肠杆菌科细菌耐药：机制和临床意义
引用: Iredell Jon, Brown Jeremy, Tagg Kaitlin, 等. 肠杆菌科细菌耐药：机制和临床意义 [J] . 英国医学杂志中文版,2017,20 (12): 715-729.浙江大学医学院附属第一医院
张静、赵丽娜、喻玮、尉骁、牛天水、黄晨、肖婷婷 译，肖永红 校
肠杆菌科细菌对抗生素的耐药，尤其是对β-内酰胺类药物，主要是由携带可以持续表达药物修饰酶的单一基因传播所致。现代细菌耐药的流行经历了从强烈而普遍存在的选择压力伴随着"天然"耐药（例如诱导型染色体酶、膜通透性降低和药物外排），到与可移动的基因库相互协同的转变。以这种方式，耐药性比以前任何时候都更易于为导致脓毒症的常见病原菌，如大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌等细菌所获得。耐药基因传递对宿主细菌表型调节不太明显，这也可以部分解释为什么追踪和控制肠杆菌科细菌碳青霉烯类药物耐药成为严重问题。本篇综述主要通过探讨耐药基因的移动性和固着的潜在机制以及临床意义，以及利用这些移动基因库的有限多样性，找到对抗细菌耐药的突破点和潜在的威胁。同时还对一些矛盾现象、临床推理以及将来发展进行介绍。细菌对某一药物的耐药往往出现在该药物使用后的几年内。这种状况并不让人意外，因为大多数现代抗生素都是直接或间接来源于微生物的产物。为了减少这类耐药的发生，新药在应用到临床之前，应该确认目标病原菌已有的耐药机制。对人类肠道细菌的DNA测序结果发现，有的蛋白与现在重要的耐药酶结构相似；在几百万年前的环境和样品中发现存在与"现代"耐药基因相似的基因。这表明全球的微生态在现代人类发展之前就已经具有无限的能力，可以抵抗任何新的抗生素(图1)。本文将主要集中讨论对现在临床重要的革兰阴性菌，尤其是引起严重脓毒症和感染性休克的大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌等病原菌耐药的管理和控制。还将对细菌种群中耐药的发生、发展机制以及抗菌药物的合理使用管理原则（包括抗菌药物使用策略和感染控制监测）进行探讨。本文重点对β-内酰胺类药物的耐药进行论述，该类药物在临床中尤为重要，特别是在重症感染的治疗中尤其如此，而且在肠杆菌科细菌（例如埃希菌属、克雷伯菌属、柠檬酸杆菌属、沙雷菌属、沙门菌属、肠杆菌属和变形杆菌属）中不断出现的碳青霉烯类药物耐药给未来的治疗带来了很大的威胁。通过参照比较细菌以说明其重要差异；表1列出了常见致病革兰阴性菌和用于治疗相关感染的药物分类。通过PubMed和Medline在我们个人图书馆中检索1980年至2015年之间发表的相关文献。检索词包括"mechanisms"和"resistance"、"ecology"和"resistance"、"horizontal gene transfer"、"treatment"、"carbapenem resistance"。我们首选早期和确定性的参考文献，但是如果同类别相关文献较多的话，则引用最新的高质量综述。我们优先选择与大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌相关的抗生素耐药机制的参考文献，以及已知是可传播的耐药和与广泛使用的氨基糖苷和β-内酰胺类抗生素，特别是第三代头孢菌素和碳青霉烯类药物耐药最相关的参考文献。2014年世界卫生组织关于全球细菌耐药的报告提供了非洲、美洲、东地中海、欧洲、东南亚和西太平洋的概况。产超广谱β-内酰胺酶（ESBL；见词汇表）是导致细菌对青霉素和头孢菌素（表2）耐药的主要原因，并且经常与对其他类型抗生素耐药的机制共同存在。大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌产ESBL的流行率在不同国家有很大差异（图2），可能与抗生素的可获得性和使用限制、废物和水管理，以及生活和医疗的一般标准等因素有关。据有些地方报道，60%或更多的大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌对医院重要的β-内酰胺类抗生素耐药，如三代头孢菌素（例如，头孢噻肟）；旅行者常向低耐药率国家带入耐药。β-内酰胺类和氨基糖苷类（如庆大霉素）抗生素的使用长期以来很普遍，其耐药可被碳青霉烯类（如美罗培南和多尼培南）和氟喹诺酮类（如环丙沙星和左氧氟沙星）克服。