传说宙斯为了惩罚人类，送给潘多拉一个魔盒作为礼物。潘多拉忍不住好奇心打开了这个盒子，让里面的灾难飞向了人间。如今，咄咄逼人的超级细菌就像潘多拉魔盒里的灾难，向人类伸出了魔爪。我们不禁想问，是谁打开了潘多拉的魔盒？

自从抗菌药物被用于治疗细菌感染以来，细菌对其产生的耐药性便如影随形，它是细菌面对抗菌药剿杀时表现出的一种自我保护的本能。细菌耐药性分为两种类型，一类是固有耐药性，也称为天然耐药或突变耐药，是指基于药物作用机制的一种内在的耐药性。打个比方，这就像空中的敌机天生不怕鱼雷一样，厌氧菌对于氨基糖苷类抗菌药就具有固有耐药性，这是因为氨基糖苷类必须借助氧依赖的转运机制才能进入菌体内，而厌氧菌天生就缺乏此机制。另一类是获得耐药性，指细菌与药物多次接触后，对药物的敏感性降低甚至消失。这类细菌的耐药基因是在与抗菌药对抗中后天获得的。

细菌耐药性就像挥之不去的影子一样，与抗菌药的发现和使用形影相随。这虽然是陈词滥调，听起来未免令人怀疑其有夸张的成分，但也是不可辩驳的事实。实际上，细菌耐药性的起源可以追溯到细菌的进化阶段，它反映了复杂的细菌群落与环境之间的斗争，保证了细菌群落中绝大多数能够繁衍下去，并且使得群落之间相互牵制，整体的生态环境趋于平衡。虽然在抗菌药物问世后，就会有特定的耐药细菌出现，导致早期治疗的失败，但是随着不同种类抗菌药物的快速问世，医生们在后期治疗中还是有许多药物可以使用并能够力挽狂澜。真正造成治疗威胁的是多重耐药细菌。在20世纪70—80年代，包括广谱抗菌药物的不当使用以及医疗技术的进步（如器官移植、癌症化疗）在内的诸多因素加重了细菌耐药的形势，最终的结果是构成强大的选择压力，筛选出多重耐药细菌。

那么下面我们就来详细谈谈多重耐药细菌产生的内因和外因，揭晓潘多拉魔盒打开的玄机。

内因——耐药基因的多态性，是耐药性产生的根本原因。耐药性并不是一个新鲜的产物，它从细菌诞生之日起就存在，天然耐药菌的耐药基因是与生俱来的，有对抗菌药敏感的细菌就会有耐药细菌。加拿大麦克马斯特大学的研究人员从3万多年前的细菌DNA中分离出了耐药基因，这意味着自然界早已有许多现成的细菌耐药基因。

其中，基因突变是细菌获得耐药性的途径之一。细菌繁殖时，遗传物质DNA需要复制，虽然有着碱基配对原则保证其遗传信息复制的正确性，但还是不能避免复制错误现象的出现，在一定的外界环境条件或生物内部因素作用下，DNA在复制过程中发生偶然差错，使个别碱基发生缺失、增添、代换，从而改变遗传信息，这种遗传信息的改变形式就被称作基因突变。一个种群中基因突变的概率约为1/10 ⁵。1个细菌拟核中的DNA约有4 600kb（即有4 600 000个碱基对），如果有100个细菌的话，那么突变位点的数量为4 600 000×100×10 ^-5=4 600个。这个数字非常可观！在庞大的突变数量下，某些位点通过突变获得了新的性状，如耐药性。这种通过基因突变获得的耐药基因可以传递给这个细菌的“后代”。

但是，基因突变并不是唯一的耐药机制，还有许多耐药基因位于细菌的核区之外，主要由质粒、整合子、插入子等遗传元素携带，它们就像交通工具一样，耐药基因可以免费搭车在同辈份的细菌中传播。通过亲子垂直转移和同种或不同种细菌间的水平转移，耐药基因便可以广泛传播，使得细菌的整个大家庭都具有耐药性。

