生命科学

Life science

    黏菌素被认为是对抗多重耐药革兰阴性菌所致严重感染的最后一道防线药物。因此，质粒介导的黏菌素耐药基因mcr-1的出现引起了全球关注，并促使多个国家调整了黏菌素在食品动物中的使用政策。目前，研究人员已针对mcr的分布、功能、作用机制、传播载体、起源以及mcr阳性菌的防控策略等进行了广泛研究。近日，应Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Microbiology邀请，华南农业大学刘健华教授课题组与中国农业大学沈建忠院士课题组联合发表了题为“Plasmid-mediated colistin resistance genes: mcr”的综述文章。该论文系统地总结了mcr的出现、流行、结构和功能，并重点介绍了mcr质粒的适应性代价和持留性、mcr对细菌毒力的影响以及mcr应对策略的最新研究进展。

    mcr的流行与传播载体

    革兰阴性杆菌耐药性的快速发展导致临床可供选择的有效治疗药物越来越少，迫使黏菌素老药新用，被作为“最后一道防线”甚至“救命药”用于医学临床多重耐药革兰阴性杆菌感染的治疗。过去认为，黏菌素的耐药机制由染色体突变介导，不存在可水平转移的耐药基因，但2015年刘健华教授课题组和沈建忠院士课题组首次报道了质粒介导的黏菌素耐药基因mcr-1。mcr-1 基因的出现有可能会导致黏菌素耐药性发展更为快速，因而在国际上引起广泛关注。目前，有60多个国家和地区检测到mcr-1及多种mcr-1类似基因。mcr-1可能起源于莫拉氏菌的染色体基因，被插入序列ISApl1捕获后转移到肠杆菌质粒，其主要通过IncI2、IncX4和IncHI2等质粒传播。

    mcr的功能和适应性代价

    mcr-1编码的磷酸乙醇胺（pEtN）转移酶将pEtN从细胞膜传递到其作用靶点脂质A，导致黏菌素耐药。除黏菌素耐药外，MCR还可介导细菌对抗菌肽（AMPs）的抗性。AMPs的两亲性结构使其能够穿透细菌细胞膜，形成孔洞并破坏细胞膜完整性，导致细菌的溶解死亡，而MCR通过修饰脂质A减少细菌外膜的负电荷，从而导致细菌对AMPs（如肠道上皮细胞产生的AMPs）产生抗性。此外，MCR-1的表达还可降低宿主对细菌的免疫反应，增强细菌的生存能力。

▲图1 MCR介导的黏菌素耐药机制

    鉴于mcr-1的出现可能带来的危害，欧盟、日本、泰国、中国、巴西等多个国家和地区先后调整了黏菌素在食品动物中的使用政策。中国在2016年发布禁止黏菌素作为动物促生长使用政策后，黏菌素在食品动物的使用量、耐药率和mcr-1流行率均快速下降，这主要归因于mcr-1对宿主菌造成的适应性代价。研究表明，mcr-1的过度表达对细菌的生存和细胞膜完整性产生负面影响，且单一拷贝的mcr-1也会对宿主菌造成适应性代价。因此，一旦黏菌素选择压力消失，mcr-1阳性菌在菌群竞争中逐渐被淘汰。多项关于mcr-1质粒适应性和接合调控的研究表明，维持质粒低拷贝可最大限度降低MCR-1对宿主菌造成的适应性代价，而高接合频率可促进质粒在细菌间的转移，以上特性可使mcr-1质粒在菌群中具备一定的持留和传播能力。

▲图2 mcr的出现和传播

    mcr阳性菌的应对策略

    尽管禁止黏菌素在养殖业的促生长使用有助于减少黏菌素耐药性和mcr-1流行，但mcr-1仍在临床菌中传播流行。为更有效地应对这些耐药菌，研究者开发了各种控制策略，包括基于CRISPR/Cas工具消除mcr-1基因、抑制mcr-1质粒的接合转移、MCR蛋白抑制剂、联合用药、优化多粘菌素、开发黏菌素同系物和阳离子肽等。其中，黏菌素与多种化合物具有协同杀菌作用，且其协同作用机制多样，可减缓黏菌素单独用药诱发耐药性的风险，保护了黏菌素的有效性。但联合用药涉及复杂的药物代谢动力学，需要深入研究以促进其临床应用。另外，挖掘细菌的生物合成基因簇有助于发现了新的黏菌素同系物，如Macolacin，该同系物对黏菌素耐药菌表现出优异的抗菌活性。虽然上述控制策略在实验室条件下显示出较好的应用前景，但在临床实际中的应用还需进一步研究和验证。