然而，来自世界许多地方的临床分离大肠埃希菌中，氟喹诺酮耐药也在半数以上；一些欧洲、东南亚和地中海东部地区对碳青霉烯类也有相似的耐药率。对广谱β-内酰胺类、碳青霉烯类、氨基糖胺类和氟喹诺酮类同时耐药也有较多报道。甚至在严格控制抗生素使用的国家，虽然抗生素耐药不常见，但耐药率似乎也在上升。在加拿大和澳大利亚，大肠埃希菌ESBL表型流行率相比5年前的3%差不多翻了一番。澳大利亚大肠埃希菌临床分离菌株对环丙沙星的耐药率从2010年的5.4%增长到2012年的6.9%，加拿大氟喹诺酮类药物的用量略高于澳大利亚，其环丙沙星耐药率自2007至2011年间从21%上升到了27%。"新"抗生素耐药威胁的首次确认通常来自具有完善卫生系统和实验室诊断国家的旅行回国者，常常推荐对这些具有医疗卫生暴露的旅行者进行筛查。返回荷兰和瑞典的跨国旅行者的ESBL携带率是24%，而这些国家ESBL的基线水平本身很低。据报道，无临床症状的驻阿富汗美国士兵的大肠埃希菌ESBL定植率是驻留美国军人的10倍。长期居住在老年照护机构的居民，他们经常接受医疗保健和抗生素使用，细菌交叉传播较为常见，抗生素耐药率也偏高。许多抗生素耐药数据来自临床（特别是医院），在这里抗菌药物暴露和交叉传播预期发生率高，特别是在资源贫乏地区。然而，同一个地区的耐药率也有差别。例如，最近一项研究显示，在德里附近的农村地区，来自无症状患者的尿液标本无碳青霉烯类耐药，仅有20%大肠埃希菌和10%以下的肺炎克雷伯菌携带ESBL耐药，而抗生素高水平耐药通常来自这个地区的临床分离菌株。这意味着，监控措施的设计和抗菌药物管理以及感染控制措施仍需完善。畜牧业抗菌药物使用、来自医院和工厂的废水及废物可能对耐药起到重要的推动作用。人类和动物的粪便污染环境，在资源贫乏和富足的地区都存在饮用水和环境水携带高耐药性大肠埃希菌的可能。人类病原体抗生素耐药在食物和食源动物中也很常见，家庭宠物可携带类似于人类的多重耐药菌。野生动物也常受到影响，特别是食腐动物如海鸥，是抗生素耐药的重要载体，包括已知的人类病原体的耐药性。判定一个病原体对抗生素敏感或耐药是微生物实验室诊断的重要功能。这主要通过确定MIC（见术语表）来实现，在体外标准化条件下细菌生长会受到此浓度药物的抑制。"折点"针对不同的细菌，定义其敏感、耐药和中介（有时）的标准。这是基于在药物剂量（药代动力学）和作用方式（药效学）的情况下，患者能否达到稳定的MIC，并可以据此预期治疗能否成功。这些预期也可以进一步通过群体MIC正态分布的"流行病学临界值"（见术语表）描述来确定。耐药的MIC预示着抗生素治疗失败，但是敏感的MIC也不能保证治疗成功。体外敏感却治疗失败，可能由于体内（如需要进入脓肿或穿过血脑屏障的部位）抗生素渗透性或活性降低导致，有时候因为细菌群体积聚产生局部高浓度水解酶（"接种效应"；见术语表）导致。此外，当细菌处于迅速生长和代谢的时候,最易受到抗生素的影响（如，在诊断实验室），因为大多数抗生素靶向针对这一过程。然而，临床重要微生物的体内感染生长阶段与体外测定抗生素敏感性时的生长阶段可能有很大不同。细菌生物膜（见术语表）在临床环境中非常常见，广泛存在于非生物表面（包括导管和植入物）以及被细菌感染的人体组织（如骨、软骨和心脏瓣膜）。生物膜中包含处于不同生长阶段的细菌群落，使其容易对那些作用于细菌重塑过程特定阶段的抗生素产生耐药性。生物膜中的敏感菌相对于浮游敏感菌的这种差异，通常导致初期抗生素治疗效果良好的感染复发，或经过几天治疗后失效（图3）。相较MBC值来说，MIC值与临床预后密切相关。MBC指在标准操作规程下，在含有超过该浓度药物的培养基中无法再次分离到活的细菌（见术语表），但是细菌暴露于不能杀灭细菌的抗菌药物浓度下均可以发生适应性改变。MIC和MBC之间可能存在巨大差异，这种差异与细菌种类、药物及生长环境有关，这种差异是由单个细菌适应环境变化产生不同亚群引起的。进化过程中的适应性，导致细菌获得的耐药性，并不一定需要获得新的遗传物质。细菌应对抗生素选择压力的方式（见术语表）包括靶位点改变、药物外排及药物修饰。表3和图4比较了医学上重要的革兰阴性和阳性细菌对常见抗生素的一些重要的适应策略。革兰染色体现了细菌间重要的生物学差异，对于特定的细菌-药物组合，可更准确地预测细菌对药物的适应性策略。革兰阳性细菌相比革兰阴性细菌，其细胞壁结构简单，富含肽聚糖，并且它们的生活方式更加倾向于外部化（例如，金黄色葡萄球菌可在干燥表面上持续存在）。相比之下，革兰阴性菌通常的生活方式是在液相中生存，该类细菌通过调节疏水外膜层而控制可渗透性通道，并且与近邻的信息（包括遗传信息）交换可能更加重要。鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌等革兰阴性细菌可耐受外部毒素丰富且渗透压可变的环境，通常比在哺乳动物肠道等相对受保护的环境中的那些群落密度较大，相互竞争的其他肠杆菌科细菌具有更低的通透性。细菌外膜上的跨膜外排泵对排出胞内作用药物（例如氨基糖苷类、喹诺酮类、四环素类和大环内酯类等）有重要的作用，但对诸如β-内酰胺抗生素的药物几乎没有作用，该类药物作用于细胞质（血浆）膜与疏水外膜层之间的周质。疏水性外膜中的一系列相对非特异性孔（孔蛋白）是革兰阴性菌中β-内酰胺抗生素的主要屏障（图4）。孔蛋白的类型和数量的差异导致适应性较强的鲍曼不动杆菌对碳青霉烯类和头孢菌素抗生素的通透性比铜绿假单胞菌低大约7倍，比大肠埃希菌低大约100倍。这种差异使得我们可以预测细菌对抗生素耐药的方式（图5）。一般来说，那些最适合在医院下水道或医疗设备（不动杆菌属、假单胞菌属，甚至肠杆菌属）上存活的革兰阴性细菌最有可能通过降低外膜通透性和加强抗生素水解、外排系统联合作用产生强耐药表型（图5）。药物修饰是细菌耐药的主要机制之一。染色体编码的青霉素水解酶（如AmpC酶），与在细胞壁重塑过程中有重要作用的青霉素结合蛋白的一般结构具有相似性。这些酶通常存在于医学上非常重要的革兰阴性细菌中，包括肠杆菌和假单胞菌。头孢菌素等β-内酰胺药物及氨曲南作用于细菌时，其染色体编码的AmpC酶很容易被诱导表达。AmpC酶对一些被化学基团修饰过的青霉素（如苯唑西林）水解活性较低，经典的β-内酰胺酶抑制剂（如克拉维酸盐）对其的抑制效果也不明显。对AmpC酶具有较强诱导作用的抗生素（如氨苄西林、第一代头孢菌素），同时也是其最佳的作用底物。在体外实验中，只要检测到该酶类，毫无疑问这些抗生素是无效的。相比之下，诱导作用较差的药物，例如第三代头孢菌素，在体外可表现出有效性，但是由于选择性去阻遏诱导（参见术语表），偶尔会导致体内治疗失效，与野生型菌株相比，该类菌株明显产生过量的该水解酶（见术语表中的ECOFF）。虽然对染色体编码的AmpC酶的诱导表达是复杂多变的，但值得关注的是临床上稳定高水平表达AmpC酶的诱导突变株并不罕见，其可导致临床治疗的失败。因此，相关部门敦促在治疗由细菌引起的感染，尤其是肠杆菌、沙雷菌和枸橼酸杆菌时，需要高度警惕其对头孢菌素产生耐药性。基于这种机制存在，尽管体外药敏试验显示为敏感，微生物实验室仍报告为耐药。一系列编码药物修饰的基因已经出现在可移动基因库中，在组成型启动子中（见术语表）以相对优势的水平表达，并且在大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌等许多细菌之间转移。尽管其他机制（如药物外排或特异性药物消除）可产生有效的耐药性，但如不动杆菌和假单胞菌等环境菌通常也以这种方式获得额外的药物修饰基因，表明该方式是一种有效的适应性策略。遗传基因水平转移的方式随细菌生活方式而变化。例如，霍乱弧菌等海洋性细菌通常以噬菌体转导的方式从细菌病毒中获得有利的性状基因。然而，生活在人类胃肠道中的细菌一般通过直接摄取DNA（转化）或结合质粒（见术语表），而获得相关特性基因（图4）。通过小的遗传元件（例如转座子、整合子和插入序列）的"复制和粘贴"机制，移动基因库从一系列细菌的染色体中获得耐药基因（参见术语表："移动遗传元件"）。只要供体菌和受体菌在共同的生长环境中（如胃肠道）或通过生态链将供体细菌连接到受体细菌上，这些耐药基因若转移到如接合质粒等相关的移动载体中，则可能播散到致病菌株中（图6）。用这种方式"捕获"原始基因是非常少见的，但随后这些基因容易被转移到如质粒这种的适合载体上。一个基因能否成功地进入到可移动基因库与它能否成功地转移到移动载体上，并通过这些载体进入到宿主细菌内的能力有关。迁移能力的增强（如插入到接合型质粒中）对于耐药基因非常关键。虽然耐药基因的突变对于有些菌株可能并不具有生存竞争力，但也会带来更成功的突变菌株，比如，广泛分布的blaTEM和blactX-M基因家族似乎就来源于最初迁移而形成的分布广泛种类繁多的有利表型。稀有的基因捕获和基因迁移构成了耐药的生态屏障，形成了可以被获得和传播的相对较小的基因库，在人类致病菌株之间相互获得和传递。有些耐药基因全球播散，而其他耐药基因却从未在临床中发现。比如，编码三代头孢菌素(www.lahey.org/Studies)或者氨基糖苷类抗生素的耐药基因种类繁多，数量庞大，但是只有少数是常见的，这使得基因型检测对于菌株的耐药具有较大可能。