异质抗性一种隐蔽的抗生素耐药性形式
说到抗生素耐药性,临床上答案是“不”。一个群体中可能有一些细胞对某种抗生素敏感,而另一些细胞则有耐药性。表现出这种抗生素敏感性混杂的细菌(一种称为异质耐药性的现象)很难检测,更难治疗。
正是这种阴险性促使一些科学家,如埃默里抗生素耐药性中心主任兼埃默里大学医学系教授戴维·S·韦斯博士,将异质耐药性视为对抗抗生素耐药性的下一个前沿。
“未来因抗生素耐药性而死亡的人数将不断增加;到2050年,每年可能达到1000万人,”Weiss在ASMMicrobe2024的一次科学会议上表示。然而,“如果将异质耐药性和其他目前甚至不被归类为耐药性的亚群行为考虑在内,情况可能会更糟。”
异质抗性的机制
异质耐药性,即单一细菌菌株同时含有敏感细胞和耐药细胞,发生在多种细菌之间,并且涉及一系列抗生素:氟喹诺酮类、氨基糖苷类、β-内酰胺类等等。
该现象的定义是,存在一小群具有耐药性的细菌,其对某种药物的最低抑菌浓度(MIC)相对于主要易感人群增加了8倍(尽管增加的幅度因研究而异)。
MIC是否与抗生素的断点(将生物体分类为敏感或不敏感的预定范围)相交以及耐药细胞的频率是一个重要的考虑因素。
异质性耐药性所固有的异质性可以以不同的方式发展。例如,在某些革兰氏阴性细菌中,细胞会增加耐药基因(例如β-内酰胺酶)的扩增,从而增加可用于对抗药物的拷贝数,并产生耐药亚群。
抗生素靶点、转运蛋白或细胞核心基因以及与其功能相关的辅助因子的突变或表达改变是其他潜在机制。
Weiss强调,多个抗性系统可以同时促成异质抗性。“我被教导,如果你选择一个菌落并让它长大,你会发现里面的每个细胞都在做同样的事情,”他说。“但看起来情况并非如此,而且情况要复杂得多。”
直到不再
异质耐药性的问题(以及临床上令人沮丧的)在于它很不稳定——耐药细胞的数量会随着抗生素的存在而时增时减。
在异质抗性群体中,“易感细胞通常生长得更快,而抗性细胞通常需要付出适应成本——当没有药物时,抗性细胞处于劣势,”Weiss解释道。“但是如果你添加一种药物,一切都会反转,现在只有抗性细胞才能生存。即使它们具有适应劣势,它们仍然是唯一可以生长的细胞,所以它们最终会占据主导地位。”由于细菌可以同时产生抗性和易感细胞,如果你再次去除药物,易感群体将快速增长并胜过抗性群体。此外,如果抗性细菌减少抗性基因的表达或产生补偿突变,从而在没有任何抗性物质时减轻抗性的适应成本,它们可以恢复到易感表型。
这种转瞬即逝是诊断的噩梦。虽然分离物可能在患者体内具有耐药性,但一旦对其进行取样并进行抗菌药敏试验(AST),即首先在不含抗生素的培养基中培养,耐药细胞的数量就会回落到基线,基本上消失在背景中。
因此,当分离株在临床环境下表现出耐药性时,它可能被归类为敏感株,从而无法准确描述导致患者感染的细菌,并为治疗失败铺平道路。
治疗失败的风险增加
这是异质耐药性的主要问题——耐药细胞在接触抗生素后可能会偷偷增殖,导致药物不再有效。数学建模表明这是一种可能,几项研究探索金黄色葡萄球菌和
鲍曼不动杆菌等细菌也同样证实了这一不幸结果。例如,一项对患有由表皮葡萄球菌引起的血液感染的儿童白血病患者的回顾性分析报告称,万古霉素异质耐药性增加了治疗失败和临床反应不佳的风险。
