β-内酰胺酶和其它机制介导的细菌耐药

磺胺类药和青霉素在20世纪30～40年代相继被引入临床实践，犹如在暗暗长夜中点亮了一盏明灯，不仅从根本上扭转了感染病肆意蹂躏人类的局面，而且也极大地激发起人们发现更多新抗菌药物的热情和兴趣。在此后20多年时间里，各种新类别抗菌药物及其半合成衍生物如雨后春笋般涌现出来，宛若条条溪流汇聚成滚滚江河。与此同时，制药工业技术的快速提升又使得抗菌药物产量迅猛增加，这就为抗菌药物的广泛应用奠定了坚实的物质基础。各种新抗菌药物的相继问世并用于临床实践不仅直接导致人类感染病死亡率的显著下降，而且也为大幅度延长人类寿命做出了巨大贡献。
在20世纪60年代，人们曾坚信，有了抗菌药物这种先进武器，人类已经牢牢地掌握了同细菌性感染病斗争的主动权，消灭细菌这样小小的单细胞微生物只不过是时间问题。1969年，正是受到大量抗菌药物成功发现的鼓舞，美国军医局局长William H.Stewart曾在美国国会极其豪迈地说：“现在是我们可以合上有关感染性疾病书本的时候了”。不过，这句话现在却成了人类表现幼稚的一句“名言”，说明人类当时对于微生物适应环境变化之惊人能力的认识是何等肤浅！正是在这种乐观情绪的支配之下，人们开始在医院内外不知节制地使用各种被视为“灵丹妙药”的抗菌药物，甚至将其大量地用于现代养殖业。
然而，看似波澜不惊，实则暗流涌动，危险正在酝酿和迫近，而人类却浑然不觉！
抗菌药物大量使用或滥用对于细菌而言无疑是一种致命威胁，细菌面临着“To be,or not to be”的考验。一方面，面对种属灭绝的危险，细菌并没有屈服或退缩，而是遵循着达尔文“适者生存”的基本法则，通过进化出各种不可思议的本领发起反击；另一方面，抗菌药物所施加的选择压力越大，细菌进化为耐药的潜力也就越发强力地被激发出来，牛顿“作用力与反作用力相等”的定律在此得到了意想不到和不受欢迎的印证。人类自然科学史上的两位巨人达尔文和牛顿不幸在此相遇。于是，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐青霉素肺炎链球菌（PRSP）和耐万古霉素肠球菌（VRE）相继出现。当人们忙于同这些耐药革兰阳性菌战斗的同时，革兰阴性杆菌特别是肠杆菌科细菌和非发酵细菌也在不知不觉中实现了异军突起，并篡夺了革兰阳性菌作为院内病原菌的“领导”地位。多重耐药肺炎克雷伯菌变成了非常现实的威胁，曾经是人类“老朋友”的各种不动杆菌菌种也露出了狰狞的面目，泛耐药铜绿假单胞菌更成了患者和医生的梦魇，凡此种种，不胜枚举。曾经，各种耐药细菌和耐药基因只是医院的“专利”，但不幸的是，它们现在也开始频繁地光顾社区，甚至出现了主要在社区流行且毒力更强的耐药菌株，如社区获得性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（CA-MRSA）和产超广谱β-内酰胺酶CTX-M-15的大肠埃希菌。与耐药菌株的传播相比，耐药基因的散播更令人生畏，因为一旦被各种可移动遗传元件（如质粒和转座子）携带，各种耐药基因就可以轻而易举地在菌种内、菌种间、菌属间，甚至在革兰阳性菌和革兰阴性菌之间进行传播，让人防不胜防。