多重耐药基因可存在于单个的耐药质粒或者染色体上。耐药基因的积累以初始的DNA插入为"原始元件"，以此为中心，在染色体组和质粒上形成动态变化、种类丰富的多重耐药区。关于耐药基因累积成多重耐药区有2个重要的推论。两者都在生态学上获得成功。第一个推论是共同遗传序列流行性的增加可能导致新的耐药基因更加容易并入，比如，通过同源重组或者通过基因捕获系统而富集。第二个推论是每个多重耐药区都具有多能性的耐药潜能，使得暴露在一种抗生素下能够筛选出多种耐药基因。例如，庆大霉素耐药基因通常在大肠埃希菌ESBL基因blaCTX-M-15质粒中发现，使用庆大霉素治疗后，经常会将一些庆大霉素和β-内酰胺类抗生素均耐药的菌株共同筛选出来，这使得用一种可替代的抗生素针对一个特定的基因或表型最小化的选择变得越来越困难，因此有必要了解这种协同机制，来指导我们有效地合理应用抗生素。细菌为了更好产生抗生素耐药，通道蛋白、外排泵和诱导型AmpC酶可以被主动调节，但水平获得型基因通常是从插入序列或基因捕获系统内的启动子结构型表达。如在铜绿假单胞菌中一样，大肠埃希菌获得性的氨基糖苷修饰酶也可以稳定地产生重要的氨基糖苷耐药表型，但是对于其他耐药性状并非如此。例如，喹诺酮类耐药QnrB突变体在大肠埃希菌中的耐药质粒上常见，但并不单独产生显著的喹诺酮类耐药表型。这种"条件性的"表型通常与水解β-内酰胺类抗生素，尤其碳青霉烯抗生素的酶有关，这是处方医生必须要考虑的重要因素。大多数主要的β-内酰胺酶如CTX-M型ESBL酶水解主要的药物靶点（如头孢噻肟），这种机制导致临床上抗生素耐药，而不需要其他诸如把抗生素从细菌细胞中移除或限制抗生素进入细胞的机制参与。因此，这些酶可以用来预测细菌对抗生素耐药的程度，即使在大肠埃希菌这种抗生素高通透的菌株中也是如此。通常临床微生物室的报告只把病原菌简单地划分为敏感菌和耐药菌，但是对于MIC超过药敏折点的变化范围从来没有报道过。这种简单的二分类报告容易在那些产碳青霉烯水解酶的肠杆菌科中引起混乱。比如，在产金属β-内酰胺（MBL）酶IMP-4大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌中，碳青霉烯类抗生素的MIC通常低于药敏折点值，除非存在如膜孔蛋白缺陷这种因素。同样，低渗透性鲍曼不动杆菌中，OXA-24酶与碳青霉烯耐药有关，但并不与大肠埃希菌中的抗生素耐药水平有关，这可能导致治疗失败。与之相反，肺炎克雷伯杆菌的碳青霉烯酶（KPC）几乎总是与显著的碳青霉烯耐药相关，这常常与这种肺炎克雷伯菌的表型不断增强有关（见下文）。此外，碳青霉烯和其他β-内酰胺类抗生素具有相似的结构，这也意味着许多碳青霉烯类抗生素易受ESBL和AmpC酶的攻击，虽然这种攻击不是很有效，也通常也不会导致MIC的改变以及导致临床治疗的失败。这意味着尽管在相同的宿主菌株中，碳青霉烯酶通常会导致更高的碳青霉烯类抗生素的MIC值，但相比碳青霉烯酶，在膜孔蛋白缺陷的宿主中表达的ESBL和AmpC酶可能是导致临床碳青霉烯耐药的更常见因素。通过质粒之间的交换，细菌经常可以共享基因，这在微生物群组中能够提供巨大的遗传潜力（比如在人类胃肠道中）。除了常见的小的非可移动的质粒，这种"附属基因组"在细菌内通常包含几个不同的大片段、可传播、低拷贝数、大约为60~200 kb的质粒，甚至在从未发现耐药菌株的野生型动物中也存在。该辅助基因组占总基因组的10%或者更大比例（例如在大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌）。这些质粒许多是接合型的（自我转移）或者可移动的（借助于接合型质粒）。接合型质粒可以通过由病原体直接获得质粒或者通过该质粒存在于其中的亚群扩增，在接触一两次抗生素剂量后，能够将危及生命的菌血症和脓毒症细菌从抗生素敏感的菌株转变为耐药菌株。探讨质粒的相关性和确定质粒间关系的具体方法不在本综述的叙述范围内，但质粒复制子分型（见术语表）被认为是决定相容性和质粒的宿主范围的关键因素，即质粒在特定细菌种群中所形成的稳定性。利用同一复制系统的质粒存在不相容性，质粒不相容分群方法已使用了10余年，目前使用较多的是基于聚合酶链反应（PCR）的复制子分型方法。质粒的稳定性和"偏爱"系统与复制子本身相关，可使质粒长期在细菌中存在。复制子分型可以预测特异性的"偏爱"系统（见术语表）（参见"抗生素耐药的生态固有性"部分）。细菌中的天然质粒可以不含有抗生素耐药基因，但可以从其他DNA位点获得（包括其他质粒），这些位点通常是可移动遗传元件的一部分，最初也是从其他地方捕获了该基因。