深瞳工作室出品
科技日報記者 符曉波 策劃 趙英淑 滕繼濮
“我家孩子從沒使用過阿奇霉素，咋也耐藥了？”今年8月初，在福建省廈門市思明區(qū)蓮前街道社區(qū)衛(wèi)生服務中心，家長李華向醫(yī)生表達了自己的疑惑。
在兒科門診，患兒家長頻繁向醫(yī)生提出這個問題。事實上，不僅是兒童，很多人都被這個問題困擾。
微生物耐藥性，特別是細菌的耐藥性，已被世界衛(wèi)生組織列為嚴重威脅人類安全的公共衛(wèi)生問題之一。多重耐藥菌的增加和擴散，使標準化治療收效甚微。
“環(huán)境是耐藥基因的儲存庫，也是細菌耐藥性傳播的重要媒介?！敝袊茖W院院士、中國科學院城市環(huán)境研究所所長朱永官在接受記者采訪時表示，諸如抗生素濫用、集約化養(yǎng)殖以及生活污水排放等人類活動，正在加劇環(huán)境中耐藥基因的擴散與傳播，進一步導致人群暴露在耐藥性污染的環(huán)境中。
為解決這一緊迫問題，科學家和公共衛(wèi)生專家積極尋找解決方案，一場微生物界“無硝煙的戰(zhàn)爭”已然打響。
藥物為什么“失效”
抗生素作為對抗細菌感染的關鍵武器，已挽救了數億人的生命。然而，全球范圍內的臨床醫(yī)生如今正面臨一個日益嚴峻的問題：曾經“藥到病除”的藥物對某些細菌開始失去效用。
“比如用于治療支原體肺炎、百日咳等疾病的大環(huán)內酯類一線藥物，治療效果在逐年下降?！鄙虾和t(yī)學中心醫(yī)生張皓經過十多年的臨床觀察發(fā)現，相當一部分患兒應用阿奇霉素治療后，效果走低，病程延長，且肺內病變持續(xù)發(fā)展。
導致這一系列問題的根本原因正是抗生素耐藥性。抗生素耐藥，是指微生物對一種或多種原本有效的藥物產生抵抗能力，即微生物對藥物的敏感性降低，導致正常劑量的抗生素無法發(fā)揮應有的殺菌效果，甚至完全無效。
“如果把抗生素比作長矛，細菌的耐藥基因就相當于盾，能夠防御抗生素的進攻?！睆偷┐髮W附屬第五人民醫(yī)院醫(yī)院感染管理科副主任技師申春梅說，細菌對環(huán)境具有較強的適應能力，產生耐藥性是其進化過程中自然選擇的結果。人類社會對抗菌藥物的濫用，正在加速細菌耐藥性的產生，導致臨床可選擇的抗生素越來越少。這不僅抬高了醫(yī)療成本，也增大了患者的健康風險。
中國細菌耐藥監(jiān)測網的最新報告顯示，2023年上半年，耐藥菌株檢出率呈上升趨勢。其中，被世界衛(wèi)生組織列為抗菌藥物耐藥“重點病原體”的鮑曼不動桿菌，檢出率更是升至78.6%—79.5%，刷新歷史最高值。世界衛(wèi)生組織相關數據顯示，2019年，感染耐藥性細菌直接造成127萬人死亡，間接死亡人數達500萬；預計到2050年，每年將新增約1000萬直接死亡人數，與2020年全球死于癌癥的人數相當。
世界衛(wèi)生組織前總干事陳馮富珍博士曾指出，隨著多重耐藥菌的不斷增加和播散，普通感染也可能成為致命威脅?！斑@并非危言聳聽，當人類遭遇無藥可用的困境時，即便是微不足道的傷口或是呼吸道感染，也可能帶來致命后果?！彼f。
自然環(huán)境成傳播“中轉站”
