基因组研究揭示新的耐药微生物基因

基因组研究揭示新的耐药微生物基因

在20世纪，当一种常规感染用标准抗生素治疗时，人们期望能够康复。但随着时间的推移，导致这些感染的微生物已经进化出逃避这些药物的能力。

作者

• Nneka Vivian Iduu

奥本大学病理生物学研究生助理

每年，美国有超过280万例抗生素耐药性感染，导致超过35,000人死亡，医疗保健费用达46亿美元。随着抗生素的效果逐渐减弱，抗菌素耐药性对公共卫生构成了越来越大的威胁。

抗菌素耐药性在1940年代开始成为一个严重的问题，当时青霉素耐药性首次出现。到了1990年代，这个问题已经升级为全球性的关注点。几十年后，一些关键问题仍然存在：抗菌素耐药性是如何产生的？科学家如何追踪导致这种现象的隐藏变化？为什么某些微生物的耐药性直到疫情爆发才被发现？填补这些知识空白对于预防未来的疫情、改善治疗效果和拯救生命至关重要。

多年来，作为一名微生物学家和生物医学科学家，我的工作重点是研究病原微生物的遗传学。我和同事们使用遗传和计算方法，在美国发现了之前未被检测到的一种耐药基因，这有助于提高科学家检测和跟踪抗菌素耐药性的能力。

检测耐药性的挑战

抗菌素耐药性是一个自然过程，其中微生物不断进化作为防御机制，获得使其生存能力增强的遗传变化。

不幸的是，人类活动加速了这一过程。在医疗、农业和环境中的抗生素滥用和误用迫使细菌发生基因变化，使它们能够抵抗旨在杀死它们的药物。

早期检测抗菌素耐药性对于有效治疗至关重要。监测通常从疑似感染患者的实验室样本开始，然后分析这些样本以识别潜在的抗菌素耐药性。传统上，这种方法是通过基于培养的方法进行的，即在实验室中将微生物暴露于抗生素并观察它们是否存活，从而确定它们是否正在变得耐药。除了帮助当局和研究人员监测抗菌素耐药性的传播外，医院还使用这种方法来决定治疗方案。

然而，基于培养的方法有一些局限性。耐药性感染往往直到抗生素失效才会被注意到，使得检测和干预过程缓慢。此外，新的耐药基因可能完全逃脱检测。

抗菌素耐药性的基因组学

为了克服这些挑战，研究人员将基因组测序整合到了抗菌素耐药性监测中。通过全基因组测序，我们可以分析微生物样本中的所有DNA，全面了解所有存在的基因，包括那些负责耐药性的基因。利用生物信息学的计算工具，研究人员可以高效处理大量遗传数据，从而提高对抗菌素耐药性威胁的检测能力。

尽管具有优势，将基因组测序整合到抗菌素耐药性监测中也存在一些挑战。高昂的成本、质量保证以及训练有素的生物信息学家短缺使得实施变得困难。此外，解释基因组数据的复杂性可能会限制其在临床和公共卫生决策中的应用。

建立国际标准可以帮助使全基因组测序和生物信息学成为可靠的抗菌素耐药性监测工具。世界卫生组织建议实验室遵循严格的质量控制措施，以确保准确和可比的结果。这包括使用可靠且用户友好的计算工具和共享的微生物数据库。其他策略包括投资培训项目，并促进医院、研究实验室和大学之间的合作。

发现一个耐药基因

结合全基因组测序和生物信息学，我和同事们分析了1982年至1999年间从几种动物物种中收集的沙门氏菌样本。我们发现了一种名为blaSCO-1的沙门氏菌耐药基因，它在美国牲畜中已经躲避检测数十年。

blaSCO-1基因赋予微生物对几种关键抗生素的抗性，包括氨苄西林、阿莫西林-克拉维酸和一定程度上的头孢菌素和碳青霉烯类。这些药物对于治疗人类和动物的感染至关重要。

blaSCO-1基因之所以未被报告，是因为常规监测通常针对已知的耐药基因，并且它与其他基因具有重叠功能。生物信息学专业知识的不足也可能阻碍了它的识别。

未能检测到像blaSCO-1这样的基因引起了对其在过去治疗失败中可能扮演的角色的关注。2015年至2018年间，疾病控制与预防中心开始实施沙门氏菌的全基因组测序常规监测。在此期间进行的研究发现，77%的多州疫情与携带耐药沙门氏菌的牲畜有关。

这些未被检测到的耐药基因对食品安全和公共卫生都有重大影响。未被检测到的抗菌素耐药基因可以通过食物动物、受污染的食品产品、加工环境和农业径流传播，从而使耐药细菌得以持续存在并传播给人类。这些耐药细菌会导致更难治疗的感染，并增加疫情的风险。此外，人员、牲畜和货物的全球流动意味着这些耐药菌株可以轻松跨越国界，将局部疫情变成全球性的健康威胁。

识别新的耐药基因不仅填补了一个重要的知识空白，而且展示了基因组和计算方法如何帮助在广泛威胁出现之前检测隐藏的耐药机制。

加强监测

随着抗菌素耐药性的不断增加，采用“同一健康”方法（整合人类、动物和环境因素）可以帮助确保新兴耐药性不会超越人类应对它的能力。

诸如四方抗菌素耐药性多方信托基金等倡议为加强全球协作监测、促进负责任的抗菌素使用和推动可持续替代品的发展提供了支持。确保世界各地的研究人员遵循共同的研究标准将使更多的实验室——尤其是低收入和中等收入国家的实验室——能够为全球监测工作做出贡献。

未来几代人的健康取决于世界在全球范围内确保食品安全和保护公众健康的能力。在微生物进化与人类创新之间的持续斗争中，警惕性和适应性是保持领先的关键。

这项研究得到了美国农业部农业研究服务计划、食品药品监督管理局和卫生与公共服务部的支持。

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