抗菌药物耐药正在一点点地侵蚀着现代抗感染治疗学的基石，并已严重威胁到人类公共健康。人们也曾幻想，对抗各种耐药细菌的全新抗菌药物会源源不断地涌现出来，但残酷的现实却是，人类经过近40年的努力才再次研发出一种具有全新化学结构的抗菌药物——吖恶唑烷酮类的利奈唑胺。原本以为在细菌基因组中寻找抗菌药物全新靶位的尝试和探索会获得丰厚回报，但遗憾的是，各种努力大多以失败而告终。更令人遗憾的是，全世界大多大型制药公司不再对寻找全新抗菌药物感兴趣，转而将人力、物力和财力投向更能长久获取利润的治疗慢性病药物上。近些年来，沮丧和挫败的情绪一直在全世界抗感染领域中弥漫。面对耐药细菌特别是多重耐药革兰阴性菌所致感染，抗菌药物选择的余地越来越小，治疗常常十分棘手，医生有时会被迫使用那些以前已经被废弃且毒性更大的抗菌药物如黏菌素，甚至也会陷入无药可用和束手无策的窘境之中。我们曾在与细菌之间的战争中占有优势，但遗憾的是，我们或许无法取得这场战争的最终胜利。
在耐药细菌特别是革兰阴性病原菌中，多重耐药已不是一种特例，而恰恰是一种“新常态”。很多产超广谱β-内酰胺酶和碳青霉烯酶的革兰阴性杆菌同时也对多种其他类别抗菌药物耐药，如氨基糖苷类、氟喹诺酮类和磺胺类。毫无疑问，在多重耐药表型的贡献上，β-内酰胺酶介导的耐药机制占据着主导地位。诚然，细菌并不是仅仅通过产生各种β-内酰胺酶而耐药，当然还包括一些其他的耐药机制，但不可否认的是，细菌产生β-内酰胺酶是最重要的一种耐药机制，并已严重影响到感染性疾病的化学治疗。按照符合逻辑的推断，比现有β-内酰胺酶底物谱更广和活性更强的，或者说对公共健康构成更大威胁的β-内酰胺酶迟早会出现，我们只是很难预测像这样一种“多才多艺”的β-内酰胺酶会在何时何地出现而已。每念及此都会让人心生畏惧。
然而，与抗菌药物耐药仍在不断发展和广泛散播形成鲜明对照的是，对抗菌药物耐药的担忧以及遏制其发生、发展的呼吁更多体现在专家层面。遏制细菌耐药需要医疗行政管理部门、制药公司、医院管理层、医生、患者，甚至是公众共同努力才有可能奏效。毋庸讳言，掌握着日常抗菌药物处方权的一线临床医生和从事感染控制的医护人员确实肩负着重大责任。只有对细菌耐药机制有着深入透彻的了解，才能在日常遏制细菌耐药出现和散播的工作中做到知其然，也知其所以然。没有认知就不会有行动！
众所周知，β-内酰胺酶介导的细菌耐药涉及极为庞大的知识体系，如微生物学、生物化学和酶学、遗传学特别是细菌遗传学、生物学、种系发生学、检验学、感染病学、流行病学以及抗感染治疗学等。全面系统地掌握这些知识对于每日忙于临床工作的医生和从事感染控制医务人员来说既重要又繁重，其他机制介导的细菌耐药也同样牵涉到复杂的知识体系。笔者正是基于这样一种客观现实编写此书，目的就是在描述各种β-内酰胺酶介导的细菌耐药的同时，也集中地将其他相关耐药知识介绍给读者，使读者既能在微观层面洞悉β-内酰胺酶介导的细菌耐药相关知识的细枝末节，也能在宏观层面上掌握细菌耐药的整体发展趋势，既见“树木”也见“森林”。鉴于很多产酶细菌也对其他一些抗菌药物类耐药，本书也在相关章节中对相应的抗菌药物耐药机制给予了简要的描写和探讨，这会帮助读者更容易理解细菌针对其他抗菌药物耐药的机制。此外，细菌耐药的研究已经发展到这样一个节点：离开了细菌耐药遗传学的研究，细菌耐药机制的研究就变得无所依从；缺乏对细菌耐药遗传学相关知识的了解，人们也不可能真正深刻理解细菌耐药的起源、发展和散播。因此，本书单独辟出一篇专门介绍细菌耐药遗传学基础知识。
有关细菌耐药的研究文献和书籍可谓汗牛充栋，尽管作者力求将国内外主要的相关研究结果介绍给读者，但疏漏之处在所难免。此外，本书中一些观点只代表笔者的心得和认知，不妥之处恳请读者给予批评指正，我将不胜感谢。