近年來，如何破解耐藥性問題成為醫(yī)學領域面臨的重大挑戰(zhàn)之一。相關研究圍繞耐藥分子遺傳基礎、轉移機制等方面展開，以期深入理解微生物或細胞如何發(fā)展出抵抗能力，進而開發(fā)出新型藥物、藥物組合、療法以及替代治療手段，應對現有藥物失效的問題。
值得重視的是，即使個體從未使用過抗生素，耐藥情況也可能出現。“耐藥的是細菌，而不是人體?！睆堭┻M一步解釋，耐藥的主體是微生物本身，換句話說，人體僅僅是新型耐藥病菌的宿主。這意味著，耐藥性的產生不僅和個體有關，更和人類群體及環(huán)境密切相關。
在個體層面，長期不當使用抗生素可導致細菌基因突變，進而產生耐藥性。耐藥菌株在群體中通過接觸傳播，使得整個群體都面臨耐藥性風險。而更容易被忽視的是，環(huán)境中殘留的耐藥性基因，會加速耐藥菌株的產生與擴散。
2002年，朱永官在追溯土壤中的砷污染時，意外發(fā)現土壤中的動物糞便里也存在耐藥基因。在養(yǎng)豬場、養(yǎng)雞場，為了讓動物快速生長并防止其感染腸道疾病，飼料中會添加銅、鋅、砷和抗生素等，這些重金屬及抗生素耐藥基因會通過動物糞便排放到環(huán)境中。
“耐藥基因是遺傳信息，可以被復制。”朱永官敏銳地意識到，不同于過去研究的化學污染，由于添加抗生素導致細菌耐藥的生物污染可能是一個更加嚴重的環(huán)境污染問題。很快，朱永官逐漸把研究重心從砷調整到耐藥基因上，當時這一領域的相關研究在國際上尚屬空白。
“環(huán)境中的耐藥基因與醫(yī)學中的耐藥基因一樣，都是一段核苷酸序列，編碼耐藥性狀。但這些耐藥基因可以在‘人—動物—環(huán)境’間擴散，并可能轉移到病原菌中，使病原菌形成新的或者多重耐藥表型，從而影響抗生素療效和人類健康?！敝煊拦賵F隊成員、中國科學院城市環(huán)境研究所研究員蘇建強介紹。
此前，醫(yī)學領域和動物養(yǎng)殖業(yè)已針對耐藥基因開展大量研究。而朱永官團隊開展的研究主要關注環(huán)境中的耐藥基因，其復雜性體現在耐藥基因在環(huán)境中的持久性存留、傳播和擴散等多個環(huán)節(jié)。
“過去，我們主要關注醫(yī)學領域和動物養(yǎng)殖業(yè)抗生素的使用情況，忽略了環(huán)境中的抗生素殘留問題。實際上，河流、土壤甚至飲用水中都能檢測到微量抗生素，自然環(huán)境成為耐藥基因傳播的‘中轉站’。”蘇建強說，環(huán)境在細菌耐藥過程中扮演著不容忽視的角色，因此，解決耐藥性問題不僅需從臨床治療著手，更應將視角擴展到環(huán)境，以全面應對這一問題。
追尋耐藥基因污染源頭
環(huán)境中存在的耐藥基因究竟從何而來？它們又是如何傳播、擴散的？揭示耐藥基因在環(huán)境中的形成與擴散機制，對于控制耐藥性的蔓延至關重要。
系統(tǒng)回答這一科學問題，先要摸清環(huán)境中耐藥基因的“家底”。為此，朱永官團隊在國內開展了一場大規(guī)模采樣調查。團隊先后在全國26個省份采集了152個耕地或森林的土壤樣本；又前往全國17個城市的32個污水處理廠，在城市排水高峰期開展采樣工作，以摸清我國水土中耐藥基因的分布情況。