然而，移动元件库中的基因溯源尚不明确，并且，原始基因的时间和环境背景可能与其被首先发现的细菌的来源相距较远。最优势的ESBL基因的典型代表为blaCTX-M-15，其起源可能由移动遗传元件及少量其他遗传物质从肠杆菌科的抗坏血酸克吕沃尔菌（Kluyvera ascorbata）中获得基因，该菌很少在人类中致病。blaCTX-M-15的表达由捕获它的移动元件内的启动子调控，通常是插入序列ISEcp1。导致其全球传播的原因有很多，其不仅存在于不同类型的质粒中，也存在于致病性大肠杆菌的染色体上。这至少部分是与尿道致病性大肠杆菌（例如ST131型）相关，该菌染色体上也携带氟喹诺酮类药物耐药基因。同时，其常位于大肠杆菌中常见的IncF型质粒。由于致病菌株及亚型与耐药决定子之间相关密切，且发现耐药的决定性因素与治疗和控制感染有关，因此开发基于PCR快速检测大肠杆菌ST131亚型的方法具有重要意义。
另一个代表为肺炎克雷伯菌ST258型和KPC型碳青霉烯酶。流行病学调查显示细菌与基因的密切关系可能由质粒介导，该质粒相对具有克雷伯菌属特异性（如InFIIK型质粒），通常携带KPC型耐药基因。值得注意的是，携带KPC基因的肺炎克雷伯菌通常不仅丢失功能性"基质"孔蛋白OmpK35，且与增加耐药表型相关的外膜蛋白OmpK36也会发生重要变化。当大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌ST258亚型均携带KPC基因时，大肠埃希菌的耐药性较肺炎克雷伯菌低。尽管KPC基因的传播主要与碳青霉烯类耐药的克雷伯菌相关，但用表型筛选的方法可能检测不到其在细菌、生物和患者之间的传播。在致病菌如肺炎克雷伯菌和大肠埃希菌种内和种间可见碳青霉烯类耐药基因的传播，许多国家的爆发流行与此相关。然而，与大肠埃希菌相比，碳青霉烯类耐药表型在肺炎克雷伯菌中过表达，可能是大肠杆菌的20倍。这可能与克雷伯菌能相对耐受渗透性的下降，以及其具有土壤和其他环境中"新"耐药基因的生态连接性有关。值得关注的是，环境中长期存在耐药菌，是否与环境中存在低水平抗生素污染、非抗生素选择、耐药基因和移动元件的稳定性以及这些因素的叠加相关。抗生素存在于与人息息相关的环境（河流、废水处理厂、医院、水产养殖厂、农场）中，其即使在较低的浓度下，也可筛选出耐药菌及与之相关的质粒、移动遗传元件和基因，许多成功的耐药决定子在一定大程度上与原核和真核系统的适应性一样常见。耐药菌可以长期悄无声息的在无抗生素选择压力下的微生物组中存在，但已有研究显示，当旅行者回到耐药率较低的国家后，其可在几个月内清除这些耐药菌。在耐药性普遍较高的环境中，粪便更容易携带耐药菌，且一些菌株可能会更容易长期存在。当耐药菌流行较广或在人类定植时，耐药菌（或质粒）被同型的敏感菌株（或质粒）简单地替代，并在微生物种群被稀释的可能性比率较低。有关细菌及质粒如何丢失冗余基因，以及促进强势选择下筛选的基因转移至更稳定的质粒或染色体基因结构中的机制尚不明确。适应性代价、非耐药质粒背景库和耐药基因库（见术语表）都有关键的临界阈值，一旦超过了临界阈值，即使停止使用抗生素，也不可能恢复对抗生素的敏感性。细菌适应性降低常认为是不利于耐药性相关质粒的携带，但适应性方式因特定环境而异，通常是根据体外最佳条件下的生长速度而定。在此条件下，携带耐药性相关质粒的宿主细菌所需要的适应成本较低，或者可快速减轻代价，甚至适应性提高。如上所述，大片段低拷贝的结合性质粒为保持其在细菌中的稳定性，必须确保能在细胞分裂时有效分配，并能毒杀丢失了质粒的细菌（质粒"偏爱"）。在细菌中，这些偏爱系统常见于获得性遗传元件，在结合质粒中广泛存在。在一些大质粒中，偏爱系统可与毒蛋白和不稳定或作用时间短的抗毒素相结合，如果质粒丢失且抗毒素不能产生，细胞则会死亡。一些无此系统的小耐药质粒，为确保分裂后的质粒能配分到每个新细菌中（或杀死无质粒分配的新细菌），似乎需与细菌共进化，从而确保在无抗生素选择压力下也能持续存在。因此，考虑单个菌株类型中的全部群体作为其遗传生态系统是有用处的，其中某些遗传位点被代表各种不同类型并且相互排斥的质粒所占据，在这个范例中考虑到的主要生态参数为- 质粒这类接合元件的宿主范围（不同细菌群体中稳定存在的能力）
