作者：俞胜男，南京农业大学硕士在读，主要研究土壤生物复合污染
一、临床抗生素和新型抗生素的耐药性重叠
二、特定菌种的耐药性进化
为了进一步分析耐药性的发展，适应性实验进化（ALE）结果表明进化后的菌株MIC比祖先菌株提高了64倍，且大多数适应性菌株的MIC超过了临床断点，表明新型抗生素和临床抗生素在耐药性方面同样容易发生突变。
三、抗生素治疗中突变谱的重叠
为明确探索交叉耐药，研究重点关注了拓扑异构酶抑制剂，因为这类药物包括目前临床试验中相当大比例的抗生素。结果表明环丙沙星的耐药突变组合（gyrA和parC）会降低对正在临床开发的其他拓扑异构酶抑制剂（如Delafloxacin和Gepotidacin）的敏感性。这表明耐药性突变可能影响多种抗生素的疗效。
图3 耐药菌株的全基因组测序分析
四、抗生素耐药突变已在环境中存在
五、针对新型抗生素的可移动耐药基因呈现多样性
由于ALE方法无法分析水平转移的耐药机制，研究人员分析了来自环境和临床耐药基因组中的可移动抗生素抗性基因（ARGs）的丰度。创建了三种来源的宏基因组文库：（1）人类活动影响的土壤微生物群落，即印度7个抗生素污染工业地点附近的河流沉积物和土壤样本；（2）人类肠道微生物群落，即来自10个至少一年未曾使用抗生素的欧洲人的粪便样本；（3）68株多重耐药（MDR）细菌的临床微生物群样本。每个文库包含最多500万个DNA片段，覆盖约25Gb数据。使用已建立的功能性宏基因组学协议，检测文库中的小DNA片段。
共识别出690个耐药性DNA片段，耐药性提升最多可达256倍。结果表明，新型抗生素与临床使用的抗生素在耐药基因数量上无显著差异（图4a）。临床微生物群贡献了57.8%的抗药性DNA片段，显著高于土壤和肠道微生物群的贡献（分别为25.5%和24.8%）。在690个DNA片段中，77%与已知的抗性基因具有较高的相似性。
图4 可移动抗性基因的功能宏基因组学分析
六、多重耐药基因普遍存在
研究发现，新型和临床抗生素的抗性基因片段有重叠（图4b），包括具有不同作用机制的抗生素。例如，检测到69个同时对拓扑异构酶抑制剂莫西沙星和四环素类抗生素奥马达环素具有耐药性的基因。分析发现，73.9%的基因组携带baeR和ramA两个关键基因，这些基因可诱导外排泵的表达。通过分析抗生素的结构相似性，发现具有相似结构的抗生素可能共享更多的抗性基因片段（Spearman秩相关，R = 0.43，P < 0.01）。但也有例外，如SPR-206和cefidorecol，它们的抗性基因片段特异性较强。总之，化学结构的变化，特别是影响抗生素作用机制的改变，可能会引起耐药机制的变化。
七、抗性基因的健康风险分析
研究人员基于基因流动性、在人类微生物组中的存在、细菌宿主的致病性抗生素抗性基因（ARGs的健康风险。如果ARG满足其中两个标准，则被认为具有“潜在风险”。分析发现，在所有假定的ARGs中，约20.7%被发现由质粒携带或经历了水平基因转移（HGT）。进一步分析这些ARGs在全球微生物基因目录中的分布，结果显示27.6%的ARG在多个栖息地中都有发现，尤其是在与人体相关的栖息地中，这一比例上升至32.7%，表明人体微生物组可能是新抗生素耐药基因的潜在来源。人体相关的ARGs在人类相关的非生物环境中的出现频率也高于其他ARGs。
在642个ARGs中，24.5%被认为存在潜在风险。这些ARGs预计通过以下组合特征催化病原菌的多重耐药性：具有广泛的宿主兼容性，以及在人类微生物组和病原菌中富集。然而，不同抗生素的潜在风险ARGs频率存在显著差异（图5）。
图5 ARGs风险分析
八、新型抗生素的耐药性依据
理想的抗生素候选药物应具备广泛的抗菌谱、低耐药性发展风险、缺乏移动性抗性基因，并在人体相关的微生物组和病原菌中具有较低的耐药几率。然而，本研究中的所有化合物均未能同时满足这些标准。通过综合分析，研究人员计算出一个综合指标，用于根据抗性谱对新抗生素候选药物进行排名。结果显示，与四环素和拓扑异构酶抑制剂相比，针对细菌膜的抗生素预计在自然环境下对耐药性发展的易感程度更低，但其功效仍有相当大的改进空间。
本研究发现，尽管一些新型抗生素（包括具有双重作用机制的药物）被认为具有较低的耐药性发展倾向，但在体外实验中，它们的耐药性仍然迅速演变。基因突变在实验室进化过程中积累，并且这些突变在临床分离的细菌中也常常存在，表明耐药性可能基于已有耐药菌株的选择和水平基因转移来发展。这表明，在临床和农业中长期使用的情况下，即便是化学结构改进的抗生素，仍可能受到耐药机制的影响。此外，靶向多种细胞功能的抗生素虽被认为不易产生耐药性，但仍可以通过突变产生耐药性。总体来说，研究强调了抗生素开发应考虑耐药性演变的多种机制，不仅要关注易感性指标，还应综合评估抗生素的长期效能和耐药性风险。本研究为新型抗生素的临床评估提供了新的框架，强调了新型抗生素的发现和优化策略，以应对耐药性挑战。
论文信息
原名：ESKAPE pathogens rapidly develop resistance against antibiotics in development in vitro
译名：ESKAPE 病原菌可迅速对正在研发的抗生素产生耐药性
期刊：Nature Microbiology
DOI：10.1038/s41564-024-01891-8
发表时间：2025.1.13
通讯作者：Bálint Kintses、Balázs Papp、Csaba Pál
通讯作者单位：HUN-REN Biological Research Centre,National Laboratory of Biotechnology,Szeged,Hungary
编辑|俞胜男
排版|陶芷欣
审核|江高飞
南京农业大学-土壤微生物与有机肥料团队
微生态与根际健康实验室
Lab of rhizosphere Micro-ecology
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