(48)--抗生素与肠道菌群关系研究进展.pdf

科技导报 2017，35（21）收稿日期：2017-08-30；修回日期：2017-10-30基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（XDA 12050201）作 者 简 介：李 子 艳，馆 员，研 究 方 向 为 药 物 情 报 分 析，电 子 信 箱：；高 柳 滨（通 信 作 者），研 究 馆 员，研 究 方 向 为 情 报 分 析，电 子 信 箱：lb 引用格式：李子艳,刘丽丽,毛艳艳,等.抗生素与肠道菌群关系研究进展 J.科技导报,2017,35(21):26-31;doi:10.3981/j.issn.1000-7857.2017.21.002抗生素与肠道菌群关系研究进展 抗生素与肠道菌群关系研究进展摘 要 摘 要 从 抗 生 素 与 肠 道 菌 群 的 关 系 出 发，在 抗 生 素 角 度，概 述 了 抗 生 素 对 肠 道 菌 群 构 成、肠 道 定 植 抗 力、菌 群 类 别 及 代 谢 活 动 的影 响，综 述 了 抗 生 素 通 过 调 节 肠 道 菌 群 恢 复 肠-脑 轴、肠-肝 轴 稳 态，延 缓 非 感 染 性 疾 病 的 研 究 进 展。在 肠 道 菌 群 角 度，简 述 了 肠道菌群在抗生素耐药基因储存传播、新型抗生素发现过程中的特别作用。关键词 关键词 抗生素；肠道菌群；抗生素耐药基因；定植抗力；疾病抗 生 素 的 发 现 和 大 规 模 生 产 与 使 用 是 人 类 医 学 史 上 的巨 大 进 步，挽 救 了 数 以 亿 计 的 病 人。除 临 床 使 用 外，1950 年美国食 品药品 管理局（FDA）还首次 批准抗 生素可 作为饲 料添加 剂，抗 生 素 因 此 被 全 面 推 广 应 用 于 动 物 养 殖 业，在 预 防 和治 疗 动 物 传 染 性 疾 病、促 进 动 物 生 长 及 提 高 饲 料 转 化 率 等 方面 发 挥 了 重 要 作 用。人 体 肠 道 内 定 植 有 数 量 庞 大 的 细 菌、病毒、真 核 生 物 和 古 生 菌 等 微 生 物，它 们 通 过 相 互 影 响 及 与 人体 相 互 作 用 而 组 成 一 个 复 杂 的 微 生 态 系 统。在 生 理 状 态 下，肠 道 菌 群 与 机 体 保 持 动 态 平 衡，对 维 持 健 康 起 着 重 要 作 用。来 自 于 环 境 和 临 床 的 抗 生 素 使 用 在 杀 灭 和/或 抑 制 细 菌 生 长的 同 时 给 予 细 菌 抗 生 素 筛 选 压 力 而 致 耐 药 基 因 在 各 个 微 生物 生 态 环 境 包 括 人 体 肠 道 菌 群 系 统 中 广 泛 传 播，导 致 菌 群 失衡，引 发 各 种 肠 道 内、外 疾 病。本 文 综 述 抗 生 素 与 肠 道 菌 群关 系 研 究 进 展，探 索 抗 生 素 对 肠 道 菌 群 的 影 响 以 及 肠 道 菌 群在细菌耐药、疾病治疗、新型抗生素发现中的作用。1 抗生素对肠道菌群构成的影响目 前，抗 生 素 滥 用 已 成 为 引 起 肠 道 菌 群 失 调 的 重 要 原因。抗 生 素 对 肠 道 菌 群 影 响 及 影 响 的 程 度，主 要 取 决 于 抗 菌谱、给 药 途 径、肠 道 内 药 物 浓 度 等 因 素。如 喹 诺 酮 类 对 厌 氧菌 作 用 弱，无 论 静 脉 或 口 服 给 药，对 肠 道 菌 群 影 响 均 很 小；氨基 糖 苷 类 口 服 给 药 时 可 引 起 肠 道 菌 群 改 变，但 肠 道 外 给 药时，由 于 主 要 通 过 尿 液 排 出 体 外，肠 道 内 浓 度 低，对 肠 道 菌 群影 响 小；-内 酰 胺 类 抗 生 素 经 胆 道 排 泄，肠 内 药 物 浓 度 高，对肠 道 菌 群 影 响 明 显；克 林 霉 素 对 厌 氧 菌 作 用 强，主 要 通 过 胆汁排泄，所以对肠道菌群影响显著。不 同 抗 生 素 对 肠 道 菌 群 构 成 的 影 响 周 期 不 同。基 于 高通 量 测 序 社 区 评 估 方 法 的 初 步 研 究 表 明，在 使 用 广 谱 抗 生 素环 丙 沙 星 治 疗 后，健 康 成 年 人 肠 道 中 多 达 30 细 菌 的 丰 度 受到 影 响，包 括 菌 群 的 数 量 和 种 类，但 用 药 后 1 个 月 受 影 响 的 肠道 菌 群 会 恢 复 1。