李弘哲正在做實驗。

編者按

近年來，抗生素濫用導致了環境微生物廣泛耐藥，其中抗生素抗性基因（ARGs）的出現及其在全球範圍內(nei) 的傳(chuan) 播對人類健康及生態環境的穩定造成了巨大危害。2006 年，ARGs 作為(wei) 一種新型環境汙染物被正式定義(yi) 。那麽(me) ，ARGs是如何傳(chuan) 播的，我們(men) 又該如何阻止ARGs傳(chuan) 播？前不久，中國科學院城市環境研究所、南京土壤研究所的研究團隊相繼在權威學術期刊上發表了有關(guan) ARGs的研究成果。為(wei) 此，《中國科學報》分別進行了采訪。

“如果我們(men) 無法在2050年前控製現在的情況，到那時，全球每年因耐藥導致死亡的人數會(hui) 上升到1000萬(wan) 。” 國家衛健委抗菌藥物臨(lin) 床應用與(yu) 細菌耐藥評價(jia) 專(zhuan) 家委員會(hui) 辦公室主任徐英春表示。

其中，解決(jue) 抗生素抗性基因（ARGs）在環境中遷移擴散的問題，顯得尤為(wei) 重要。

“ARGs會(hui) 隨基因水平轉移傳(chuan) 播至病原菌中，人類若感染了具有耐藥性的病原菌，一般的抗生素治療就會(hui) 失效。如果一種病原菌獲得了不同類型的ARGs，那麽(me) 它可能會(hui) 成為(wei) ‘超級細菌’，屆時將無藥可用。”近日，中國科學院城市環境研究所研究員崔麗(li) 在接受《中國科學報》采訪時表示。

但科學家尚不清楚ARGs從(cong) 環境到臨(lin) 床病原菌的傳(chuan) 播軌跡。

最新一期的《分析化學》發表了崔麗(li) 團隊一項關(guan) 於(yu) ARGs水平轉移的研究，為(wei) 預防高風險ARGs的傳(chuan) 播提供了新指導。

阻斷ARGs傳(chuan) 播應在源頭

“濫用越多，細菌耐藥性就越強。”WHO抗微生物耐藥性技術戰略專(zhuan) 家顧問組成員吳永寧表示，抗生素在環境中大量蓄積，會(hui) 汙染並破壞人類生存的環境。

“而阻斷ARGs傳(chuan) 播就應該從(cong) ‘源頭’控製。”上述研究論文的第一作者、中國科學院城市環境研究所博士生李弘哲說。

但現實情況是，環境中存在大量胞外DNA，這些DNA中攜帶的ARGs會(hui) 通過轉化的方式水平轉移至人類病原菌中。

當然，轉化是其中一種常見的方式。“它還會(hui) 通過菌—菌接觸發生接合轉移過程、噬菌體(ti) 介導的轉導過程、囊泡介導的轉移過程等方式發生水平基因轉移。”李弘哲說，環境中不同抗生素抗性基因的轉移軌跡和傳(chuan) 播風險也是不同的。

那麽(me) ，尋找高效的耐藥風險監測手段阻控ARGs傳(chuan) 播尤為(wei) 重要。

研發新手段能高效識別

“此次研究的轉化是一種常見的水平基因轉移過程，其重要前提是，有方法能快速準確區分接收了抗性基因質粒的轉化子與(yu) 未接收質粒的敏感菌細胞。”崔麗(li) 說。

在具體(ti) 研究過程中，該團隊發展了一種新型的拉曼光譜結合重水逆向標記的手段，實現了抗生素壓力下抗生素抗性菌與(yu) 敏感菌的準確區分，即預先氘標記的抗性菌在抗生素壓力下會(hui) 快速代謝體(ti) 內(nei) 的氘，在拉曼光譜下C-D峰完全消失，敏感菌則反之。

“相比我們(men) 之前發展的拉曼重水正向標記，該方法具有更高的靈敏度和分辨率等優(you) 勢，更適於(yu) 從(cong) 大量受體(ti) 細菌中，識別出少量的轉化子。”崔麗(li) 表示。

並且，由於(yu) 實現了單細胞水平檢測，該方法還不受細菌可培養(yang) 性限製，克服了傳(chuan) 統培養(yang) 方法低估轉移頻率的缺點。

研究人員首先將該方法運用到感受態大腸杆菌與(yu) 氨苄質粒的模式轉化體(ti) 係中，無C-D峰的轉化子被拉曼識別和分選，並檢測出了氨苄抗性基因。

“這就說明無C-D峰菌占總菌的比例可作為(wei) 抗性基因轉化風險的指標。”李弘哲說。

在此基礎上，該研究團隊又將土壤DNA與(yu) 感受態大腸杆菌進行轉化實驗，並研究了多種臨(lin) 床抗生素相關(guan) 抗性基因的轉移效率。

“我們(men) 發現，氨苄類抗性基因的傳(chuan) 播效率（風險）高於(yu) 環丙沙星與(yu) 頭孢拉定類抗性基因。但慶幸的是，最後一道‘防線’美羅培南與(yu) 萬(wan) 古黴素類的抗性基因的轉移風險最低。”李弘哲表示，單細胞拉曼光譜結合重水逆向標記的方法能從(cong) 抗性表型水平研究環境中可轉移的抗性基因的類型以及傳(chuan) 播風險，為(wei) 環境抗性風險評估提供了一個(ge) 新手段。

期待全麵評估傳(chuan) 播風險

李弘哲告訴記者，他們(men) 遇到的最大困難是，如何驗證拉曼識別的轉化子攜帶的抗性基因。“為(wei) 此，我們(men) 利用單細胞分選技術，將拉曼識別的單個(ge) 目的細菌進行了分離擴增，並明確了抗性基因的存在，為(wei) 該方法的可靠性提供了最為(wei) 直接的證據。”

在審稿過程中，有審稿人提出，如何準確地評估抗性基因水平轉移風險的問題。

“我們(men) 起初以抗性基因的轉移頻率作為(wei) 衡量指標，但沒有考慮不同質粒進入細菌後的適應度代價(jia) ，即攜帶不同質粒後，微生物的生長會(hui) 受到很大影響，從(cong) 而帶來不同的傳(chuan) 播風險。”李弘哲說。

為(wei) 此，研究團隊納入了孵育過程中細胞增殖這個(ge) 因素，直接以轉化子的豐(feng) 度作為(wei) “轉化效率”。由於(yu) 該方法兼顧了轉移頻率和生長速率，轉化效率被認為(wei) 能更準確評估抗性基因的傳(chuan) 播風險。

“未來，我們(men) 希望圍繞人與(yu) 環境大健康這一目標主題，將拉曼光譜結合重水逆向標記的方法，運用到接合和轉導等多種抗性基因水平轉移過程的研究，並深入解析哪些環境抗性基因可以傳(chuan) 播、可傳(chuan) 播抗性基因的宿主來源問題以及這些抗性基因是否與(yu) 臨(lin) 床相關(guan) 等，進而全麵評估不同環境抗性基因的傳(chuan) 播風險。”崔麗(li) 說。

相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c03218