不过，具有耐药性的细菌在通常的环境下并不具备生长优势，因为耐药性使它们的生化过程更加复杂，消耗了更多能量，而在没有选择压力时，细菌趋向于消耗更少的能量。而当放线菌等微生物产生抗生素（编者注：抗生素指由生物所产生的天然抗菌药物。详细内容及定义请见第三章），与细菌争夺生活地盘时，耐药性细菌就具有了生长优势，从而得到繁殖，这是细菌的一种保护机制。在非临床环境中广泛存在着耐药基因是造成耐药菌泛滥的内因。

临床上的抗菌药物滥用、环境中的抗菌药物污染等加剧了耐药菌的泛滥，是超级细菌作恶的外因。细菌耐药的根本原因是基因突变，并不依赖于抗菌药物，但是抗菌药物应用是耐药细菌株被选择和迅速增殖的最重要推手（选择性压力）。在抗菌药的选择压力下，迫使细菌为了适应环境而发生进化，结果是优胜劣汰适者生存，敏感菌被杀死，而耐药菌株过度繁殖。因此在抗菌药的诱导下，耐药菌株对抗菌药的耐药程度会不断增强，直至抗菌药完全无效。

尽管细菌耐药的机制复杂，但是以下基本事实充分证明了抗菌药物应用与细菌耐药的因果关系：①抗菌药物使用量的变化与耐药率变化相平行；②与社区获得性感染相比，医疗护理机构获得性感染的细菌耐药性更常见；③耐药菌株所致的医疗护理机构相关感染与对照组比较，先期接受抗菌药物治疗的比例显著更高；④医院内耐药率最高的科室也是抗菌药物使用率最高的；⑤抗菌药物暴露时间延长，耐药菌定植的可能性增加。因此，抗菌药选择性压力是导致和加速耐药性产生的主要因素。

此外，抗菌药的不合理使用也是一个不可忽略的因素。西方国家的统计数据表明，国外医院抗菌药物使用至少有50%是不合理的。WHO对我国滥用抗菌药物的评估是：97%的病毒性支气管感染患者使用了抗菌药；在初级医疗保健体系中，30%～60%患者使用了抗菌药物。据2006—2007年度全国细菌耐药监测网（CARSS）的监测结果显示，全国医院抗菌药物年使用率高达74%，其中有75%门诊感冒的患者会服用抗菌药物，而外科患者几乎100%使用抗菌药物，同时使用两种以上抗菌药物者达46.9%。而WHO推荐的抗菌药物医院内使用率为30%，欧美发达国家的使用率仅为22%～25%。

除了临床上抗菌药物的滥用外，环境中的抗菌药物污染又构成了另一要素。抗菌药物在农畜牧业中的滥用，促使动物体内产生耐药菌。这些耐药菌通过动物的排泄进入土壤、河流等，进而播散到其他农作物中，使得食用动、植物成为一个庞大的耐药基因储藏库。而这些农作物和动物作为食物被人摄取后，也将耐药菌带入人体，从而造成耐药菌的广泛播散，对人类的健康产生严重威胁。我国每年有近7万吨抗菌药物流入养殖业。市场抽检显示，各种动物性食品中抗菌药物检出率多在20%～30%。在美国，抗菌药物在农牧业中的治疗性应用仅占20%，而预防和促生长应用却占了80%，滥用率达40%～80%。更令人不可思议的是，工业生产中也存在滥用抗菌药物的情况。在中东地区，石油开采过程中使用广谱抗菌药物以防止钻井润滑油泥中细菌生长，导致大量多重耐药不动杆菌产生，进而在伊拉克美军士兵中感染和流行。可见，只有重视抗菌药的合理使用，才能有效减缓细菌耐药性的产生，延长抗菌药的使用寿命。

毛主席说：“外因是变化的条件，内因是变化的根据，外因通过内因而起作用。”可以说，细菌耐药性的产生是由外因——抗菌药物筛选与细菌自身的内因——耐药基因多态性共同导致的（图1.3-1）。内外因相辅相成，由此打开了潘多拉的魔盒，放出了超级细菌这一恶魔。