另 有 两 个 早 期 研 究 观 察 了 阿 莫 西 林 和 克 林霉 素 对 肠 道 菌 群 构 成 和 多 样 性 的 短 期 影 响 2-3，且 菌 群 多 样 性短 期 损 伤 并 不 影 响 肠 道 功 能。近 期，一 项 66 名 健 康 成 人 的 随机 安 慰 剂 对 照 临 床 试 验，公 布 了 接 受 环 丙 沙 星、克 林 霉 素、阿莫 西 林、米 诺 环 素 或 安 慰 剂 标 准 疗 程 治 疗 后 随 访 的 研 究 数据，研 究 表 明，用 药 1 个 月 后，肠 道 菌 群 即 恢 复 正 常，仅 克 林 霉素对 肠道 菌群 的影 响超 过 4 个月。1 年后，与安 慰剂 对照 组相比，任 何 抗 生 素 均 对 肠 道 菌 群 无 显 著 性 影 响 4。除 了 短 期 效应 外，有 研 究 报 道 头 孢 菌 素 和 克 林 霉 素 对 肠 道 菌 群 组 成 可 测量的长期变化（抗生素接触后 1 2 年）3,5。抗 生 素 对 不 同 人 群 肠 道 菌 群 的 影 响 不 同 6。对 于 新 生儿，出 生 方 式（顺 产 或 剖 腹 产）、早 产 和 早 产 儿 抗 生 素 的 使 用均 会 影 响 婴 幼 儿 肠 道 菌 群 构 成。此 外，孕 期 或 分 娩 期 使 用 抗生 素，其 后 代 肠 道 菌 群 种 类 减 少 或 改 变。有 研 究 表 明，孕 妇为 预 防 产 后 B 型 链 球 菌 感 染 服 用 抗 生 素，会 对 新 生 儿 肠 道 菌群第一 次定植 产生影 响，与正常 新生儿 相比，其双歧 杆菌（Bidobacteria）丰 度 明 显 减 少，整 体 多 样 性 下 降 7；对 于 幼 童，流 行病 学 研 究 表 明，在 生 命 早 期 使 用 抗 生 素，尤 其 是 大 环 内 酯 类抗 生 素，会 导 致 个 体 哮 喘、肥 胖 以 及 代 谢 性 疾 病 风 险 增 加，因此 大 环 类 酯 类 抗 生 素 应 避 免 儿 童 使 用 8-9。芬 兰 最 近 的 一 项142 名 儿 童 的 研 究 支 持 了 这 一 观 点，即 早 期 儿 童 抗 生 素 使 用通 过 改 变 肠 道 菌 群 构 成 影 响 临 床 表 型 10。另 外，健 康 个 体（至26科技导报 2017，35（21）少 3 个 月 内 未 接 受 抗 生 素 治 疗 的 健 康 成 年 人）间 肠 道 菌 群 的动 态 和 弹 性 行 为 会 导 致 抗 生 素 对 不 同 个 体 肠 道 菌 群 的 影 响存 在 巨 大 差 异。而 对 于 肠 道 菌 群 本 身 更 不 稳 定 的 个 体，如 短期 内 接 受 多 个 抗 生 素 治 疗 的 群 体、年 轻 人 或 老 年 人 等，抗 生素对肠道菌群的影响将会呈现出更为复杂的变化（图 1）11。2 抗 生 素 破 坏 肠 道 定 植 抗 力 影 响 菌 群 类 别 及 其 代谢活动Bohnhoff 和 Miller 在 50 多 年 前 提 出 了 肠 道 定 植 抗 力（col onization resistance，CR）的 概 念，认 为 肠 道 内 的 原 籍 菌 群 或 称之 内 源 性 专 性 厌 氧 微 生 物 群 落 具 有 抑 制 消 化 道 中 外 籍 菌 群（主 要 属 需 氧 菌 群、兼 性 厌 氧 菌 群、包 括 潜 在 致 病 菌 群）数 量的 能 力，这 种 由 肠 道 正 常 菌 群 提 供 的 对 致 病 菌 和 潜 在 致 病 菌在 肠 道 中 定 植 和 增 殖 的 抵 抗 性 被 称 为 定 植 抗 力。许 多 试 验证 明，动 物 肠 道 中 的 正 常 菌 群 对 外 来 细 菌 的 大 量 增 殖 有 着 很强 的 抑 制 作 用，即 使 在 免 疫 系 统 受 到 损 害（辐 射）后 仍 然 如此。动 物 失 去 肠 道 菌 群 后，其 他 细 菌（包 括 致 病 菌 和 条 件 性致 病 菌）在 肠 道 中 定 植 并 大 量 增 殖 就 容 易 得 多，因 此 定 植 抗力 极 为 重 要，缺 乏 定 植 抗 力，肠 道 中 的 病 原 菌 或 潜 在 病 原 菌极 易 大 量 增 殖，并 突 破 肠 黏 膜 进 入 组 织 中，最 终 导 致 全 身 感染（图 2）11。