2006年细菌对抗菌药物耐药机制研究进展回顾_李显志

综述与专论文章编号:1001-8689(2007)04-0193-10

2006年细菌对抗菌药物耐药机制研究进展回顾

李显志1　凌保东2

　　　　　　　　　　　　　(1加拿大卫生部药品与食品局,　加拿大渥太华;

2川北医学院药物研究所,　南充637007)

　　摘要:　细菌对抗菌药物的耐药性机制是生物医药研究的重要领域。2006年抗菌药物耐药机制研究在多方面有重要的发现,如对细菌药物主动外排泵的药物转运结构机制的深入了解及发现新的药物泵或新的泵调控表达机制,发现了喹诺酮类药物修饰酶、质粒介导的喹诺酮耐药性在世界范围内的出现,对金葡菌耐药机制的进一步认识与发现新型抗多重耐药革兰阳性球菌的platen-simycin,鲍曼不动杆菌基因多重耐药岛的发现,新型β-内酰胺酶的继续出现以及超广谱β-内酰胺酶开始从食用动物或宠物分离的细菌中证实。本文还讨论了2006年中国细菌耐药机制研究的一些重要结果。这些研究成果继续提示细菌对不同抗菌药物的多种耐药保护机制及细菌本身基因结构的多样性与可移动性使其能进化产生新的耐药机制以适应抗菌药物的作用。严谨合理地应用抗菌药物以最大限度地减少细菌耐药性发生及传播和延长抗菌药物的疗效周期是人类所面临的长期挑战。

关键词:　耐药机制;　多重耐药性;　外排泵;　qnr 质粒;　喹诺酮修饰酶;　β-内酰胺酶;　Platensimy cin

中图分类号:R378　　　文献标识码:A

Progress in studying mechanisms of antimicrobial resistance

in bacteria in 2006

Li Xian -zhi 1　and 　Ling Bao -do ng

2　　　　　(1Human Safety Division,V e terina ry Drug s Directo ra te,Health Pr oducts and Fo od Br anch,

Health Ca nada,Ot tawa ,O nta rio K1A 0K9,Canada;

2Pha rmaceutical Resear ch Institute ,N o rth Sichuan M edica l Co llege ,　Na ncho ng 637007)　　ABSTRACT 　Studies on mechanisms of antimicrobial resistance in bacteria co ntinue to be a key area in biomedical sciences.This has been demo nstra ted in the advances achiev ed in 2006,w hich are a ttributed,fo r ex ample,to the follow ing aspects :structural elucida tion of the transpor t mechanisms o f m ultidrug resistance transpor ters with identificatio n of nov el drug efflux pumps or of nov el reg ula to ry m echa nism s of drug pumps ,discov ery of a quinolo ne-modifying enzy me,the w orldwide em erg ence o f plasmid-mediated quinolo ne resis-tance,further understanding of staphylococcal resistance and the discov ery of platensimycin activ e ag ainst m ul-tidrug resistant g ram -positiv e cocci ,identifica tion o f a resistance genomic island in Acinetobacter baum annii ,cha racteriza tio n o f nov el β-lactamases ,and emergence of ex tended -spectrum β-lactamases in animal -deriv ed bac-teria.Key observ ations from the studies in 2006in China are also described.The results presented continue to demonstrate the evo lutio nary capability o f bacteria in their adaptatio n to va rio us antimicro bials v ia p erse a nd m obile genetic elem ents .Prudent use of antimicrobial drug s fo r minimizing the further emerg ence and dissemi-natio n of antimicrobia l resista nce and prolo nging the life span o f antimicrobial drug s is certainly a da unting lo ng -term challenge.