魔盒既已打开，细菌耐药性肆虐，及至对所有抗菌药物都耐药的超级细菌诅咒般在全球蔓延，那么造成细菌耐药性大肆传播的帮凶有哪些呢？

一方面，可怕的是，细菌对某一种抗菌药的耐药可能并不是这种抗菌药的直接选择结果，而可能是由使用其他抗菌药所致。例如，在铜绿假单胞菌中，氟喹诺酮类的使用选择出了对美罗培南的耐药菌；在不动杆菌中，头孢菌素选择出了对碳青霉烯类的耐药菌……这是因为耐药菌对某一种抗菌药物抵抗的同时，也可对化学结构相似的药物产生交叉性耐药，而同种细菌的各菌株之间及不同种属的细菌之间又可以发生耐药基因的转移，这就导致对结构相似的抗菌药物的耐药和细菌之间的耐药性得以传递，使得耐药性现象像滚雪球一样不断放大。

另一方面，多重耐药菌可以通过医务人员手的接触造成患者之间的医院内传播，还可以通过宿主患者的转移造成从一个病房传到另一个病房、一个医院传到另一个医院，甚至是一个社区传到另一个社区。这样的境遇使得细菌耐药性并不是一个医院、一个地区、一个国家面对的问题，而是一个全球性的防治挑战。全球化给经济市场带来便捷的资本流通，地区间交通的发展也逐渐丰富着人们的生活，早晨在泰山之巅看日出，晚上在泰晤士河畔或香榭丽舍大道品尝异域美食。日趋发达的交通，让人们的出行越来越便捷，24h内可以到达世界上任一地点，这也会让一个地区的耐药菌可以轻易跑到另一个遥远的地方。没有任何一个国家和地区有能力将耐药菌有效遏制在它的边界之内，或者阻止病原体通过旅行和贸易进入本国及本地。便捷的交通使得超级细菌跨地区、跨国界传播频繁发生，可以让超级细菌迅速地播散到世界的任何一个角落。例如，酶型为CTX-M的一种超广谱β-内酰胺酶超级细菌最初仅见于印度，现在流行于包括我国在内的亚洲、南美洲和欧洲国家；产NDM-1的超级细菌，最初在1名59岁的瑞典男性患者尿路和粪便中找到，而这名患者曾经在印度住院治疗，后来在印度、巴基斯坦、英国发现了该种超级细菌，目前携带NDM-1的细菌已经遍布了中国香港、中国内地、法国、美国、加拿大、澳大利亚、荷兰、日本等地。由此可见，超级细菌跨地区传播作用不可小视。

此外，还有一些其他的原因促成了耐药性的加剧和播散，比如抗菌药物开发停滞，和抗菌药物井喷式诞生的时代相比，最近几十年来，作用于新靶点的药物开发研究成果急剧减少，新的抗菌药物乏善可陈。据北京协和医院感染管理科的专家估计，未来10年全新的抗菌药物不会超过3个。新型抗菌药物的研发周期通常在10～12年，而细菌出现耐药性最短只要1～2年时间，抗菌药物的更新远远抵不上细菌耐药性出现的速度，这使得超级细菌日益猖狂，无法控制，让医生“闻菌色变”。再者，随着医学的进步，人群平均寿命的延长，老年患者比例增加；一些大型手术、器官移植、肿瘤化疗等治疗措施成功挽救了许多危重症患者的性命，但术后患者也会处在一种免疫力低下的状态；器官移植受者需服用免疫抑制剂以防移植排斥；肿瘤化疗方案虽然遏制了肿瘤细胞的生长，延长了患者的生存时间，但是也不可避免地使患者的身体虚弱；同时，HIV感染者的数量快速增长等因素导致了免疫力低下人群的增加，使得医院获得性感染更易出现，增加了超级细菌播散的概率，同时也增大了其危害性。此外，一些地区的经济不发达，环境卫生条件差、个人卫生习惯不良等情况也与耐药基因的传播息息相关。抗菌药物在农畜牧业中的滥用也造成了耐药菌的广泛播散。