目 前，肠 道 菌 群 定 植 抗 力 机 制 还 未 完 全 清 楚，多认 为 与 正 常 肠 道 菌 群 及 其 代 谢 产 物 具 有 灭 菌、营 养 消 耗、免疫激活、肠道化学环境调控等能力有关 12。从 菌 群 来 别 看，艰 难 梭 菌（Clostridium difficile）、耐 万 古 霉素肠球菌（Vancomycin-Resistant Enterococcus，VRE）和多药耐药 的 肠 杆 菌（Multidrug-Resistant Enterobacteriaceae，MRE）感染 均 与 抗 生 素 破 坏 正 常 肠 道 菌 群 定 植 抗 力 有 关。以 艰 难 梭菌 为 例，一 个 健 康、多 样 化 正 常 肠 道 菌 群 对 于 机 体 避 免 艰 难梭 菌 感 染 所 致 相 关 疾 病 至 关 重 要，常 规 抗 生 素 的 使 用 足 以 破坏 宿 主 的 肠 道 菌 群 介 导 的 艰 难 梭 菌 感 染 抗 性，多 种 类 型 抗 生素 均 可 引 起 肠 道 菌 群 巨 大 持 久 的 变 化，从 而 导 致 艰 难 梭 菌 更易 于 感 染。另 外，抗 生 素 治 疗 破 坏 肠 道 定 植 抗 力 会 导 致 大 量VRE 定 植 于 肠 道，该 定 植 并 不 会 引 起 明 显 的 症 状，一 旦 VRE渗 透 肠 道 上 皮 进 入 血 液 循 环，就 会 带 来 严 重 的 后 果。有 研 究报 告 称，粪 便 样 本 中 超 过 30 的 细 菌 为 VRE 时，宿 主 VRE 菌血 症 风 险 增 加 9 倍。此 外，抗 生 素 使 用 与 革 兰 氏 阴 性 肠 杆 菌的 感 染 增 加 也 密 切 相 关。该 类 细 菌 或 定 植 于 肠 道 引 起 肠 炎或 腹 泻，或 进 入 肠 道 上 皮 引 起 全 身 感 染，而 肠 杆 菌 最 大 的 特征 就 是 其 多 药 耐 药 性，治 疗 困 难。恢 复 正 常 的 肠 道 菌 群 是 治疗 上 述 三 大 感 染 的 关 键，“粪 菌 移 植”（fecal microbiota trans plantation，FMT）是 恢 复 肠 道 菌 群 的 重 要 手 段。有 研 究 表 明，粪 菌 移 植 针 对 艰 难 梭 菌 感 染 的 无 复 发 治 愈 率 高 达 90%，远 超过 常 规 抗 生 素 治 疗；目 前 采 用 粪 菌 移 植 针 对 VRE 感 染 的 研 究较 少，有 研 究 表 明 未 接 触 抗 生 素 小 鼠 的 粪 便 移 植 对 VRE 感 染小 鼠 肠 道 的 VRE 定 植 清 除 有 一 定 作 用；在 肠 杆 菌 感 染 中，未接 触 抗 生 素 小 鼠 的 粪 便 移 植 可 快 速 清 除 大 肠 杆 菌 感 染，而 短期 抗 生 素 治 疗 并 无 明 显 效 果。对 于 人 体 而 言，仅 有 少 量 几 例针 对 感 染 治 疗（非 艰 难 梭 菌 结 肠 炎 除 外）的 粪 菌 移 植 疗 法 取注：出 生 后 的 第 1 年，肠 道 菌 群 发 育 发 展 并 影 响 免 疫 系 统 的 成 熟。儿 童 期 和 成 年 期 的 抗 生 素 治 疗 可 能 导 致 一 些 人 肠 道 稳 态 的 长 期 持 续破 坏，如 细 菌 多 样 性 减 少，对 宿 主 生 理 学 功 能 产 生 负 面 影 响。而 在 另一 些 具 有 可 塑 性 肠 道 菌 群 的 个 体 中，菌 群 多 样 性 可 恢 复 并 形 成 稳 定 的肠道稳态。图 1 抗生素对肠道菌群多样性的影响Fig.1 Impact of antibiotics on microbial diversity图 2 肠道定植抗力示意 11 Fig.2 Illustration of intestinal colonization resistance27科技导报 2017，35（21）得一定进展 12。另 有 研 究 表 明，在 成 年 小 鼠 中，尽 管 抗 生 素 可 以 完 全 破坏 小 鼠 内 源 性 肠 道 菌 群，但 肠 道 免 疫 系 统 在 发 育 过 程 中 已 经成 熟，将 人 类 肠 道 菌 群 定 植 于 无 菌 小 鼠 并 不 能 使 小 鼠 恢 复 成熟 的 肠 道 免 疫 系 统，也 不 能 让 小 鼠 产 生 针 对 病 原 体 的 定 植 抗力。