從土壤和污水樣品中精準“揪出”耐藥基因并非易事。朱永官介紹，首先，環(huán)境中有幾百種甚至上千種耐藥基因，而土壤和水體中的微生物群落又極其復雜，耐藥基因存在于各種微生物體內，這使得分離和鑒定工作難度極大。其次，傳統(tǒng)檢測方法無法準確識別低濃度或新出現的抗生素耐藥基因，這限制了耐藥基因研究的深度和廣度。與此同時，海量的數據需要強大的生物信息學工具來處理，以準確解讀耐藥基因的種類、豐度和潛在傳播模式。
如何對大量環(huán)境樣品中眾多耐藥基因進行快速檢測，成為團隊開展研究的技術難點。為此，團隊搭建了耐藥基因的高通量定量聚合酶鏈式反應（PCR）檢測平臺。這個平臺一次運行可對300多個耐藥基因進行定量檢測，大幅提高了對耐藥基因的篩查和定量分析能力。該平臺借助PCR技術，能大量復制特定的DNA片段，使定量分析更快速和便捷，滿足科學研究的需求。
“我們發(fā)現，有128種抗生素耐藥基因在超過80%的樣本中存在。”朱永官介紹。
檢測平臺的搭建使朱永官團隊在調查中快速取得進展：一是發(fā)現了人類活動與環(huán)境中的抗生素殘存之間存在明顯的正相關關系，在受人類擾動較大的耕地土壤中，抗生素耐藥基因檢出數量及豐度都顯著高于森林土壤，同時，中東部人口密集區(qū)中檢測到的耐藥基因高于人口稀疏地區(qū)；二是基本鎖定集約化養(yǎng)殖場和污水處理系統(tǒng)是環(huán)境中耐藥基因的主要來源。
“我們隨意丟棄的一粒藥片，或者人類或動物服用抗生素后排出的抗性微生物，都會隨著廢棄物進入環(huán)境。”朱永官解釋道，通過微生物循環(huán)系統(tǒng)，耐藥基因從點源擴展到整個生態(tài)系統(tǒng)，使人群暴露在耐藥性污染的環(huán)境中。
在這次情況摸底中，科研人員首次獲得了20種我國環(huán)境中普遍存在的耐藥基因。這對理解耐藥基因的傳播路徑及潛在風險至關重要。
“生物炭”方法阻斷耐藥傳播
找到耐藥基因的污染源頭后，團隊進一步發(fā)現，中水回用和堆肥，會導致土壤中部分耐藥基因的擴散和富集。與此同時，他們發(fā)現，污泥和動物糞肥的長期施用，會增加土壤耐藥基因的多樣性和豐度。
污水處理廠的污泥，需要經過相應的處理才能施用到土壤中，堆肥是主要的處理方法?！拔覀冊詾楦邷囟逊誓軞⑺牢勰嘀械牟≡?，減少耐藥基因。然而，在研究污泥堆肥過程中耐藥基因的變化時，我們發(fā)現堆肥后期耐藥基因反而增多了。”蘇建強說，“我們繼而探討其中可能的原因，這個結果促使我們關注到有機堆肥中的耐藥基因問題?！?/p>
事實上，人類活動排放的抗生素及抗生素耐藥基因與人類、動物、環(huán)境共享一個微生物世界，并通過微生物循環(huán)傳播。
“課題組曾經采集了多個餐館中生食蔬菜沙拉樣品，發(fā)現人們每食用300克的生食蔬菜，可攝入約109數量級拷貝數的抗生素耐藥基因?！敝煊拦俑嬖V記者，這說明用帶有抗性基因有機肥澆灌的蔬菜也會帶有耐藥基因。這些基因會通過食物鏈傳遞到人體。他進一步解釋，環(huán)境中的微生物群落非常復雜，如1克土壤中就含有約10億個微生物，它們之間無時無刻不發(fā)生基因的水平轉移，這一過程使抗生素耐藥基因發(fā)生轉移和擴散。
為解決有機堆肥導致的耐藥基因擴散問題，團隊有針對性地開發(fā)出“生物炭”土壤污染治理方法，即利用600℃及以上的高溫對豬糞或雞糞進行炭化處理，使其中的抗生素和耐藥基因分解。這一原創(chuàng)成果可以在動物糞便進入環(huán)境之前，將其變成生物炭，從而減少土壤中的耐藥基因污染。目前，“生物炭”土壤污染治理方法已經走出實驗室，走上生產線，成為銷往世界的產品。