在较大的典型接合与偏爱耐药基因的质粒中，它们会相对固定在细菌的辅助基因组中。在革兰阴性细菌中，尤其是肠杆菌科细菌，这个遗传生态系统动力学是当代可传递耐药性流行病学的关键决定因素。遗传生态学的一般概念可以等同于其他可移动遗传元件以及其传播的生态制约。尽管细菌耐药差异可能与宿主菌类型有关，表型筛选获得性耐药是非常高效的，特别与基因方法相结合时更是如此，尤其在耐药特质的传播性有限的情况下。当可传递耐药特质在不同菌种之间广泛传播，并且其存在与特定表型无明显关联时，就需要直接检测可传播耐药特质。目前，最有争议的一个领域是在肠杆菌科中检测到可传播碳青霉烯类耐药。重要的在于区分产碳青霉烯酶的肠杆菌科细菌（CPE）和对碳青霉烯类药物耐药的肠杆菌科细菌（CRE）。临床医师和实验室人员所应用的如何最有效监测和追踪可传递碳青霉烯酶的方法常常基于有限的数据且变化很大（表4，表5）。对患者进行大规模筛查不但耗时且耗财。因此采用针对性的筛查高危人群的妥协办法，这种方法主要针对最有可能携带耐药菌以及并且带来不良预后的人群。现有指南强调在暴发流行情况下筛查接触者的必要性，但是对于所有高危患者（澳大利亚）或所有入院患者（欧洲临床微生物和传染病学会，ESCMID）的筛选标准两者差异较大。一种程序性的方法是仅简单地筛选体外抗生素明显耐药的细菌（比如产KPC肺炎克雷伯菌和产OXA-23鲍曼不动杆菌），就如同在其他细菌中检测不传播的耐药一样。这就意味着可传播耐药在那些只产生低水平抗生素耐药的菌株中很难被发现（如产IMP肺炎克雷伯菌和产KPC大肠埃希菌），这相应地就会导致可传播耐药难于被检测到。此后，在那些具有较高MIC值且对抗生素治疗不敏感的细菌中就可能会发现这些耐药特征。因此，一些部门认为，即使MIC在敏感折点范围之内，也应该报道获得性碳青霉烯酶。显然，我们需要更详细的遗传流行病学数据进行风险利益评估，制定性价比最优的筛选策略。共享基因库的有限多样性会导致得出较高的针对目标基因预测方法的阴性预测值，这种方法显然不会检测到新的耐药机制。目前，大部分实验室推荐进行表型筛选，对超过MIC阈值可能导致临床治疗失败的菌株进行确认。肠杆菌科中碳青霉烯类耐药基因的监测可以通过降低MIC阈值（例如在培养基中使用更低浓度的碳青霉烯类药物），或使用替代表型（例如使用头孢噻肟药敏板来筛查MBL型碳青霉烯酶），或者利用相关性状（例如共同传播氨基糖苷类耐药）等方法加以改进。为了实现筛查目的，理想的相关性状是基因水平上密切相关且持续表达。例如高水平的阿米卡星耐药在大部分国家并不常见，而它经常与blaNDM质粒共存。这样我们就有理由把这种类型的耐药作为检测碳青霉烯类耐药表型可能不是很明显的细菌中blaNDM的一种方法，例如大肠埃希菌。不幸的是，相关的耐药性状要么在感兴趣的细菌中缺失，要么在其他细菌中经常出现，这就使得结果不可靠。用于筛查对特定抗生素耐药或接近耐药菌株的传统药敏试验，可以帮助减少需要通过更直接方法（例如遗传）或者优化组合的方法来进一步测试的目标菌株的数量。特异水解能力测试也是一种直接有效的方法。在探测由新的基因引起的耐药表型方面具有明显优势，但是对于目前利用已知基因的检测方法，它的敏感性较低。在耐药菌株暴发时，确定传播机制是至关重要的。一个极端例子是结核分枝杆菌的耐药变异源自单个核苷酸发生突变，随后产生了新的克隆株并且广泛播散。由于耐药基因的交换并不显著，通过比较基因组（其最高分辨率是确定每个基因组中的DNA序列）来有效追踪其传播途径。与特定的细菌表型有关的单一基因（例如ST258肺炎克雷伯菌中的KPC）也可通过全基因测序获得大量信息，以此获得其传播途径以及检测潜在新出现的细菌类型。另一个极端的例子是具有高度移动性耐药的质粒，其在肠杆菌科中具有广泛的宿主，因而这些质粒的迁移模式决定了耐药的流行病学。细菌易于从庞大基因库中获得基因而大大增强适应能力。如，由质粒持续表达或永久性表达的CMY-2型AmpC β-内酰胺酶已经成为大肠埃希菌AmpC表型的主要来源。一旦通过共享的移动基因库进入到人类的病原体中，耐药特性的传播会加速发展。与具有更多共同质粒类型的肠杆菌科细菌成员相比较，远缘菌属之间（不动杆菌属和埃希菌属）的共享遗传性状较少。尽管如此，质粒宿主范围（能够接受和支持给定质粒的细菌类型范围；参见上文）可以包括完全不同的细菌种类，并且，质粒在关联不同菌种和生态系统之间以及广泛传播耐药性方面起到非常重要的作用。细菌宿主在群体中增强抗菌药物耐药流行的作用，特别是如果该宿主已经由于非耐药原因在生态体系中取得成功情况下，已在上文关于携带有blaCTX-M-15大肠埃希菌ST131和携带有blaKPC肺炎克雷伯菌ST258中加以讨论。在抗生素治疗或肠道炎症时，肠道中的特定菌群扩增可以增强菌群之间质粒的水平转移。理想的可移动耐药性状的完整流行病学特点应该包括以下详细的信息：- 感兴趣耐药基因的遗传背景（相关基因和可移动遗传元件，例如插入序列和转座子；耐药基因是否会出现在单个基因中或存在于复杂遗传单元内）