人 类 肠 道 菌 群 不 易 渗 透 小 鼠 肠 道 屏 障，在 无 菌 小 鼠 中，就 免 疫 T 细 胞 增 殖 速 率 而 言，小 鼠 肠 道 菌 群 定 植 相 对 于 人 类肠 道 菌 群 定 植 更 有 优 势。这 可 能 与 人 类 和 小 鼠 在 菌 群 类 别上仅存在 15%的相似性有关 13。抗 生 素 的 使 用 除 了 破 坏 正 常 菌 群 肠 道 定 植 抗 力 及 影 响菌 群 类 别 外，对 整 个 肠 道 的 微 生 物 代 谢 环 境 及 该 微 生 态 系 统与 宿 主 之 间 的 相 互 作 用 也 有 影 响。有 研 究 采 用 多 种 组 学 分析 相 结 合 的 方 法 分 析 了-内 酰 胺 类 抗 生 素 作 用 于 人 群 肠 道菌 群 的 动 态 变 化 及 机 制，结 果 显 示，肠 道 菌 群 组 成 以 及 代 谢水 平 改 变 在 抗 生 素 使 用 第 6、11、14 天 最 为 剧 烈。应 用 抗 生素 后 第 6 天 革 兰 氏 阴 性 菌 群 减 少，第 11 天 肠 道 寄 生 菌 群 数 目显 著 减 少，肠 道 微 生 物 的 生 物 多 样 性 和 丰 度 都 达 到 最 低 值。到 第 14 天 革 兰 氏 阳 性 菌 群 开 始 生 长，肠 道 菌 群 多 样 性 有 所 恢复。此 外，肠 道 菌 群 最 主 要 的 代 谢 变 化 发 生 在 应 用 抗 生 素 后的 第 6 天，宿 主 应 激 系 统 激 活，肠 道 菌 群 降 低 对 胆 酸、胆 固醇、激 素 和 维 生 素 的 运 转 和 代 谢。该 项 研 究 表 明，抗 生 素 对肠 道 菌 群 及 其 与 宿 主 间 的 相 互 作 用 产 生 巨 大 影 响，糖 酵 解、丙 酮 酸 脱 羧、三 羧 酸 循 环、谷 氨 酸 代 谢、铁 的 摄 取 等 代 谢 活 动在抗生素停用后也无法立即恢复正常 14。3 抗生素通过影响肠道菌群延缓疾病肠 道 菌 群 的 紊 乱 与 许 多 疾 病 有 关，包 括 过 敏 性 疾 病、自身 免 疫 性 疾 病、代 谢 性 疾 病、细 菌 感 染 和 结 肠 癌 等。肠 道 菌群 失 衡 甚 至 可 通 过 肠-脑 轴（gut-brainaxis，GBA）途 径 与 大 脑实 现 相 互 影 响，与 诸 多 神 经 精 神 疾 病 如 神 经 退 行 性 疾 病、精神分裂症、焦虑障碍和抑郁症的发生具有密切关联 15。抗 生 素 的 使 用 是 一 把 双 刃 剑，在 杀 死 导 致 感 染 的 有 害 细菌 的 同 时，也 损 害 了 正 常 的 肠 道 菌 群，损 伤 免 疫 系 统，使 人 体在 面 对 超 级 细 菌 感 染 时 更 加 脆 弱。但 近 期 科 研 人 员 发 现，抗生 素 可 通 过 影 响 肠 道 菌 群 延 缓 小 鼠 阿 尔 茨 海 默 症 的 进 展：脑内 淀 粉 样 蛋 白 斑 块 的 形 成 和 局 部 神 经 炎 症 是 阿 尔 茨 海 默 病的 关 键 病 理 特 征，在 这 项 研 究 中，研 究 人 员 给 予 APPswe/PS 1 E 9 双 转 基 因 阿 尔 茨 海 默 症 模 型 小 鼠 5 6 月 的 高 剂 量 广谱 抗 生 素 处 理，实 验 结 束 后，对 小 鼠 的 肠 道 菌 群 进 行 分 析，结果 显 示，虽 然 模 型 组 与 对 照 组 在 肠 道 细 菌 的 总 量 上 大 致 相当，但 是 抗 生 素 处 理 后 小 鼠 肠 道 菌 群 的 多 样 性 发 生 了 改 变，同 时，抗 生 素 处 理 小 鼠 的 淀 粉 样 蛋 白 斑 块 下 降 1/2，斑 块 局 部胶 质 反 应 性 减 弱，阿 尔 茨 海 默 症 的 进 展 或 得 到 延 缓。虽 然 导致 上 述 变 化 的 机 制 仍 不 清 楚，但 该 研 究 为 进 一 步 探 索 肠 道 菌群 如 何 影 响 脑 部 和 神 经 系 统 功 能 提 供 了 线 索 16。另 外，近 日瑞 典 隆 德 大 学 的 一 项 研 究 再 次 证 明 了 肠 道 细 菌 与 阿 尔 茨 海默 症 的 关 系。在 这 项 研 究 中，研 究 人 员 首 先 通 过 测 序 细 菌16S rRNA 证 实 了 阿 尔 茨 海 默 症 模 型 小 鼠（淀 粉 样 前 体 蛋 白-APP 转 基 因 小 鼠）与 正 常 小 鼠 具 有 不 同 的 肠 道 细 菌 组 成。