综上所述，我们用美国疾病控制与预防中心（CDC）向大众介绍耐药菌播散的示意图（图1.3-2），为大家清晰地展现造成耐药菌肆意传播的各种因素和各个环节。

超级细菌造成的感染是世界性的公共卫生问题，需要开展国际性合作进行监测和控制。但是各国对耐药细菌流行的认识存在一定的差异。发展中国家经济条件较为落后、医学知识较为落伍、细菌分离水平低、感染性疾病治疗水平差、滥用抗菌药物现象严重、耐药监测困难，导致无法建立起自己的耐药监测系统，这些是导致目前全球各地耐药菌流行存在差异的原因之一。WHO呼吁全球采取抗耐药菌控制措施，及时了解耐药动态，准确获得细菌耐药资料，从而做好耐药趋势的跟踪和控制，更好地预防和治疗多重耐药细菌引起的感染性疾病。一些国家和地区已经建立了自己的细菌耐药监测性网络，美国于1996年成立了国家抗微生物耐药监测系统（national antimicrobial resistant monitor system, NARMS）；欧洲有欧洲耐药性监测网（European antimicrobial resistance surveillance network, EARSS）；我国也成立了国家卫生健康委员会全国细菌耐药监测网（CARSS），同时还有中国细菌耐药性监测网（CHINET）。然而，我国耐药监测水平同国际水平相比还有一定的差距，缺乏整体系统性，需要政府部门科学干预和大力支持。虽然建立起了监测网络，但是WHO抗耐药菌的控制策略在各个国家执行的力度参差不齐，到目前为止还没有一个国家真正执行了所有干预的建议。

以上种种原因都造成了如今超级细菌遍布全球，给人类健康带来威胁的境况。那么针对如此猖狂的超级细菌，我们有什么办法治疗它们所引起的感染呢？在解答这个问题之前，我们需要先了解细菌产生耐药的机制。

细菌的耐药机制非常复杂，但总体而言，超级细菌逃脱抗菌药物剿杀的诡计共有5种：产生水解酶或钝化酶、靶点的改变或被保护、主动外排、细胞膜通透性改变，以及细菌形成生物被膜（图1.3-3）。

细菌可以通过产生酶来灭活药物。一种是水解酶，可将抗菌药水解，使其失去作用，就像是植物大战僵尸中的豌豆射手一样，不让抗菌药物近身；还有一种是钝化酶，与药物结合后，通过乙酰化、磷酸化等修饰改造了药物构型，使其与细菌靶点结合疏松，宛如冰冻生菜一般，减弱抗菌药物的活性。两种酶都可以通过药物诱导产生。临床上常见的灭活酶或钝化酶主要针对β-内酰胺类、氨基糖苷类、氯霉素类、大环内酯类等抗菌药物。

提到水解酶，其中最著名的莫过于β-内酰胺酶。β-内酰胺酶可按结构分为A、B、C、D四大类，称为Ambler分子结构分类。在Ambler A类β-内酰胺酶中的TEM型β-内酰胺酶是最早发现的，也是种类最多的β-内酰胺酶之一。1965年，该类型β-内酰胺酶从一名叫做Temoneira的患者身上分离出的一株大肠埃希氏菌中发现，并以该患者的名字命名，该酶对氨苄西林具有很强的水解能力。在上文中提到的CTX-M也是一种Ambler A类β-内酰胺酶，目前已成为在不同地区和不同菌种内分布最广，对β-内酰胺类药物影响最大的耐药酶。Ambler C类β-内酰胺酶在临床中又被经常称为AmpC酶。它较其他三类酶更为“狡猾”，表现更为多样：AmpC酶与细菌其他蛋白质分子在结构上十分相似，但功能完全不同；有些细菌会表现出AmpC酶的活性，但是却无法检测到 ampC基因……AmpC酶可以被β-内酰胺类药物诱导，其诱导机制为：β-内酰胺类抗菌药物破坏细菌细胞壁合成，导致一系列的分子效应，使 ampC基因的激活因子的构象发生改变，激活 ampC的转录，最终导致AmpC酶的高表达。不同β-内酰胺类药物对AmpC酶的诱导作用不同：苯唑西林、氨苄西林、阿莫西林和头孢唑林是AmpC酶的强诱导剂和作用底物；头孢西丁和亚胺培南是强诱导剂，但不易被AmpC酶水解；头孢噻肟、头孢曲松、头孢他啶、头孢吡肟、头孢呋辛、哌拉西林和氨曲南对AmpC酶的诱导作用较弱且也不易被水解；β-内酰胺酶抑制剂尤其是克拉维酸对于AmpC酶的抑制能力很弱，但是诱导能力很强。碳青霉烯酶可以水解碳青霉烯类抗菌药物，前文多次提到的NDM-1就是这个家族中的一员，它的出现使得广谱、强效的碳青霉烯类药物“望而却步”，对它无奈叹气。