今年6月，由朱永官領銜的“環(huán)境中耐藥基因的形成和擴散機制”項目榮獲國家自然科學獎二等獎。這一榮譽充分肯定了團隊在耐藥基因環(huán)境污染研究領域取得的成績。
目前，除了“生物炭”土壤污染治理方法，高溫堆肥技術、水體高級氧化技術、電化學技術等的發(fā)展也為管控和減少環(huán)境耐藥基因污染提供了有效手段。此外，噬菌體療法作為一種自然的生物消減技術，為減少環(huán)境中的抗性基因帶來了新的希望與前景。
遏制微生物耐藥任重道遠
作為一類新型微生物污染物，環(huán)境中的耐藥基因日益受到國際社會的關注。2016年，世界衛(wèi)生組織、聯合國糧農組織等明確指出，應啟動全球行動計劃，重點關注耐藥性在“人—動物—環(huán)境”中的傳播和擴散問題。
2022年，我國國家衛(wèi)生健康委、生態(tài)環(huán)境部、農業(yè)農村部等13個部門聯合印發(fā)了《遏制微生物耐藥國家行動計劃》，強調環(huán)境中細菌耐藥性研究的重要性，并要求各政府部門和行業(yè)加強協(xié)作，從多個領域出發(fā)，打出組合拳，共同應對這一挑戰(zhàn)。
那么，究竟該如何應對微生物耐藥風險？
“源頭上把控、過程中控制、末端上修復。”朱永官說，應對微生物耐藥風險，要從這三個層面應對，即源頭上嚴格把控抗生素的使用和污水排放，過程中控制耐藥基因的傳播擴散，在末端則要進行修復治理。
“我們的研究成果發(fā)布以后，受到國內外的廣泛關注?！碧K建強說，團隊發(fā)表的相關研究論文連續(xù)幾年成為被引熱點論文，相關原創(chuàng)成果促使世界各地采取措施。同時，基于團隊構建的高通量定量PCR檢測平臺，我國團隊與英、德、美、澳等國的同行建立了廣泛合作。
目前，科學家已對環(huán)境中耐藥基因進行了一些基礎研究并獲得了一定數據，但對環(huán)境中耐藥基因的全面系統(tǒng)研究仍顯不足。耐藥基因從哪里來、到哪里去、風險如何，以及具體采取哪些應對措施，仍有待科學研究作出系統(tǒng)回答。
“我國是最早發(fā)布和實施《遏制細菌耐藥國家行動計劃》的國家之一。遏制微生物耐藥已經上升到國家安全和重大戰(zhàn)略高度，不再局限于某個行業(yè)或某個專業(yè)領域。”國家衛(wèi)生健康委醫(yī)政司副司長李大川曾表示，由于不同地區(qū)間、不同醫(yī)療機構間的服務能力、管理水平仍存在較大差異，微生物耐藥問題形勢依然嚴峻復雜，還需要進一步強化抗微生物藥物合理應用管理，提高醫(yī)療衛(wèi)生和動物衛(wèi)生專業(yè)人員微生物耐藥防控能力，提升全社會對微生物耐藥的認識水平。
“廢棄物排放導致的抗生素耐藥性，正是人類在微生物世界留下的‘足跡’。我們要做的是盡可能讓這類‘足跡’少一些。”朱永官強調，耐藥基因向活菌再向病原菌過渡、復合污染以及宿主與微生物組之間的相互作用，是人們當前面臨的新挑戰(zhàn)、新課題，科研人員與微生物耐藥性的“戰(zhàn)爭”，仍在繼續(xù)。