编著者
2021年春于北京

本书沿着β-内酰胺酶介导的细菌耐药这条主线，详尽描述了β-内酰胺酶各个家族的起源、命名和分类、水解特性、化学结构、产酶细菌流行病学以及所致严重感染的治疗。此外，本书也全面介绍了其它一些在临床上重要的细菌耐药机制，如青霉素结合蛋白改变、外膜通透性改变、主动外排、质粒介导的喹诺酮耐药以及16S rRNA甲基化酶介导的广谱氨基糖苷耐药等。本书的另一特点是在很多章节中都深度融入了细菌耐药遗传学相关知识，这有助于读者准确理解细菌耐药的发生、发展和散播，做到知其然，更要知其所以然。

第一篇抗菌药物与细菌耐药机制 1
第一章抗菌药物的发展与作用机制 2
第一节名词来源2
第二节抗菌药物的发展概况3
第三节抗菌药物作用机制简介4
参考文献6

第二章β-内酰胺类抗生素的发展和作用机制 7
第一节β-内酰胺类抗生素的分类7
第二节β-内酰胺类抗生素的发展史9
第三节β-内酰胺类抗生素的作用机制11
参考文献18

第三章细菌耐药机制 19
第一节常见病原菌的耐药机制19
第二节特殊的抗菌药物耐药机制21
第三节结语25
参考文献25

第四章β-内酰胺类抗生素耐药机制概述 27
参考文献30

第五章PBP改变介导的耐药 32
第一节耐甲氧西林金黄色葡萄球菌32
第二节肠球菌36
第三节肺炎链球菌38
第四节革兰阴性病原菌41
第五节结语41
参考文献42

第六章外膜通透性改变介导的细菌耐药 45
第一节革兰阴性菌外膜蛋白概述45
第二节孔蛋白的功能特性和种类47
第三节孔蛋白的结构特征48
第四节孔蛋白与细菌耐药49
第五节常见病原菌孔蛋白
改变介导的耐药51
第六节结语56
参考文献56

第七章外排泵介导的细菌耐药 60
第一节细菌外排泵的种类和基本结构特征63
第二节外排泵的外排机制72
第三节临床上一些重要病原菌的代表性外排泵74
第四节外排系统与抗菌药物耐药78
第五节外排机制与其他耐药机制复合存在81
第六节结语82
参考文献83

第八章β-内酰胺酶介导细菌耐药的进化轨迹 86
第一节青霉素酶引发了全球第一次耐药危机86
第二节广谱酶的出现奏响了β-内酰胺酶广泛进化的序曲87
第三节超广谱酶的出现是细菌耐药进化的一个重要分水岭87
第四节抑制剂耐药β-内酰胺酶展现细菌耐药进化的无所不能88
第五节“沉默的”AmpC β-内酰胺酶基因已被唤醒88
第六节碳青霉烯酶是细菌对抗β-内酰胺类抗生素的杀手锏89
第七节β-内酰胺酶进化的总体趋势89
参考文献91

第二篇细菌耐药遗传学基础 93
第九章耐药基因 94
第一节耐药基因在细菌耐药中的核心地位95
第二节耐药基因的起源97
第三节水平基因转移104
第四节耐药基因向病原菌的转移和进一步散播111
第五节结语114
参考文献117

第十章质粒 119
第一节质粒的基本属性120
第二节质粒的分类121
第三节质粒的模块化结构122
第四节质粒与细菌耐药125
第五节结语134
参考文献135

第十一章转座子 137
第一节转座子的分类138
第二节转座子的结构特征139
第三节转座子的转座机制144
第四节转座子与细菌耐药146
第五节结语148
参考文献148