另一类我们需要谈谈的是钝化酶，其代表是氨基糖苷类钝化酶。说起氨基糖苷类药物可是“大名鼎鼎”，当年以庆大霉素为首的药物，夺去了无数儿童的听力，使得他们听不到春风吹拂柳梢头的微声，感受不到雨天大珠小珠落玉盘的韵律，错过了人世间众多美妙的声音。但是氨基糖苷类对革兰氏阴性杆菌抗菌性能良好，仍然在临床中发挥着重要作用。氨基糖苷类抗菌药物的核心“钥匙”结构（也称之为母核结构）通过与细菌核糖体A位点的“锁孔”部位结合，干扰翻译过程中RNA的识别，从而干扰细菌蛋白质的合成过程，最终导致细菌死亡。但是当细菌产生了氨基糖苷类钝化酶后，可以使氨基糖苷类药物上的氨基或羟基得到修饰，如同武力折断了药物的“钥匙”部位，“钥匙”无法捅入“锁孔”，氨基糖苷类药物与核糖体结合便不再紧密，从而失去了抗菌活性。大多数的钝化酶和氨基糖苷类钝化酶的机制相似，都是修饰药物的某个活性基团，废其武功，使抗菌药与相应的细菌靶位结合困难，不能达到杀菌作用。

每种抗菌药都有各自独门秘笈对付细菌，它们攻击细菌的不同部位以打倒细菌，这些部位称之为药物作用靶点，其攻击的方法就是我们常说的药物作用机制。细菌为了对付抗菌药的“武功”，产生钝化酶使得药物化学结构发生变化，干扰药物与细菌靶点的结合，产生耐药性；还有的细菌并不产生酶去改变药物的化学结构，却通过改造自身的靶点来阻止抗菌药与靶点的结合。

细菌通过改变靶点结构，乔装打扮成另外的模样，逃过抗菌药的法眼。例如，细菌可以对自身16S RNA进行甲基化，使得氨基糖苷类药物不能结合在靶点上发挥抗菌作用。面对相似挑战的还有β-内酰胺类抗菌药物，其作用靶点是位于如同细菌铠甲般的细胞壁上的青霉素结合蛋白（penicillin binding proteins, PBPs）。其参与细菌细胞壁的合成、形态维持和细菌糖肽类结构调整等功能，当β-内酰胺类抗菌药物与细菌靶点PBPs结合后，就会导致细菌破壁而亡。而PBPs靶点的结构可以发生程度不同的改变：单个氨基酸改变仅能引起弱耐药性；多个氨基酸或多种PBPs发生改变会出现高度耐药性；当出现了新的PBPs，意味着可能对于所有β-内酰胺酶类抗菌药物耐药。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）是这一类细菌的典型代表，其体内可以编码另外一种肽聚糖转肽酶——PBP2a，而抗菌药物不能与PBP2a结合，细菌细胞壁合成不受影响，从而逃脱绞杀，使细菌达到对β-内酰胺类抗菌药物耐药的目的。同样作用于细菌细胞壁的万古霉素是治疗革兰氏阳性细菌感染的最后一道防线。而如今，这道防线也被突破了。万古霉素实际上是作用在肽聚糖前体上的D-丙氨酰-D-丙氨酸末端上，抑制转肽酶和羧肽酶的作用，从而干扰细胞壁的肽聚糖合成，导致细菌死亡。一些革兰氏阳性球菌可以用D-乳酸或D-丝氨酸代替原来的D-丙氨酸，改变了万古霉素的作用靶点，干扰了万古霉素的“鉴别”，逃脱了万古霉素的抗菌作用。