KEY WORDS 　Resistance mechanisms ;　Multidrug resistance ;　Efflux pumps ;　qnr plasmids ;Quino lone -m odifying enzym e ;　β-Lactama ses ;　Platensimycin

收稿日期:2006-11-30　　修回日期:2007-01-24作者简介:李显志,男,博士。　E-mail :xian zhi -li @yah 9b83a1b450e79b89680203d8ce2f0066f4336473 ·193·中国抗生素杂志2007年4月第32卷第4期

　　细菌对抗菌药物的耐药性系全球性和区域性问题,给抗感染治疗带来了严峻挑战。在美国举行的“抗菌药物耐药性2006年年会”上,哈佛大学M oellering Jr.教授以“抗菌药物耐药性:下一个大流行(Antimi-crobial Resista nce :The Nex t Pandemic )”为题的会议开场报告再次佐证了可能进一步加剧的抗菌药物耐药性的严重问题,同时也提示了耐药性研究的重要意义。以“Antimicrobial ”和“Resista nce ”为关键词在PubMed 文献库(h ttp ://w w w .ncbi .nlm .nih .g ov /,截至2006年11月30日)能检索到近1500篇2006年发表的相关文献。在中国,包括《中国抗生素杂志》在内的相关学术刊物也发表了不少细菌耐药性的研究论著。已有的研究明确显示获得性耐药细菌在全球范围呈增高趋势,且在局部地区一些耐药菌感染甚至面临无有效治疗药物可选择。临床分离的大量耐药菌株似乎又为耐药机制多样性的研究提供了“必要的”实验材料,但这些材料的获得却可能是以相应感染性疾病的无效治疗为代价。

近年来抗菌药物耐药机制的研究揭示了新型耐药机制或者对已知的耐药机制又有了更深入的了解,这些进展无疑为认识耐药菌或耐药性基因传播的流行病学与抗菌药物的研发提供了重要信息。在2006年,抗菌药物耐药机制研究有多方面的重要报道,及时了解这些研究进展有助于思考相关的研究内容与方向。本文拟对2006年的主要耐药机制研究包括中国的相关研究进展作一回顾。

1　药物主动外排泵结构与作用机制

属于耐药-生节-分裂(resistance-no dulatio n-pi-sio n,RND)家族的药物外排泵已知在大肠埃希菌(如Acr AB -TolC )与铜绿假单胞菌(如M ex AB -OprM )等革兰阴性菌的多重耐药性中起重要作用,这也是过去10余年来细菌多重耐药性机制研究的重点

[1～4]

。RND

外排泵系统常由操纵子基因编码,由质膜(内膜)外排泵(即转运体,如Acr B )、膜融合蛋白(如Acr A )及外膜通道蛋白(如TolC)组成,以质子驱动力(H +

)为能源外排药物。近年对Acr AB-TolC 外排系统的AcrB 转运体在有无药物底物/配体存在下的蛋白结构的深入分析已开始对外排泵的药物转运功能机制有了具体了解[5～7]。

2006年几乎在同一时间两个独立研究小组分别在《Nature 》和《Science 》上发表了根据蛋白晶体结构所获知的类似的外排泵转运药物机制的研究结果,提出了AcrB 外排泵与药物底物进行有序结合,使AcrB 蛋

白的3个原聚体(protom ers)分别经历药物“进入

(access )”、“结合(binding )”及“泵出(ex trusion )”的结构变化,形成了功能复杂的三步骤旋转外排机制或蠕动泵机制(图1I)[8～

10]

。这是药物外排机制研究的最新

发展,对认识细菌RN D 及其它类型药物泵的主动外排

机制有普遍意义。2006年另一突破性相关研究是金葡菌多重耐药ATP 结合盒(AT P-binding cassette,ABC)转运体Sav 1866的蛋白结构

[11]

。ABC 家族的药

物转运体是细菌众多药物外排泵的一部分,在形成有临床意义的细菌耐药性方面似乎作用有限[1],但是Sav 1866转运体与重要的人类多重耐药性蛋白M DR1(P-糖蛋白或ABCB1)有明显的蛋白序列的同源性,

I

:RND 家族大肠埃希菌AcrAB -TolC 外排系统药物外排机制(2006年[8～

10]