▲图3 mcr阳性菌的应对策略

    总结与展望

    由于黏菌素是人类临床抗多重耐药菌感染的有限选择之一，质粒介导的黏菌素耐药基因的出现引起了人们的广泛关注。尽管mcr-1对宿主菌有毒性作用，但其已在全球各种生态位中广泛传播，这可能与mcr-1被拷贝数低且转移能力强的质粒捕获有关，也与养殖业大量使用黏菌素造成的选择性压力有关。幸运的是，在黏菌素使用政策调整后，由于mcr-1对宿主菌的毒性作用，动物和人类病原菌的mcr流行率和黏菌素耐药率均迅速下降。因此，mcr-1的故事充分说明抗菌药使用造成的选择性压力是推动耐药菌在全球传播的主要因素，需坚持“同一个健康”的理念来控制细菌耐药性。虽然一些国家已经停止黏菌素作为促生长剂使用，但仍有许多国家将其用作动物的饲料添加剂。细菌耐药性是“同一个世界，同一个健康”的问题，某一国家产生的耐药菌很容易传播到其他国家，从而加剧mcr的全球传播。因此，呼吁这些国家积极采纳联合国粮农组织的倡议，采取行动，减少不必要的抗生素使用(https://www.fao.org/antimicrobial-resistance/projects/ongoing/project-5/en/) 。

    另外， MCR除赋予黏菌素抗性外，还介导对多种抗菌肽的交叉抗性，并影响宿主免疫反应，提示MCR具多功能性，且MCR阳性细菌感染可能带来更大风险。目前，研究人员正探索多种对抗mcr阳性菌并延长黏菌素功效的策略，这些策略为临床mcr阳性菌感染提供了有希望的替代方案，但在应用中也面临许多挑战，如生产成本、药物制备和立法等，将这些策略转化为临床实践仍需更多努力。

论文作者介绍

    沈建忠

    中国工程院院士，教育部人才项目特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家高层次人才特殊支持计划领军人才，现任中国农业大学动物医学院院长，兽医公共卫生安全全国重点实验室主任。主要从事兽医公共卫生领域下动物源性食品安全、微生物耐药性及新兽药创制等教学与科研工作，十余年来主持承担科研项目50余项，包括国家重点研发计划、973项目、国自然专项项目、重点项目、国家科技支撑计划等。在Lancet Infectious Diseases、Nature Microbiology等国内外重要学术期刊发表论文500余篇，获国家发明专利授权70余项，主持制定兽药残留检测方法国家和行业标准50余项；研发出残留检测产品及新兽药80余种。获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖、北京市自然科学一等奖、北京市科技一等奖等；获全国杰出教学奖、何梁何利基金科学与技术进步奖等荣誉称号。

    刘健华

    华南农业大学兽医学院、岭南现代农业科学与技术广东省实验室教授、博士生导师，国家自然科学基金杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才、广东省特支计划“百千万工程”领军人才等。长期从事细菌耐药性产生、传播和控制研究，发现了质粒介导的黏菌素耐药机制MCR-1，推动了多个国家黏菌素管理政策的调整。主持国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划课题等，在 Lancet Infect Dis、Nucleic Acids Res、mBio、Emerg Infect Dis等期刊发表 SCI 论文 80 余篇，被引用 6000 多次，有三篇论文被F1000Prime 推荐和点评。兼任Applied and Environmental Microbiology、Frontier Microbiology、Zoological Research、《中国兽医杂志》等期刊编委或副主编。

    汪洋

    中国农业大学动物医学院兽医公共卫生安全全国重点实验室教授。获教育部高层次人才、中国青年科技奖、国家自然科学基金优秀青年基金等。主要从事兽医公共卫生领域中的细菌耐药性的形成和防控技术研究及动物源细菌耐药监测网相关工作。以第一或通讯作者（含共同）在Lancet Infectious Diseases、Nature Microbiology等发表SCI论文70余篇。主持“十四五”国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、国际合作等项目7项；兼任One Health Advances和《中国兽医杂志》执行主编、英国抗菌药物化疗协会杂志Journal of Antimicrobial Chemotherapy编辑、美国微生物学会杂志Antimicrobial Agents and Chemotherapy编委等。

    ▌论文标题：

    Plasmid-mediated colistin-resistance genes: mcr

    ▌论文网址：

    https://www.cell.com/trends/microbio-logy/fulltext/S0966-842X(23)00295-0

    ▌DOI：

    https://doi.org/10.1016/j.tim.2023.10.006