科学家们发现了一种秘密“开关”，可以让细菌抵抗抗生素——而且几十年来它一直在逃避实验室测试

微生物学家正在探索一种与抗生素耐药性有关的罕见现象，以及它如何改变我们对感染的理解。

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2021年，一名50多岁的男子被转移到亚特兰大埃默里大学医院的重症监护室。由于细菌感染已经扩散到他的血液中，他处于败血性休克状态。罪魁祸首？ 肺炎克雷伯菌，对大多数抗生素具有耐药性。

最后，希望出现了：为期两周的名为cefiderocol的抗生素疗程似乎可以清除感染。但仅仅10天后，这名男子就被紧急送回重症监护室，医生发现他的肝脏上有一个充满脓液的肿块。同样的细菌又卷土重来了。

医生将患者的血样发送给埃默里抗生素耐药性中心的微生物学家David Weiss。韦斯发现细菌现在对头孢地洛具有高度耐药性。

他赶紧通知了医生。但即使在更换抗生素后，该男子还是死亡。

该男子的案例凸显了细菌在与抗生素的军备竞赛中使用的一种难以捉摸的策略——一种隐藏的耐药性，几乎可以立即启动，但不会留下任何遗传痕迹。使用标准实验室测试几乎不可能检测到。研究人员越来越认识到，这种被称为“异抗性”的细菌策略可能在抗生素失败中发挥重要作用。专家表示，认识到这种细菌策略是对抗细菌的第一步。

韦斯告诉《生活科学》杂志：“虽然我们现在正在研究这是一个令人担忧的现象，但从大局和未来来看，我认为我们将能够利用这些知识来极大地帮助患者。”

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一种新的抵抗

几十年来，像韦斯这样的微生物学家认为抗生素耐药性是细菌物种要么具有或不具有的东西。但“现在，我们意识到情况并非总是如此，”他说。

通常，基因决定细菌如何抵抗某些抗生素。例如，细菌可能会获得基因突变，使它们能够通过化学方法禁用抗生素。在其他情况下，基因可能编码阻止药物穿过细菌细胞壁的蛋白质。但异质耐药细菌的情况并非如此。他们在没有真正抗药性基因的情况下击败了旨在杀死他们的药物。当它们没有接触抗生素时，这些细菌看起来就像任何其他细菌。

当典型的抗生素耐药细菌繁殖时，它们会将耐药基因传递给下一代，创造出一大群抗生素耐药菌群，共同对抗治疗。相反，异质耐药菌群中的细菌对抗生素敏感。但在使用一定剂量的抗生素时，一小部分人口（少至百万分之一）可能会产生耐药性并在药物中存活下来，而其余人口则停止生长并死亡。

由于这些耐药细胞中散布着抗生素敏感细胞，因此微生物学家很难检测出耐药细胞。

全球科学家花费数年时间研究异质抗性产生的原因和方式，以便他们能够更好地检测这些细菌。现在，新的线索终于开始出现。

与流氓细菌面对面

Karin Hjort第一次遇到异质抗性是偶然的。大约 10 年前，瑞典乌普萨拉大学的微生物学家 Hjort 正在培养细菌。她逐一注射致死剂量的抗生素，给所有幸存者贴上“耐药”标签，并将其冷冻起来。当她解冻幸存者时，她寻找基因变化或突变，这些变化通常是他们欺骗死亡的能力的基础。

但这一次，当她取出看似耐药的菌株时，她“对它们进行了测序并测序”，“没有发现任何突变”，Hjort Live Science。

霍特无法弄清楚发生了什么事。这些细菌似乎在冷冻后就失去了抵抗力。但随后她发现了一篇已有数十年历史的研究论文，描述了加州大学戴维斯分校的科学家们称为“异抗性”的现象，即一群对抗生素具有抗药性的细菌可能以异常快的速度从细菌中出现。看似易受影响的人群。

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事实上，“异抗性”早在 20 世纪 40 年代就首次被提及。但这种现象的研究非常具有挑战性，如果没有明确的定义，科学家们很难比较他们的观察结果。

“每个人都以不同的方式称呼‘异抗性’——没有可衡量的标准，”加拿大里贾纳大学的微生物学家奥马尔·埃尔-哈尔法伊 (Omar El-Halfawy) 告诉《生活科学》。有些人使用该术语来描述具有不同抗生素耐受水平的多种细菌同时感染一个人的情况。其他人用它来描述两种不同的抗生素敏感性测试给出不同结果的情况。

为了解决这个问题，El-Halfawy 在 2015 年审查了他能找到的每一项描述异质抗性的研究。最终，他认为，当细菌培养物群体中的某些部分能够承受比其他群体高得多的抗生素浓度时，就会出现异质耐药性。科学家于 2015 年采用了这一定义，自此，有关异质抗性的同行评审出版物数量翻了。

