅡ樣質粒KPC-2似乎在不同的肺炎克雷伯菌ST11亞型之間相互交換和相互轉移[11]。有研究采用多位點序列分型、移動遺傳元件和脈沖場凝膠電泳等分析鑒定肺炎克雷伯菌ST11亞型,利用電穿孔實驗和全基因組測序揭示了Tn1721和IncFIⅡ質粒介導的水平轉移似乎是驅動ST11 CRKP菌株分子多樣化的重要因素[12]。

在關于blaNDM-1遺傳環境的最新研究中,ZHANG等[13]收集2013—2018年中國某三級醫院肺炎克雷伯菌菌株作為研究對象,分析了所有可用的NDM-1相關序列發現,上、下游blaNDM-1基因通常含有轉座子——Tn3或插入的序列片段,推測blaNDM-1通過質粒轉位和長期保存獲得。值得注意的是在中國的臨床菌株中越來越多的ST11肺炎克雷伯菌聯合生產KPC-2和NDM-1[14]。

有研究從醫院獲得了145株疑似肺炎克雷伯菌菌株,通過脈沖場凝膠電泳驗證與碳青霉烯類化合物外膜蛋白(OmpK35和OmpK36)相關的耐藥性,結果顯示,62% CRKP分離物丟失OmpK36,33%分離株丟失OmpK35,表明OmpK36/OmpK35基因缺失對碳青霉烯類耐藥性具有很大的影響[15]。OmpK36/OmpK35基因的破壞導致中國ST11 CRKP孔蛋白表達的顯著喪失,進而導致碳青霉烯類藥物敏感性降低。OmpK35/OmpK36缺乏似乎對碳青霉烯類耐藥性幾乎沒有影響或僅為次要的因素。

2 β-內酰胺類藥物耐藥性

除碳青霉烯酶外,還有多種超廣譜β-內酰胺酶(ESBLs)基因,如blaCTX-M、blaSHV、blaTEM和AmpC頭孢菌素酶基因。中國高頻率的ST11肺炎克雷伯菌菌株含有2～3個ESBLs編碼基因(blaCTX-M、blaSHV 和blaTEM)。有研究從19家醫院收集了930株表型明確的碳青霉烯類耐藥腸桿菌分離株進行基因型表征,在肺炎克雷伯菌分離株中發現了blaSHV、blaCTX和blaTEM的擴展譜ESBLs基因的不同組合,blaCTM-M-14/15、blaSHV-11/12和blaTEM-1是常見的ESBLs基因型[16]。

3 喹諾酮類藥物耐藥性

肺炎克雷伯菌對喹諾酮類藥物耐藥的機制包括不透水性、活性外流、靶標修飾和抗菌藥物中和[17]。有研究對40株CRKP進行了分析,根據PCR和DNA測序方法、多位點序列分型和脈沖場凝膠電泳結果提出了中國ST11 CRKP常見的喹諾酮耐藥機制,主要包括qnrS、qnrB、oqxA、oqxB、oqxAB和aac(6′)-Ib-cr的存在,以及gyrA(S83I和D87G)和parC(S80I)基因突變[18-19],但該結論只針對所研究的40株CRKP,由于樣本量小,未經嚴格的臨床論證,其準確性有待進一步探討。

4 氨基糖苷類藥物耐藥性

肺炎克雷伯菌對氨基糖苷類藥物的耐藥機制包括通透性降低、外排泵活性增加、酶修飾和干擾氨基糖苷類結合的30S核糖體亞基的修飾[20]。中國ST11 CRKP菌株常見的氨基糖苷類抗性基因包括armA、rmtB、rmtC(編碼16S rRNA甲基化酶)和aac(3′)-Ⅰa、aac(6′)-Ⅰb、aac(3′)-Ⅱa、aac(3′)-Ⅱd、ant(2′)-Ⅰa、ant(3′)-Ⅰa和aph(3′)-Ⅰa(編碼氨基糖苷修飾酶)。LIAO等[20]從中國一家三級醫院收集了39株碳青霉烯類耐藥性高毒性肺炎克雷伯菌(CR-hvKP)分離株用于研究16S rRNA甲基酶基因的攜帶情況,最常檢測到的16S rRNA甲基酶基因為armA,其次為rmtB,并且 armA和rmtB共存。還有研究發現,armA和rmtB通常與臨床分離株中同一分離株中的ESBLs基因共存,并與自傳合共軛質粒上的ESBLs基因共同轉移到受體,在同時含有armA和rmtB的分離株中armA基因位于染色體上,rmtB基因位于質粒上,水平基因轉移和克隆擴散是rmtB和armA基因播散的原因[21]。