然后，为 进 一 步 探 究 肠 道 细 菌 与 该 病 之 间 的 关 系，研 究 人 员 制作 了 无 菌 APP 转 基 因 小 鼠 模 型，与 APP 转 基 因 小 鼠 相 比，无菌 小 鼠 脑 中-淀 粉 样 蛋 白 斑 块 数 量 明 显 更 少。最 后，分 别 将APP 转 基 因 小 鼠 和 正 常 小 鼠 的 肠 道 菌 群 移 植 入 无 菌 的 APP转 基 因 小 鼠，前 者 使 无 菌 小 鼠 脑 中-淀 粉 样 蛋 白 斑 块 数 量 增加明显 17。此 外，1998 年 马 歇 尔 提 出 肠-肝 轴（gut-liver axis，GLA）的 概 念，随 着 研 究 的 深 入，科 研 人 员 发 现 肠 道 上 皮 的 完 整 性、肠 道 与 肝 脏 的 免 疫 防 御 体 系、肠 道 菌 群 的 组 成 等 在 维 持 肠-肝 轴 的 稳 定 与 平 衡 中 具 有 重 要 作 用，一 旦 肠-肝 轴 失 衡 将 会引 起 机 体 病 理 性 改 变，导 致 如 酒 精 性 肝 病、非 酒 精 性 脂 肪 性肝 炎、肝 硬 化、肝 细 胞 癌 等 慢 性 肝 脏 疾 病 的 发 生 发 展，而 当 肝损 伤 发 展 到 一 定 程 度，将 会 反 作 用 于 肠 道，形 成 恶 性 循 环，靶向 肠-肝 轴 成 为 肝 病 治 疗 的 重 要 方 向 18-19。根 据 肠 道 微 生 态对 肝 病 影 响 的 特 点，通 过 益 生 菌 或 抗 生 素 调 整 肠 道 微 生 态 被认 为 是 肝 病 治 疗 的 重 要 补 充（图 3）。如 益 生 菌 可 调 节 肠 道 微生 态 改 善 肝 脏 病 理 状 态，或 通 过 LPS/TLR 4 信 号 通 路 延 缓 非酒 精 性 脂 肪 性 肝 炎 进 展 20；利 福 昔 明 作 为 非 氨 基 糖 苷 类 抗 生素，有 助 于 调 节 肠 道 菌 群，恢 复 肠-肝 轴 稳 态，对 肝 硬 化 合 并自发性腹膜炎和肝性脑病均有较好治疗和预防作用 21-22。4 肠道菌群作为抗生素耐药基因的储存库肠 道 菌 群 是 一 个 庞 大、复 杂 的 微 生 物 生 态 系 统，细 菌 个体 间 紧 密 接 触 更 利 于 抗 生 素 耐 药 基 因（antibiotic resistancegenes，ARGs）通 过 水 平 基 因 转 移（horizontal gene transfer，HGT）在 菌 群 间 传 播，因 此 肠 道 菌 群 组 成 一 个 耐 药 基 因 储 库，可 以 介 导 菌 群 之 间 多 种 耐 药 基 因 持 续、广 泛 传 播。一 项 涉 及（a）正常肠道菌群；（b）益生菌给药后的肠道菌群；（c）抗生素给药后的肠道菌群图 3 益生菌与抗生素作用于肠道菌群示意 23 Fig.3 Modifications of gut microbiota byprobiotics and antibiotics（a）（b）（c）28科技导报 2017，35（21）275 名个 体参 与的 肠道 宏基 因组 分析 显示 了抗 53 种抗 生素 耐药 基 因 的 存 在 24。有 研 究 对 来 自 3 个 国 家（丹 麦、西 班 牙、中国）的 162 名 健 康 人 肠 道 微 生 物 元 基 因 组（metagenome）中 的耐 药 基 因 进 行 了 深 入 分 析：在 含 有 400 万 个 人 体 肠 道 微 生 物基 因 的 数 据 集 中 鉴 别 出 了 1093 个 耐 药 基 因，且 与 人 体 其 他 环境相比，人体肠道微生物中耐药基因的比例最高 25。抗 生 素 直 接 服 用 引 起 肠 道 菌 群 组 成 结 构 改 变，是 导 致 菌群 中 耐 药 菌 株 和 耐 药 基 因 增 多 并 广 泛 分 布 的 主 要 原 因。此外，环 境 耐 药 菌 株 及 其 携 带 的 各 种 耐 药 基 因 也 可 通 过 空 气、水、食 物 链 等 方 式 进 入 人 体 肠 道 而 致 肠 道 菌 群 中 耐 药 基 因 增多。