欺骗测试

异质耐药菌群中耐药细菌的比例可以是百万分之一到万分之一。这种情况非常罕见，以至于标准临床微生物学测试很容易错过。

“从本质上讲，你要做的就是在易受影响的细胞大海捞针中检测出耐药针，”韦斯说。

虽然细菌经常从对抗生素敏感转变为对抗生素耐药，但这种转变通常以较小的增量发生，并且至少需要几天。对于异质抗性，转变几乎立即。

易感和耐药之间的切换混淆了测试分析。

“每次你培育一种菌株，它的生长都会有所不同，”韦斯说。 “有一天，它可能会出现耐药性；第二天，它可能会变得敏感。事实上，“不一致、不一致的检测结果就像是该菌株具有异质耐药性的一个标志。”

标准的抗生素敏感性测试是这样的：一毫升肉汤中固定密度约 10,000 至 100,000 个细胞的细菌群被给予不同浓度的抗生素，直到它们停止繁殖或停止繁殖。死。

但是，根据 Hjort 的说法，这个过程并不是为了发现异质抗性而设计的。由于这些标准测试仅检测人群范围内的行为，因此会错过异质抗性等极其罕见的现象。 “即使我们使用更多的细菌，误差也是巨大的，”她说。

到目前为止，发现异质抗性的唯一方法称为群体分析分析 (PAP)。为了进行这项测试，微生物学家过夜培养细菌，将一些细菌放在一系列含有不同浓度抗生素的培养皿上，并监测细菌的生长。由于 PAP 涵盖了一系列细菌密度，因此该测试可以发现标准测试通常无法检测到的模式。

但霍特说，这种方法很费力。与 Hjort 合作的乌普萨拉大学研究生 Sofia Jonsson 表示，当额外的变量（例如抗生素类型或细胞密度）添加到方程中时，培养皿的数量会增加三倍或四倍。 。

“如果你做一个大型实验，可能需要 200 个平板进行计数”，每个平板可能有数百个细菌菌落需要计数，Jonsson 告诉 Live Science。由于 PAP 非常繁琐，因此在临床环境中并不常规进行。

Weiss 推测，为了检测异质抗性，未来的测试需要在单细胞水平上监测细菌，并具有百万分之一的细胞分辨率。他说，一些 研究已经朝着这个方向取得了进展，但这些进展尚未进入临床。

这一点至关重要，因为通过快速检测，患有异质耐药细菌感染的患者可以从一开始就接受正确的药物，而不是在医生尝试有效药物之前让病情恶化数天或数周。

破案

由于异质抗性的发生没有永久性的基因突变，Hjort 的团队想知道细菌基因组是否存在暂时的变化可以解释这种现象。

根据 Hjort 的观察，在异质耐药群体中，两组细菌的抗生素耐受性可能至少存在八倍差异。为了找出原因，她进行了测试 少数多重耐药细菌菌株，例如大肠杆菌、肠沙门氏菌、K.肺炎链球菌和鲍曼不动杆菌对抗 28 种抗生素。这些“革兰氏阴性”细菌有一层外膜，可以保护它们免受有毒物质的侵害。在过去 50 年中，没有一种针对革兰氏阴性菌的新型抗生素获得批准。

Hjort 和同事利用全基因组测序技术发现，一些细菌变得具有异质抗药性，因为它们暂时复制了现有基因，从而帮助它们逃避抗生素。

今年早些时候，他们扩大了研究范围，将导致常见皮肤感染的革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌纳入其中。 这些细菌没有外膜，其耐药机制通常与革兰氏阴性菌株不同。

Hjort 和她的团队测试了 40 名含有S. 的患者样本的抗生素耐药性。从丹麦、挪威、西班牙和瑞典的医院患者中分离出金黄色葡萄球菌。标准测试表明所有细菌都可以用所有六种抗生素治疗。

然而，PAP 结果显示对一半以上的抗生素存在异质耐药性。这些细菌缺乏典型的抗生素抗性基因，并且无法像革兰氏阴性细菌那样自发复制具有保护作用的基因。

相反，异质抗性与染色体点突变（各种基因上单个碱基对的变化）相关，如果发生另一个突变，这种突变可能会逆转。目前还不清楚这些突变的作用以及为什么异质抗性似乎只针对某些药物出现。

但异质抗性的出现方式存在差异，具体取决于所涉及的药物和物种，这表明治疗方法需要不同，Hjort 说。

探索仍在继续

科学家们现在报告了细菌对几乎所有类别的抗生素都存在异质耐药性。 Hjort 认为需要更大的临床数据集才能充分理解异质耐药与患者结果之间的联系。

她说，一个好的开始方法是首先正确了解这些细菌如何产生异质抗性。

韦斯同意了。

通过了解作用机制，“我们也许能够开发出可以逆转异质耐药性并使细菌对原始药物敏感的新药物，”他说。“了解你的敌人总是更好。”