有证据表明，细菌在抗菌药物压力下，首先是利用外排机制来降低细菌内部的药物浓度以减少药物对其生存的影响，然后再发挥其他耐药机制来对抗抗菌药物的作用。因此，主动外排是细菌耐药的重要机制，也与临床获得性耐药显著相关。

主动外排泵是存在细菌细胞膜上的一类蛋白质，一般由外膜通道蛋白、融合蛋白和胞质膜外排蛋白3部分组成。通过3个蛋白组成的主动外排泵，耐药菌可以把进入菌体内的抗菌药再驱赶出去。

细菌所携带的最常见的外排泵一般为多药物外排泵，能够将多种药物排出细菌体外，因此也是一种非特异性耐药机制。外排泵主要有5大类：主要易化子超家族（major facilitator superfamily, MFS）、多药和毒物排除（multidrug and toxic efflux, MATE）家族、耐药结节细胞分化（resistance nodulation cell division, RND）家族、小多重耐药（small multi-drug resistance, SMR）家族和ATP结合盒（ATP binding cassette, ABC）家族。这些外排泵的基因大多在细菌的拟核中，高度保守，在进化过程中基本保持不变。

细菌还会改变细胞膜的通透性，关上城门，拒绝药物进入，这是另一种非特异性耐药机制。

细菌的外膜是由脂质双分子层组成的，上面“镶嵌”着孔道蛋白。大多数抗菌药物是亲脂性的，容易通过脂质双分子层进入到细菌内部；而亲水性的药物，如β-内酰胺类药物，则是通过外膜上的孔道蛋白进入细菌内部。有些时候，细菌“忘记”表达孔道蛋白，则表现出对亲水性药物的耐药性。

“狡猾”的细菌还常常为自己穿上“黄金甲”来防身，让抗菌药物难以近身，连城门在哪里都找不到。这个“黄金甲”在医学上称作细菌生物被膜（biofilm, BF），是指细菌黏附于接触表面，分泌多糖基质、纤维蛋白、脂质蛋白等，将其自身包绕其中而形成的大量细菌聚集膜样物。

外部包有生物被膜的称为被膜菌。被膜菌无论其形态结构、生理生化特性、致病性还是对环境因子的敏感性等都与浮游细菌有显著的不同，尤其对抗菌药和宿主免疫系统具有很强的抵抗力，从而导致严重的临床问题，引起许多慢性和难治性感染疾病的反复发作，特征是持续性的炎症和组织损伤。细菌生物被膜黏附在各种医疗器械及导管上极难清除，以致引发大量的医源性感染。常见的可形成被膜菌的细菌有：铜绿假单胞菌、表皮葡萄球菌、大肠埃希氏菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌等，都是医院获得性感染的“惯犯”。被膜菌对抗菌药物的抵抗作用起始于黏附阶段，随着生物被膜的生长增厚而增强，机制可能有：①生物被膜可能减少抗菌药物的渗透，使得更少的抗菌药物进入细菌内部，发挥效用；②生物被膜内细菌新陈代谢较为低下，对抗菌药物不敏感；③生物被膜可能促进产生免疫逃逸现象，使得免疫系统对细菌的杀伤力不足，无法与抗菌药物发挥协同作用。

细菌与抗菌药物这一对战场老“冤家”，从抗菌药物诞生之日起就硝烟不断，此消彼长。我们真的对这些耐药细菌束手无策了吗？所谓道高一尺，魔高一丈，了解了细菌耐药性产生和传播的原因以及耐药性机制，我们能想出针对性的办法控制超级细菌的蔓延吗？下一节，我们来谈谈人类对超级细菌的“作战计划”。