- 存在携带耐药基因的载体（例如质粒类型和宿主范围或其是否仅存在于染色体上）
- 易接合菌株的流行（可接受这类基因或其载体，并通过诸如膜孔蛋白突变这类途径来增强其耐药表型的菌株）。
应该在医院和社区环境中监测微生物群及其基因库。这对理解这些群体之间的相互作用非常重要，尤其是利用进入人体肠道的"健康"微生物来稀释肠道中的耐药菌群，另外对抗菌药物导向计划和感染控制也有影响（参见"可传播耐碳青霉烯类耐药的检测和取样"部分）。耐药基因库中的特异性载体(尤其是接合质粒)与在细菌耐药调查中发现的细菌亚型（参见上文"人类分离株的细菌耐药性"部分）之间的关系，对于流行病学的研究起到重要的作用，但是目前对此了解不太多。尽管国际上呼吁新的抗生素开发和实施抗菌药物导向计划来"保持现有抗菌药物的完整性和有效性"，但药物公司已放弃无利可图的抗生素研发。不幸的是，即使在严重的脓毒症中，血培养阳性率不到25%，并且临床上经常无法及时获取有效的数据。建立可靠而稳定的现场诊断方案对于脓毒症的治疗和减缓细菌耐药的产生是非常有必要的。细菌耐药率可能会随着药物使用量的减少而降低，并且恰当的抗菌药物导向计划对于降低细菌耐药性和改善个体患者预后有显著的帮助。关于"窄谱"抗生素（用于临床上重要的细菌）对于微生物群落的影响较小的设想并未得到很好地验证，此类假设可能并不正确。一般认为，在临床效果相同的情况下，优先选择"较窄谱"第三代头孢菌素而不是"较宽谱"碳青霉烯类药物或哌拉西林-他唑巴坦。然而，对于微生物群落生态影响的有关数据显示，第三代头孢菌素和头孢吡肟更可能导致铜绿假单胞菌、产ESBL肠杆菌科细菌、多重耐药金黄色葡萄球菌和梭状芽胞杆菌感染。目前尚不清楚什么是"恰当的"抗生素处方，迫切需要在这一领域开展转化研究。实际上，基于治愈为目标、避免耐药的积极抗生素应用颇受争议。因此，抗菌药物导向计划可能比想象中的更加复杂。选择性肠道脱污染使用不经口咽部和肠道吸收的抗生素（选择性口咽部脱污染）联合4天静脉注射给药（通常选用第三代头孢菌素，如头孢噻肟）。该方法可降低抗生素的总体使用率。且报道显示，较其他广泛认可的医疗干预（如心肌梗死的紧急血管成形术），选择性脱污染可使患者的总体病死率下降超过3%~6%。然而，在抗生素耐药高的国家，由于担心存在抗生素耐药性增加的风险，因此这种方法使用抗生素并没有得到推广。静脉给药的累计效应影响可能并不严重，如使用哌拉西林-他唑巴坦可能并不会像头孢噻肟一样造成不利的生态效应。产ESBL细菌感染的控制已经有较好的综述，包括应用青霉素/β-内酰胺酶抑制剂复合制剂（如哌拉西林-他唑巴坦）代替碳青霉烯类药物治疗的这一争议性问题。因此，我们将再次关注CRE这一最具挑战性的临床问题。传统上，基于非碳青霉烯类抗菌药物的治疗方案优先用于CRE的感染治疗。然而，许多没有其他耐药机制的产碳青霉烯酶细菌对碳青霉烯MIC仅高于折点的一个或两个稀释度，其在体内还是可靠的。治疗CRE感染的观察性研究，观察了各种细菌和患者组合，在MIC不是非常耐药的情况下，含碳青霉烯治疗方案患者的病死率也较低。对于那些稍微超过耐药MIC值的细菌，延长输注抗生素方案也可能仍有效。双重碳青霉烯类抗菌药物治疗也可考虑用于产生KPC的肠杆菌科细菌感染治疗，其中厄他培南作为额外的（牺牲）底物被KPC酶水解，避免酶对主要碳青霉烯类的水解。双重β-内酰胺类联合治疗需要评估，其优势即在于它们在单个靶位点是否产生协同作用或在不同的青霉素结合蛋白产生作用（就像利用氨苄青霉素联合头孢噻肟或头孢曲松治疗肠球菌）。对于耐药性产生缓慢或者很难产生的新型抗生素出现十分受欢迎。那些能抑制毒性，而不是杀死微生物的抗生素耐药几率也较少，虽然现在还没找到这类药物，但仍是与目前抗微生物药物联合运用的具有吸引力的候选者。替加环素是一种甘氨酰环素类抗生素，属于四环素类，2005年批准用于腹内感染以及复杂的皮肤和软组织感染。然而，药效动力学和药代动力学特征使其不适合单用于治疗严重腹内感染和医院获得性肺炎。在肠杆菌科中，替加环素耐药性并不少见，特别是在那些携带碳青霉烯酶基因的耐碳青霉烯类抗生素的菌株中，如变形杆菌。英国的一项研究中发现CRE对替加环素耐药率在50%以下。阿维巴坦是一种新型的非β-内酰胺类β-内酰胺酶抑制剂，其能有效抑制KPC和经典的ESBL（A组）、Amp C酶（C组）和OXA-48（D组）β-内酰胺酶，但不能有效抑制金属β-内酰胺酶（B组）。