从 未 接 触 过 合 成 抗 生 素 的 美 洲 印 第 安 人，其 肠 道 菌 群 中也 存 在 对 包 括 头 孢 菌 素 在 内 的 28 种 不 同 抗 生 素 耐 药 的 耐 药基 因 26，或 因 为 他 们 食 用 了 含 有 天 然 抗 生 素 的 食 物 或 与 环 境中 的 抗 生 素 残 留 如 土 壤 的 接 触 产 生 了 抗 生 素 耐 药 基 因 27-28。类 似 地，从 未 接 触 过 抗 生 素 的 幼 儿 肠 道 菌 群 中 也 发 现 有 耐 药基 因，或 来 自 母 体 或 从 环 境 中 获 得 29-30。另 外，兽 药 及 农 业 生产 中 抗 生 素 的 使 用 31，全 球 化 和 国 际 旅 行 的 增 加 32，都 会 使 肠道菌群耐药基因传播增加。当 前，人 类 粪 便 随 生 活 污 水 进 入 城 市 污 水 处 理 厂（munic ipal wastewater treatment plants，WWTPs），由 于 人 肠 道 菌 群 中拥 有 大 量 的 抗 生 素 耐 药 基 因，排 泄 污 水 经 过 WWTPs 收 集 和消 化，成 为 耐 药 基 因 聚 集 的 关 键 场 所，也 由 此 将 人 类 活 动 衍生 的 耐 药 基 因 带 入 自 然 环 境。在 中 国，目 前 约 有 3700 多 个WWTPs，日 均 处 理 能 力 达 1570 亿 L。在 每 个 污 水 处 理 厂，数 d万 到 数 十 万 人 的 生 活 污 水 形 成 巨 大 的 生 物 反 应 器，其 中 细 菌和 耐 药 基 因 暴 露 于 相 当 浓 度 的 杀 菌 剂、消 毒 剂 和 重 金 属 清 洁剂 中，这 些 化 学 消 毒 剂 施 加 的 选 择 性 压 力 及 细 菌 群 体 密 集 导致 抗 生 素 耐 药 细 菌 增 加 和 耐 药 基 因 快 速 传 播，使 得 污 水 成 为携 带 和 交 换 耐 药 基 因 的 细 菌 储 存 库。从 这 个 角 度 理 解（排 除农 业 和 工 业 污 水 的 影 响），在 全 国 范 围 对 污 水 中 的 耐 药 基 因进 行 调 研 或 可 提 供 一 种 快 速 有 效 的 方 法 来 评 估 城 市 人 群 的抗 生 素 耐 药 性 负 担。该 研 究 调 研 了 中 国 17 个 主 要 城 市 的 32个 污 水 处 理 厂，共 收 集 了 116 份 城 市 污 水 样 本，从 样 本 耐 药 基因 的 数 量 和 多 样 性 来 看，共 检 测 到 381 个 亚 型 组 成 的 20 个 耐药 基 因 型，其 中 氨 基 糖 苷，四 环 素 和-内 酰 胺 耐 药 基 因 是 3种 最 主 要 的 类 型，占 总 耐 药 基 因 的 54.1；对 于 耐 药 基 因 亚型，编 码-内 酰 胺 酶，磺 酰 胺（sulI）和 四 环 素（tet 40）的 基 因 在所 有 污 水 中 最 常 见。此 外，耐 药 基 因 分 布 显 示 出 不 同 的 季 节性 聚 类，夏 季 样 品 有 373 个 亚 型，冬 季 样 品 有 346 个 亚 型。根据 该 调 研 绘 制 的 ArcGIS 地 图 显 示 了 中 国 行 政 区 城 市 人 口 的抗 生 素 耐 药 基 因 负 担 分 布 情 况，以“胡 焕 庸 线”为 界，中 国 东南 部 地 区 抗 生 素 耐 药 基 因 负 担 高 出 西 北 部 地 区 1 2 个 数 量级，表明人类活动是抗生素耐药的重要驱动因素 33。5 肠道菌群与新型抗生素的发现目 前 全 球 正 在 进 入 后 抗 生 素 时 代。细 菌 感 染 风 险 的 逐渐 升 级 将 使 目 前 看 来 极 为 普 通 的 小 手 术 再 次 成 为 人 类 的 致命 杀 手。而 问 题 严 峻 的 是，一 方 面，利 润 低、盈 利 周 期 长 等 因素 致 使 医 药 企 业 对 新 型 抗 生 素 的 研 发 极 其 缓 慢，目 前 只 有 几家 公 司 正 在 开 发 7 个 候 选 抗 生 素，能 够 治 疗 多 重 耐 药 细 菌，其中 大 部 分 尚 未 进 入 后 期 试 验 阶 段。另 一 方 面 由 于 耐 药 问 题，大 多 数 国 家，尤 其 是 发 展 中 国 家 的 医 院 和 药 房 高 度 依 赖 抗 生素 使 用，致 使 耐 药 性 细 菌 发 展 迅 速 34。