第十二章插入序列 150
第一节插入序列的分类和分布151
第二节插入序列的结构特征152
第三节插入序列的转座机制152
第四节插入序列的功能作用154
第五节插入序列与细菌耐药155
第六节结语161
参考文献161

第十三章整合子 163
第一节整合子的定义164
第二节整合子的结构165
第三节整合子的分类和细菌分布168
第四节基因盒及其结构170
第五节基因盒的插入和切除172
第六节基因盒基因的表达173
第七节整合子的整合机制175
第八节整合子的起源和进化177
第九节整合子与细菌耐药179
第十节结语180
参考文献180

第十四章插入序列共同区 182
第一节ISCR的起源185
第二节ISCR的转座机制187
第三节ISCR与细菌耐药188
第四节结语191
参考文献191

第三篇β-内酰胺酶 193
第十五章β-内酰胺酶的命名 194
第一节β-内酰胺酶命名的历史和现状194
第二节历史性的一酶多名现象199
第三节β-内酰胺酶命名中的争议200
第四节现有β-内酰胺酶命名法的不足200
参考文献201

第十六章β-内酰胺酶的分类 202
第一节β-内酰胺酶分类的“历史”202
第二节Ambler分子学分类体系203
第三节Bush-Jacoby-Medeiros功能性分类体系205
第四节ESBL术语学中的一些争鸣211
第五节新酶的鉴定程序213
第六节结语214
参考文献214

第十七章青霉素酶 216
第一节青霉素酶的组成216
第二节A类β-内酰胺酶的生化特性223
第三节A类β-内酰胺酶的催化机制225
第四节D类β-内酰胺酶概述228
第五节D类β-内酰胺酶的生化特性231
第六节D类β-内酰胺酶催化机制233
第七节结语234
参考文献234

第十八章超广谱β-内酰胺酶概述 236
第一节ESBL出现在抗生素年代236
第二节ESBL家族的起源之谜237
第三节ESBL家族及其成员全球分布不均一237
第四节产ESBL细菌的复合耐药238
第五节ESBL的发展和进化趋势239
参考文献239

第十九章TEM型ESBL 240
第一节TEM型ESBL的出现240
第二节TEM型酶的分子内突变产生多样化ESBL241
第三节TEM型ESBL的水解特性246
第四节TEM/SHV型ESBL的全球流行249
第五节TEM型ESBL的遗传支持252
第六节结语252
参考文献252

第二十章SHV型ESBL 254
第一节SHV型ESBL的出现254
第二节SHV型酶分子内突变产生多样化的ESBL255
第三节SHV型ESBL的水解特性257
第四节SHV型ESBL的底物轮廓和流行病学特征258
第五节SHV型ESBL的遗传学支持259
第六节结语259
参考文献260

第二十一章CTX-M型ESBL 261
第一节CTX-M型ESBL的出现261
第二节CTX-M型ESBL的分类263
第三节CTX-M型ESBL的结构-功能关系267
第四节CTX-M型ESBL的生化特征269
第五节产CTX-M型ESBL的细菌分布271
第六节突变所致CTX-M型ESBL的进化272
第七节blaCTX-M基因的起源278
第八节CTX-M型ESBL的动员（带动转移）282
第九节CTX-M型ESBL的流行病学291
第十节产CTX-M型ESBL病原菌的社区散播298
第十一节结语302
参考文献303

第二十二章较次要的ESBL家族 307
第一节OXA型ESBL309
第二节PER型ESBL314
第三节VEB型ESBL319
第四节GES型ESBL322
第五节其他更少见的ESBL家族326
第六节结语328
参考文献328