头孢他啶-阿维巴坦复合制剂在腹内感染（联合甲硝唑）和尿路感染的Ⅱ期临床试验中效果良好，同时联用阿维巴坦和氨曲南可能对诸如NDM-1的MBL有前景，其中有易水解氨曲南的ESBL酶存在。Eravacycline是一种新型的含氟四环素类衍生物，能对抗细菌所产生的四环素耐药机制，对包括多重耐药菌和厌氧菌在内的肠道革兰阴性菌具有广泛的抗菌活性，在复杂的腹内感染的治疗中也可能与厄他培南一样安全有效。Plazomicin是一种新型的氨基糖苷类抗生素，可耐受多数氨基糖苷类转移酶和乙酰化酶，但对16S rRNA甲基化酶不耐受，该酶多和NDM共同出现。其他潜在的新药和抑制剂在别处讨论。抗菌肽（Antimicrobial peptides）抗菌肽（AMP）是一类通过多种机制（包括膜孔形成）杀死细菌的小肽类物质，与传统抗生素协同作用。尽管抗菌肽具有多种作用机制在理论上减少了耐药性的产生，但也是植物和动物的天然免疫的一部分，其中发现了其多种耐药机制。提高他们生物利用性和稳定性，降低毒性，使其成为未来可使用的新一类抗菌药物。甲磺酸黏菌素（Colistimethate sodium）甲磺酸黏菌素（黏菌素），于1954年首次发现，通过与细菌外膜中的脂多糖相互作用而具有抗菌活性。它是以浓度依赖的方式杀菌，通过给予"负荷剂量"在早期获得足够的组织浓度可以提高其抗菌效力和减少肾毒性（其影响10%~30%用药者，并且可能与总累积剂量有关）。在CRE感染的治疗过程中，这种药物可以与氨基糖苷类联合使用或者单一使用，其治疗效果与替加环素和碳青霉烯类似。但是，黏菌素的剂量很难控制，临床上其耐药率随着药物的暴露而明显增加。具有类似杀菌活性的新合成物可能毒性较小，但其显示出与甲磺酸黏菌素存在交叉耐药性，目前已经发现一种质粒介导的耐药。磷霉素通过抑制细胞质中的肽聚糖合成发挥抗菌作用。这种抗生素耐受性良好，其单次剂量在尿中能维持72小时的杀菌水平。静脉注射磷霉素也已成功用于危重患者，但几乎总是与另一种药物联合使用。治疗期间可能出现由于磷霉素摄取减少、作用靶位的变异以及磷霉素修饰而产生的耐药性。裂解噬菌体（噬菌体）是在青霉素之前发现的一类细菌病毒，并且在第二次世界大战后得以大力研究，与此同时在西方出现了抗生素及其耐药性。它们具有高度靶向特异性，能和抗生素产生协同作用，在感染靶细菌后会被消耗并消失，所以它们可能在耐药和生物膜感染中有价值。经验性治疗通常需要噬菌体"鸡尾酒"法来克服耐药性，但是其耐药性、靶向性、免疫原性和扩散性等问题必须在其常规使用之前得到解决。内在细菌防御系统，如CRISPR（规律性种属间短小回文序列集合）-Cas9攻击复合体，通常作为适应性免疫防御机制抵抗噬菌体和外源性DNA，可以针对特殊靶向耐药、毒力或其他自体DNA序列，包括噬菌体转移等重新设计。细菌治疗（粪菌微生物移植）恢复肠道微生态的理论正在得到重视。这主要得益于严重的复发性艰难梭菌感染（CDI）腹泻和结肠炎的发病率增加，以及在其他疾病干预过程中的认识。一些抗生素如第三代头孢菌素长期以来被认为与包括艰难梭菌在内的机会性和耐药病原体的定植和感染有关。细菌差异性定植在入住重症监护室的48小时就有发生，并且这些抗生素可能与肠道微生物门浓度平衡的自发恢复率较低相关。因此了解益生菌和抗生素对于肠道微生物的影响是必不可少的。增强对微生物产物、竞争关系、作用底物的认识，并将有限的细菌组合起来，在动力学方向有所建树，这比未来整体粪便微生物群移植更有意义。抗生素的耐药性产生是细菌的自然适应过程，早于现代人类的进化，但可能因为抗生素在医学、农业和环境中的无所不在而加速发展。在抗生素管理和感染的预防上，公共和临床策略的悖论需要我们更精细地了解抗生素对微生物群体和交互作用的影响。共同选择的复杂性、移动元件水平默默地传播及起放大作用的细菌因子的变异性，这些让我们更容易理解为什么肠道细菌中的碳青霉烯耐药性仍时不时令人惊讶。目前，我们对有限抗生素耐药基因库的了解可以用于细菌的诊断和筛选。然而，这强调了在主要病原体，例如大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌中的移动基因库可能持续地促使更多样的抗生素敏感元件丢失，而从基因库释放抗生素抗性基因的能力不清楚。这反过来暗示了在移动基因库中存在"生态临界点"，超过这一点，即使在没有任何特异性选择的情况下，肠道细菌也可能获得多样性有限的抗菌药物耐药质粒。这也强调了我们迫切需要更好地了解移动耐药基因库及其在宿主细菌群体中的相互关系。
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