目 前 已 有 多 个 新 兴 技术 用 于 新 型 抗 生 素 开 发，如 阻 断 细 菌 侵 袭（毒 力）因 子、抗 体-抗 生 素 药 物 偶 联、特 异 性 筛 选 模 型、合 成 生 物 学、基 因 挖 掘、基于 CRISPR-Cas 系统的抗菌基因疗法等 35。洛 克 菲 勒 大 学 的 研 究 人 员 从 公 共 基 因 数 据 库 中 找 到 存在 人 体 内 的 细 菌 基 因 组，然 后 使 用 专 门 的 计 算 机 软 件 扫 描 数百 个 特 定 编 译 合 成 非 核 糖 体 肽 分 子 的 基 因 簇，这 些 非 核 糖 体肽 是 形 成 许 多 抗 生 素 的 基 础。最 后 使 用 软 件 预 测 基 因 簇 产生 的 分 子 化 学 结 构。通 过 使 用 计 算 方 法 来 选 出 微 生 物 基 因组 中 产 生 抗 生 素 化 合 物 的 基 因，然 后 跳 过 细 菌 培 养 过 程 直 接合 成 这 些 化 合 物 本 身，通 过 测 试 这 些 化 合 物 对 人 类 病 原 体 的反 应，研 究 人 员 成 功 筛 选 出 了 两 种 抗 生 素，将 其 命 名 为 Humi mycin A 和 Humimycin B。两 者 都 发 现 于 一 种 称 为 红 球 菌 属细 菌 中，这 是 传 统 细 菌 培 养 中 从 未 发 现 的 新 抗 生 素 36。DNA测 序 技 术 的 突 飞 猛 进,使 得 基 因 组 挖 掘（genome mining）包 括挖 掘 难 培 养 微 生 物 的 宏 基 因 组（metagenome mining），具 有 更加 快 速 和 低 成 本 的 优 势，提 高 了 发 现 新 型 抗 生 素 的 可 能 性。肠道菌群基因组或可用于新型抗生素的开发。6 结论与展望当 前，新 抗 生 素 开 发 受 限，现 有 的 抗 生 素 仍 会 持 续 运 用各 领 域 中，抗 生 素 耐 药 及 耐 药 基 因 会 持 续 在 各 个 微 生 态 系 统中 广 泛 分 布 和 传 播，人 体 肠 道 复 杂 和 高 密 度 的 微 生 物 组 成 无疑 是 一 个 耐 药 基 因 储 库 以 及 促 进 各 种 耐 药 基 因 转 移 的 场所。在 人 类 和 兽 医 领 域 的 策 略 性 使 用 抗 生 素 是 未 来 预 防 抗生 素 抗 药 性 传 播 的 重 要 手 段，也 可 有 效 预 防 抗 生 素 对 肠 道 菌群的破坏。此 外，肠 道 菌 群 调 节 成 为 治 疗 感 染、抗 击 抗 生 素 耐 药 性的 重 要 方 向，FMT 和 新 型 益 生 元/益 生 菌（prebiotics/probiotics）替 代 疗 法 均 是 有 效 的 治 疗 手 段 6。FMT 将 健 康 人 粪 便 中 的 功能 菌 群，移 植 到 患 者 胃 肠 道 内，重 建 新 的 肠 道 菌 群，实 现 肠 道疾 病 的 治 疗，目 前 被 证 明 能 够 成 功 治 疗 常 规 抗 生 素 难 以 治 疗的 艰 难 梭 菌 感 染（CDI）。近 些 年 随 着 CDI 发 病 率 逐 年 增 高，FMT 在 临 床 的 应 用 也 越 多 越 多，欧 洲 已 就 FMT 临 床 实 践 达 成共 识 37。益 生 元/益 生 菌 替 代 疗 法 相 比 FMT 疗 法，菌 群 类 别 更为 明 确，疗 效 更 稳 定。另 外，细 菌 联 合 治 疗（microbiota thera py）包 括 细 菌 混 合 物 或 特 定 病 原 针 对 性 细 菌、细 菌 素（Bacteriocins）治 疗 细 菌 产 生 的 蛋 白 质 或 肽 类 毒 素，可 以抑 制 类 似 或 密 切 相 关 的 细 菌 菌 株 的 生 长，例 如 羊 毛 硫 细 菌 素等；噬 菌 体（bacteriophages）治 疗 可 以 选 择 性 靶 向 特 定 耐29科技导报 2017，35（21）药 菌 而 不 影 响 肠 道 其 他 菌 群。这 些 方 法 均 是 肠 道 菌 群 调 节、抗生素替代使用的研究新方向 12。面 对 肠 道 菌 群 结 构 独 特 性，研 究 肠 道 共 生 菌 群 包 括 有 益菌 和 条 件 致 病 菌 等 耐 药 菌 株 分 布 情 况，以 及 其 携 带 和 传 播 耐药 基 因 的 方 式 和 途 径 的 差 异，对 于 深 入 了 解 和 控 制 肠 道 菌 群抗 生 素 耐 药 以 及 对 人 体 的 健 康 具 有 重 要 意 义。