第二十三章AmpC β-内酰胺酶概述 333
参考文献335

第二十四章染色体编码的AmpC β-内酰胺酶 336
第一节染色体AmpC β-内酰胺酶的起源和细菌分布336
第二节AmpC β-内酰胺酶的结构和生化特性338
第三节AmpC β-内酰胺酶的水解特征339
第四节AmpC β-内酰胺酶的动力学参数340
第五节AmpC β-内酰胺酶产生的调节342
第六节染色体编码的AmpC β-内酰胺酶的流行病学351
第七节结语352
参考文献353

第二十五章质粒介导的AmpC β-内酰胺酶 356
第一节概述356
第二节各种质粒介导的AmpC β-内酰胺酶家族的发现356
第三节质粒介导的AmpC β-内酰胺酶的种系发生和分簇361
第四节质粒介导AmpC β-内酰胺酶的基本生化特性363
第五节质粒介导的AmpC β-内酰胺酶的遗传学支持364
第六节质粒介导的AmpC β-内酰胺酶的流行病学366
第七节结语370
参考文献370

第二十六章超广谱AmpC β-内酰胺酶 374
第一节概述374
第二节超广谱AmpC β-内酰胺酶的出现375
第三节超广谱AmpC β-内酰胺酶的结构-功能关系376
第四节超广谱AmpC β-内酰胺酶的生化特性381
第五节超广谱AmpC β-内酰胺酶的流行病学382
第六节结语384
参考文献384

第二十七章碳青霉烯酶概述 386
第一节碳青霉烯酶的多样性386
第二节碳青霉烯酶的起源和散播387
第三节产碳青霉烯酶细菌的复合耐药和治疗困境387
第四节碳青霉烯酶的进化趋势388
参考文献388

第二十八章A类碳青霉烯酶 390
第一节概述390
第二节染色体A类碳青霉烯酶391
第三节质粒介导的GES型碳青霉烯酶398
第四节质粒介导的KPC型碳青霉烯酶400
第五节结语416
参考文献416

第二十九章D类碳青霉烯酶 421
第一节概述421
第二节D类碳青霉烯酶的出现和分类424
第三节D类碳青霉烯酶的底物特征434
第四节D类碳青霉烯酶的结构特征和水解机制435
第五节D类碳青霉烯酶的遗传学支持437
第六节D类碳青霉烯酶的流行病学440
第七节结语444
参考文献444

第三十章B类碳青霉烯酶 448
第一节概述448
第二节金属β-内酰胺酶的出现和进化449
第三节金属β-内酰胺酶的分类和分组456
第四节金属β-内酰胺酶的一般性结构特征459
第五节金属β-内酰胺酶的水解机制461
第六节金属β-内酰胺酶抑制剂465
第七节IMP家族465
第八节VIM家族473
第九节NDM家族482
第十节其他较次要的金属β-内酰胺酶家族487
第十一节金属β-内酰胺酶的流行病学488
第十二节产金属β-内酰胺酶细菌所致感染的治疗497
第十三节结语501
参考文献502

第三十一章β-内酰胺酶抑制剂及其复方制剂 505
第一节概述505
第二节β-内酰胺酶抑制剂507
参考文献516

第三十二章针对传统β-内酰胺酶抑制剂耐药的β-内酰胺酶 518
第一节概述518
第二节IRT的出现519
第三节IRS的出现522
第四节CMT的出现523
第五节造成IRT表型的各种氨基酸置换524
第六节IRT的动力学特性525
第七节IRT的流行病学527
第八节结语527
参考文献527

第四篇全球细菌耐药的现况、发展趋势和应对措施 531
第三十三章全球细菌耐药现况和发展趋势 532
第一节各种“超级细菌”纷纷涌现532
第二节多药耐药已经成为“新常态”533
第三节全球化背景下的耐药细菌散播——如虎添翼534
第四节抗菌药物应用和细菌耐药发展趋势的关联性535
参考文献537

第三十四章细菌耐药的全球应对 540
第一节合理应用抗菌药物——知易行难540
第二节全新抗菌药物产品供应线面临断流的风险542
第三节遏制抗菌药物在现代农业领域的应用势在必行543
参考文献546

附录氨基酸简写符号 548