在小鼠中,粘菌素(治疗革兰氏阴性菌感染的最后一线抗生素)无法挽救感染了异质耐药菌株卡巴培南耐药肺炎克雷伯菌的动物。其他研究表明,即使在没有抗生素治疗的情况下,宿主先天免疫防御的压力也可以在感染过程中间接选择异质耐药细菌的耐药亚群。
结果是:当药物用于治疗时,它不再起作用。这些发现表明宿主可能在促进和维持体内异质抗性方面发挥着作用。
尽管异质抗性自1947年以来就已引起科学界的关注,但研究人员对其临床影响仍存在许多疑问,包括它对患者发病率和死亡率意味着什么以及它的影响有多普遍。
中西部大学药学院教授VanthidaHuang(药学博士、BSPHM、FCCP)表示:“异质耐药性的流行情况非常多样化,报告不足,也未得到重视。”根据研究、药物、细菌和检测方法的不同,估计的流行率范围从所分析分离株的百分之几到60%以上。
韦斯强调,需要对人类患者进行更多的研究,才能牢牢掌握这些知识空白,进而全面了解抗菌药物耐药性危机。
异质耐药性检测:临床难题
关于异质耐药性仍存在许多模糊之处,其原因在于:研究和检测异质耐药性非常困难。这主要是由于缺乏标准检测方法。“我们使用了许多不同的单独测试,”黄说。“但我们仍然难以确定的是,在临床实验室中识别异质耐药性的工作流程的可行性,”因此临床医生可以用它来指导他们的治疗计划。
目前,异质抗性检测的金标准方法是群体分析谱(PAP),其中将细菌培养物接种于琼脂平板上,抗生素浓度增加2倍;根据在断点浓度或以上存活细菌的比例,将分离株分类为耐药、敏感或异质抗性。
虽然该检测可以定量确定抗性亚群的频率(这是确定异质抗性的一个关键方面),但它需要几天的时间才能完成,而且费用昂贵。
其他方法(Etest和纸片扩散试验)是非定量的,只能检测高频率的耐药亚群,而低频率出现的亚群可能会被忽视。
事实上,大多数AST方法都假设分离物中的所有细菌细胞都是相同的。当抗性亚群可能仅占细胞的一小部分时,它们通常不够灵敏,无法捕捉到体现异质性抗性的异质性。
根据所使用的测试和耐药细胞的频率,分离株的分类可能会存在差异,从而导致对如何最佳治疗产生混淆。
新兴技术进步可以解决其中的一些缺陷。依赖微生物DNA的分子方法(例如液滴数字PCR、全基因组测序)是可能的替代方案,因为它们可以快速、相对便宜且全面。这些方法依赖于耐药性的基因型标记(其中一些可能不为某些细菌/抗生素配对所知)是一个缺点,并且在某些情况下,表型变化可能不是由可辨别的基因变化引起的。
其他策略是利用人工智能来提高检测效率和灵敏度,例如将显微镜与人工智能相结合,将易感和抗性表型分类到单细胞水平。
“我们缺乏一套统一的、可用于临床实验室的验证方法标准。建立这些方法对于我们在异质耐药领域来说确实非常重要,”黄说。
我们接下来要去哪里?
更好的检测带来更好的治疗——轻松确定某人是否携带异质耐药分离株的能力可以为医疗保健从业者提供他们所需的信息,以便尽快有效地治疗患者。
这种治疗方法需要进一步研究。研究表明,联合抗生素疗法是一种很有前途的方法,尤其是当治疗对多种药物表现出异质耐药性的细菌时——一种药物可能对一个亚群不起作用,但对另一个亚群有效。
黄教授指出,解决方案可能是多方面的,包括依靠精准医疗实践、寻找劳动力成本低廉的有效检测方法以及发现新的抗生素以扩大可用的治疗范围。在黄教授看来,解决这个问题最终将是一项集体努力。“我们所有人都可以思考如何克服异质耐药性。”
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