另 外，抗 生 素可 通 过 影 响 肠 道 菌 群 延 缓 非 感 染 类 疾 病 的 进 展，肠 道 菌 群 在新 型 抗 生 素 发 现 过 程 中 也 具 有 特 别 的 作 用，抗 生 素 与 肠 道 菌群的关系值得进一步深入研究。参考文献（References）1 Dethlefsen L,Huse S,Sogin M L,et al.The pervasive effects of an anti biotic on the human gut microbiota,as revealed by deep 16S rRNA se quencingJ.PloS Biology,2008,6(11):e 280.2 De La Cochetire M F,Durand T,Lepage P,et al.Resilience of thedominant human fecal microbiota upon short-course antibiotic challengeJ.Journal of Clinical Microbiology,2005,43(11):5588-5592.3 Jernberg C,Lfmark S,Edlund C,et al.Long-term ecological impactsof antibioticadministration on the human intestinal microbiotaJ.Inter national Society for Microbial Ecology,2007,1(1):56-66.4 Dethlefsen L,Relman D A.Incomplete recovery and individualized re sponses of the human distal gut microbiota to repeated antibiotic pertur bationJ.Proceedings of the National Academy of Sciences of the Unit ed States of America,2011,108(Suppl 1):4554-4561.5 Zaura E,Brandt B W,Teixeira de Mattos M J,et al.Same exposure buttwo radically different responses to antibiotics:Resilience of the sali vary microbiome versus long-term microbial shifts in fecesJ.Microbi ology,2015,6(6):e 01693-15.6 Langdon A,Crook N,Dantas G,et al.The effects of antibiotics on themicrobiome throughout development and alternative approaches for ther apeutic modulationJ.Genome Medicine,2016,8(1):39.7 Aloisio I,Mazzola G,Corvaglia L T,et al.Influence of intrapartum anti biotic prophylaxis against group B Streptococcus on the early newborngut composition and evaluation of the anti-Streptococcus activity of Bifi dobacterium strainsJ.Applied Microbiology and Biotechnology,2014,98(13):6051-6060.8 Cox L M,Blaser M J.Antibiotics in early life and obesityJ.Nature Re views Endocrinology,2015,11(3):182-90.9 Saari A,Virta L J,Sankilampi U,et al.Antibiotic expos