5 磷霉素耐藥性

中國常見的ST11 CRKP磷霉素酶基因包括fosA、fosA3和foskp96。有研究從中國某高校醫院獲得了97株肺炎克雷伯菌菌株(KPC-KP),其中57株(58.76%)對磷霉素耐藥,其中44株(45.36%)含有fosA3,1株含有fosA[22]。此外,針對2012—2013年臺灣地區16家醫院642株CRKP臨床分離株的研究發現,臺灣地區共有36.45%(234/642)的CRKP分離株對磷霉素耐藥,在234 株耐磷霉素的CRKP分離株中62株有磷霉素酶(35株fosA3陽性和27株foskp96陽性)[23]。

6 甲氧芐啶耐藥性

在中國ST11 CRKP菌株中已報道的甲氧芐啶抗性基因包括sul1、sul2、dfrA1、dfrA12、dfrA15、dfrA17、dfrA25和dfrA27[24-25]。另外,針對2015-2017年中國東部CRKP感染的病例對照研究發現,與非ST11 CRKP分離株比較,ST11 CRKP分離株對甲氧芐啶/磺胺甲噁唑的耐藥率較低[26]。

7 替加環素耐藥性

替加環素是推薦用于產 KPC肺炎克雷伯菌引起的嚴重感染的抗菌藥物之一。耐替加環素的肺炎克雷伯菌在中國被發現[27]。長期單藥治療可能導致較高的替加環素耐藥風險。目前,中國ST11肺炎克雷伯菌的替加環素耐藥機制仍未完全闡明,迄今已發現以下機制:(1)編碼抗性-結節-細胞分裂家族(RND)外排泵AcraB的基因過表達,其具有全局轉錄調節因子(如ramA和ramR)[28]。(2)tet(A)基因變異的攜帶,針對來自8家三級醫院的202例重癥監護病房患者的55株非重復CRKP菌株遺傳和表型特征研究發現,除替加環素和頭孢他啶/阿維巴坦外大多數CRKP菌株對多種抗菌藥物耐藥,其中32株菌株含有tet(A)基因變異,其可降低菌株對替加環素的敏感性[29-31]。對1例感染了產KPC的肺炎克雷伯菌的59歲男性患者的研究表明,rpsJ基因的變異可導致產KPC的肺炎克雷伯菌感染患者對替加環素耐藥[32]。有研究利用全基因組測序證實了質粒介導的替加環素耐藥機制,即6 489 bp RND外排泵(tmexCD1-toprJ1泵)[33]。

8 黏菌素耐藥性

中國ST11 CRKP主要的黏菌素耐藥機制包括MgrB、PmrB和PhoQ的氨基酸變化,質粒載體的移動,黏菌素抗性基因(mcr-8.1和mcr-8.2)的獲得等[33-36]。

9 頭孢他啶/阿維巴坦耐藥性

在中國、美國和其他歐洲國家頭孢他啶/阿維巴坦用于CRKP菌株感染的治療已被證實非常有效地提高了治愈率和存活率[37-38]。有研究測試了頭孢他啶/阿維巴坦和其他抗菌藥物對65種高毒性肺炎克雷伯菌(CR-hvKp)分離株的體外活性,結果顯示,頭孢他啶/阿維巴坦在體外對CR-hvKp分離株具有高活性[39]。同時這一結論在WEI等[40]的研究中也得到了驗證。因此,頭孢他啶/阿維巴坦是治療ST11 CRKP分離株的合理選擇。然而有研究表明,ST11 CRKP臨床分離株中頭孢他啶/阿維巴坦易感性降低是由高頭孢他啶水解活性和OmpK35孔蛋白缺乏引起的[41]。

綜上所述,ST11是中國CRKP的主要克隆,其檢出率速度呈增長趨勢。ST11 CRKP可對幾乎所有常用抗菌藥物耐藥,如碳青霉烯類、β-內酰胺類、喹諾酮類、氨基糖苷類、磷霉素、甲氧芐啶、替加環素、黏菌素,甚至頭孢他啶/阿維巴坦。臨床ST11菌株中的碳青霉烯類耐藥性主要由KPC-2、NDM-1和OXA-48碳青霉烯酶介導,這些酶由不同的質粒編碼。了解其抗菌藥物耐藥的分子機制可以幫助臨床醫生進一步深入探討感染防治策略。然而,要了解如何控制碳青霉烯類藥物在中國ST11 CRKP中的抗性還需要進行更多的研究。