),图中上部分显示外排泵AcrB 的3个原聚体

中处于药物结合(B)和药物泵出(E)状态的2个原聚体,未显示药物进入(A)状态的另1个原聚体,药物可能是由质膜的周质侧进入泵的结合位点;图中下部分从横面显示Acr B 泵3个原聚体外排药物的3个状态,即药物进入(A )、结合(B )

和泵出(E),其循环可能形成了以质子驱动力(H +)为能源的泵的旋转外排药物机制[8

～10]

;

II :ABC 家族金葡菌以AT P 为能源的Sav 1866多重药物转运体外排药物机制(2006年;详见正文)[10,11];

III

:作为比较,包括了RND 家族多重药物泵系统机制的最初模型图(1994年[13])。亲水与疏水两性药物分子(图中的黑白菱形)可能分别由质膜内外侧进入转运体(如AcrB),并通过与辅助连接蛋白(如Acr A)和外膜通道蛋白(如TolC)形成的转运复合体将药物泵至胞外[13,14]。目前的研究提示药物可能主要由质膜的周质侧进入转运体。

　图1

　　细菌多重药物主动外排泵结构与外排抗菌药物机制示意图(改自参考文献[8～11,13,14])

·

194·2006年细菌对抗菌药物耐药机制研究进展回顾　李显志等

而M DR1在肿瘤细胞的多重耐药性中起关键作用。Sav1866由同源二聚体(homodimer)构成,分别由核苷酸结合结构域和跨膜结构域构成,后者则含12个跨膜螺旋区[10]。晶体结构显示处于外向构象的AT P结合状态时的相互紧靠的两个核苷酸结合结构域,而跨膜结构域则形成可能是药物转运的中央通道腔,该中央腔背面受细胞质膜及其脂双层的屏盖,向外则暴露于胞质以外(图1II)[11]。类似于AcrB,Sav1866也是在细胞内面存在药物底物的结合位点,并呈现外向的构象变化使药物外排至胞外[10,11]。

值得一提的是,李显志等[12～14]在研究铜绿假单胞菌多重天然耐药性时于1994年首次提出了RN D药物外排泵系统机制模型(图1III),而在此论文稿[12,13]的评审过程中曾受到高度质疑,某些审稿者对于细菌药物泵的极广的针对多类化学结构各异的底物特异性或者说“非特异性”的实验结果难以置信[15]。如β-内酰胺类抗生素的作用靶位(青霉素结合蛋白)位于细菌质膜的外侧,且某些β-内酰胺抗生素甚至较难跨越质膜屏障,似乎不能用位于质膜的外排泵解释多重药物的耐药性[13]。但是历经10余年的深入系统研究[1],已从外排泵蛋白结构及与抗菌药物相互作用上对药物外排机制有了较深入的认识,并已促使研发药物外排泵抑制剂[16,17]。

2006年对于已知的药物外排泵又有了新的研究,如对M ex AB-OprM的调控研究表明该泵的表达除分别独立地受阻遏子M ex R(nalB基因型)直接抑制或NalC的间接抑制外[1],最近又发现了第二个直接抑制mex AB-oprM表达的阻遏子NalD[18],表明外排泵调控的复杂性。

迄今为止,已知的上百种细菌的基因文库序列均证实药物外排泵广泛存于各种细菌(http://w ww. m em bra netra nspo rt.o rg)。但是,单一的核苷酸序列或蛋白同源比较仅能初步提示药物泵的可能存在与否,而确认具体药物外排泵的表达与功能则要求以分子生物学与生物化学实验进行验证。2006年确证的药物外排泵包括:脆弱拟杆菌的Bm eABC[19]、类鼻疽伯克菌的BpeEF-Opr C、产气肠杆菌的Eef ABC[20]、克雷伯菌的Km r A[21]、金葡菌的M de A[22]、Nor C[23]和SdrM[24]和单核细胞增生症李斯特菌的M dr L与Lde[25]等。细菌常同时存在多种药物外排泵系统,但其作用可能不仅是外排药物,而且可能具有非耐药性的功能,这已经受到关注[26]。

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