Lancet Microbe丨杨建荣/田国宝/陈小舒团队提出抗生素耐药的可逆性评估方法

2024-06-16

临床研究临床结果

引言抗生素的发现是人类历史上最重要的生物医学成就之一。然而，抗生素的大量使用促使抗微生物药物耐药性（Antimicrobial resistance，AMR）快速演化。每年死于AMR相关疾病的人数高达数百万。开发新型抗生素是目前应对AMR的普遍策略，但新型抗生素研发周期长、难度大，因而亟需寻找新方法以遏制抗生素耐药性。耐药性的出现和传播是自然选择的过程，细菌面对逆境（如抗生素压力）往往通过牺牲一部分适应性（Fitness）来获得适应逆境的生存能力。一旦脱离逆境，这些适应性较低的菌株克隆容易被其他优势群体所取代。与此同时，全球许多国家或地区试图通过停用抗生素来遏制耐药性的传播。然而，禁用抗生素能否有效降低耐药性的传播存在很大争议，如何提前评估禁抗策略的有效性是当前该领域亟需解决的关键问题。近日，中山大学杨建荣教授团队、田国宝教授团队和陈小舒教授合作团队在Lancet Microbe在线发表题为Assessment of the reversibility of resistance in the absence of antibiotics and its relationship with the resistance gene’s fitness cost: a genetic study with mcr-1的研究论文。该研究聚焦多粘菌素耐药基因mcr-1，首次提出假说：当细菌耐药基因同时符合两大条件时，禁抗策略将能有效降低耐药性的传播。这两大条件包括：1）耐药基因具有强适应性代价；2）耐药基因近端突变体中不含（或少见）保留耐药性且适应性代价低的突变体（costless-resistant variants）。研究人员首先构建了mcr-1基因约15,000种突变体的质粒文库，并将其转入大肠杆菌受体菌中。将携带有野生型mcr-1、mcr-1突变体文库和无功能mcr-1（对照）的大肠杆菌菌株克隆混合，置于不同浓度多粘菌素培养基中进行混合培养，并利用深度测序技术分析混合培养不同时间点各种突变体频数的变化，计算它们相对于对照菌的相对生长速率。结果显示，在无多粘菌素环境中，野生型mcr-1阳性大肠杆菌的相对生长速率下降了73.8%，提示野生型mcr-1基因具有很强的适应性代价。同时，单点突变体中，无适应性代价或低适应性代价的突变体非常罕见（约0.1%，3/3449）；即使纳入进化上更难发生的多点突变体，无适应性代价或低适应性代价的突变体比例也很低（约0.3%，43/14741）。以上结果说明mcr-1基因确实符合禁抗策略奏效的两大条件。为进一步理解上述现象，研究人员分析了带有提前终止密码子的突变体。结果表明，由于MCR-1从N端到C端依次为跨膜结构域、连接结构域和催化结构域，而MCR-1抗性的维持依赖于其编码的完整催化结构域，而适应性代价则只需要完整的跨膜结构域和连接区域，因此无义突变无法在消除适应性代价的同时保留耐药性。最后，为了验证真实世界中MCR-1适应性代价与其流行率变化之间的关系。研究人员通过比较我国禁用多粘菌素作为饲料添加剂的政策实施以来，住院患者中mcr-1流行率的动态变化，利用拟合群体遗传学模型，依据真实世界中mcr-1的消退速度估算其适应性代价。结果显示，真实世界的数据（生长速率比无mcr-1菌株慢76.2%）与上述在实验室获得的数据（生长速率比对照菌慢73.8%）非常吻合。综上所述，该研究阐明在没有多粘菌素抗性选择压力下mcr-1流行率会下降，且可以基于群体遗传学模型估算mcr-1流行率下降的速率。同时，该研究还揭示当耐药基因具有较高且无法被简单突变消除的适应性代价时，可以通过限制相应抗生素的使用来控制甚至逆转耐药性。该论文研究结果为遏制耐药性的传播及相关政策的制定提供了新思路。示意图（Credit: Lancet Microbe）原文链接 https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/S2666-5247(24)00052-1 责编|探索君排版|探索君文章来源|“BioArtMED” End 往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述