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李弘哲正在做實驗。

編者按

近年來，抗生素濫用導(dǎo)致了環(huán)境微生物廣泛耐藥，其中抗生素抗性基因（ARGs）的出現(xiàn)及其在全球范圍內(nèi)的傳播對人類健康及生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定造成了巨大危害。2006 年，ARGs 作為一種新型環(huán)境污染物被正式定義。那么，ARGs是如何傳播的，我們又該如何阻止ARGs傳播？前不久，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所、南京土壤研究所的研究團隊相繼在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了有關(guān)ARGs的研究成果。為此，《中國科學(xué)報》分別進行了采訪。

“如果我們無法在2050年前控制現(xiàn)在的情況，到那時，全球每年因耐藥導(dǎo)致死亡的人數(shù)會上升到1000萬。” 國家衛(wèi)健委抗菌藥物臨床應(yīng)用與細菌耐藥評價專家委員會辦公室主任徐英春表示。

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

“ARGs會隨基因水平轉(zhuǎn)移傳播至病原菌中，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失效。如果一種病原菌獲得了不同類型的ARGs，那么它可能會成為‘超級細菌’，屆時將無藥可用?！苯?，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所研究員崔麗在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示。

但科學(xué)家尚不清楚ARGs從環(huán)境到臨床病原菌的傳播軌跡。

最新一期的《分析化學(xué)》發(fā)表了崔麗團隊一項關(guān)于ARGs水平轉(zhuǎn)移的研究，為預(yù)防高風(fēng)險ARGs的傳播提供了新指導(dǎo)。

阻斷ARGs傳播應(yīng)在源頭

“濫用越多，細菌耐藥性就越強?！盬HO抗微生物耐藥性技術(shù)戰(zhàn)略專家顧問組成員吳永寧表示，抗生素在環(huán)境中大量蓄積，會污染并破壞人類生存的環(huán)境。

“而阻斷ARGs傳播就應(yīng)該從‘源頭’控制?！鄙鲜鲅芯空撐牡牡谝蛔髡?、中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所博士生李弘哲說。

但現(xiàn)實情況是，環(huán)境中存在大量胞外DNA，這些DNA中攜帶的ARGs會通過轉(zhuǎn)化的方式水平轉(zhuǎn)移至人類病原菌中。

當(dāng)然，轉(zhuǎn)化是其中一種常見的方式。“它還會通過菌—菌接觸發(fā)生接合轉(zhuǎn)移過程、噬菌體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程、囊泡介導(dǎo)的轉(zhuǎn)移過程等方式發(fā)生水平基因轉(zhuǎn)移?！崩詈胝苷f，環(huán)境中不同抗生素抗性基因的轉(zhuǎn)移軌跡和傳播風(fēng)險也是不同的。

那么，尋找高效的耐藥風(fēng)險監(jiān)測手段阻控ARGs傳播尤為重要。

研發(fā)新手段能高效識別

“此次研究的轉(zhuǎn)化是一種常見的水平基因轉(zhuǎn)移過程，其重要前提是，有方法能快速準確區(qū)分接收了抗性基因質(zhì)粒的轉(zhuǎn)化子與未接收質(zhì)粒的敏感菌細胞?！贝摞愓f。

在具體研究過程中，該團隊發(fā)展了一種新型的拉曼光譜結(jié)合重水逆向標記的手段，實現(xiàn)了抗生素壓力下抗生素抗性菌與敏感菌的準確區(qū)分，即預(yù)先氘標記的抗性菌在抗生素壓力下會快速代謝體內(nèi)的氘，在拉曼光譜下C-D峰完全消失，敏感菌則反之。

“相比我們之前發(fā)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(yōu)勢，更適于從大量受體細菌中，識別出少量的轉(zhuǎn)化子?！贝摞惐硎?。

并且，由于實現(xiàn)了單細胞水平檢測，該方法還不受細菌可培養(yǎng)性限制，克服了傳統(tǒng)培養(yǎng)方法低估轉(zhuǎn)移頻率的缺點。

研究人員首先將該方法運用到感受態(tài)大腸桿菌與氨芐質(zhì)粒的模式轉(zhuǎn)化體系中，無C-D峰的轉(zhuǎn)化子被拉曼識別和分選，并檢測出了氨芐抗性基因。

“這就說明無C-D峰菌占總菌的比例可作為抗性基因轉(zhuǎn)化風(fēng)險的指標?！崩詈胝苷f。

在此基礎(chǔ)上，該研究團隊又將土壤DNA與感受態(tài)大腸桿菌進行轉(zhuǎn)化實驗，并研究了多種臨床抗生素相關(guān)抗性基因的轉(zhuǎn)移效率。

“我們發(fā)現(xiàn)，氨芐類抗性基因的傳播效率（風(fēng)險）高于環(huán)丙沙星與頭孢拉定類抗性基因。但慶幸的是，最后一道‘防線’美羅培南與萬古霉素類的抗性基因的轉(zhuǎn)移風(fēng)險最低?！崩詈胝鼙硎荆瑔渭毎庾V結(jié)合重水逆向標記的方法能從抗性表型水平研究環(huán)境中可轉(zhuǎn)移的抗性基因的類型以及傳播風(fēng)險，為環(huán)境抗性風(fēng)險評估提供了一個新手段。

期待全面評估傳播風(fēng)險

李弘哲告訴記者，他們遇到的最大困難是，如何驗證拉曼識別的轉(zhuǎn)化子攜帶的抗性基因?！盀榇?，我們利用單細胞分選技術(shù)，將拉曼識別的單個目的細菌進行了分離擴增，并明確了抗性基因的存在，為該方法的可靠性提供了最為直接的證據(jù)?！?/p>

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(zhuǎn)移風(fēng)險的問題。

“我們起初以抗性基因的轉(zhuǎn)移頻率作為衡量指標，但沒有考慮不同質(zhì)粒進入細菌后的適應(yīng)度代價，即攜帶不同質(zhì)粒后，微生物的生長會受到很大影響，從而帶來不同的傳播風(fēng)險?！崩詈胝苷f。

為此，研究團隊納入了孵育過程中細胞增殖這個因素，直接以轉(zhuǎn)化子的豐度作為“轉(zhuǎn)化效率”。由于該方法兼顧了轉(zhuǎn)移頻率和生長速率，轉(zhuǎn)化效率被認為能更準確評估抗性基因的傳播風(fēng)險。

“未來，我們希望圍繞人與環(huán)境大健康這一目標主題，將拉曼光譜結(jié)合重水逆向標記的方法，運用到接合和轉(zhuǎn)導(dǎo)等多種抗性基因水平轉(zhuǎn)移過程的研究，并深入解析哪些環(huán)境抗性基因可以傳播、可傳播抗性基因的宿主來源問題以及這些抗性基因是否與臨床相關(guān)等，進而全面評估不同環(huán)境抗性基因的傳播風(fēng)險?！贝摞愓f。

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