第一章抗生素、抗性基因和耐药细菌
自然界中的细菌无处不在，人体37℃的体温和湿润的黏膜更是一些细菌理想的生存环境，这些细菌中有少数病原菌在感染人体后，经过不断分裂，产生大量毒素，威胁人类健康。因此，从古至今，人类与致病菌一直在进行着无休止的战斗，而抗生素（antibiotics）的诞生结束了几千年来人类对病原菌束手无策的局面，铸就了医学史上的辉煌。
自然界中有些生物体互相依存、互相辅助，即所谓的共生。也有些生物互相斗争，一种生物产生某种物质来杀害其他种生物，从而取得生存斗争的胜利，即所谓的拮抗。拮抗现象在微生物之间尤为普遍，抗生素就是利用微生物之间的拮抗作用来防治病原菌感染的，因此成为造福人类的工具。在抗生素时代的前期，人类在医疗和生活中过度使用抗生素，并且在渔业、畜牧业中抗生素被广泛用于疾病预防和用作营养添加剂。除此之外，医学和工业的发展使得更多种类的抗生素被人工合成研制出来，抗生素的运用也越来越广泛。
在抗生素时代，人们一只手捍卫着文明，另一只手却于无意间催生出更为危险的敌人。抗生素的选择性压力导致各种耐药细菌的产生，使得抗生素的药效降低，并且这些耐药细菌会经排泄物等途径进入土壤和水体，进而通过风、水等自然动力在环境中传播，*终带给人类未知的健康风险。虽然新研制的抗生素可以在一定程度上消灭这些耐药细菌，但是由于这些耐药细菌高的突变率和较快的繁殖速度，而且抗生素抗性基因可以通过水平基因转移进行扩散传播，耐药细菌总能绝处逢生，*终衍生出具有多重耐药性的超级细菌。这些超级细菌的可怕之处在于它们不但对人具有杀伤力，而且对普通杀菌药物——抗生素具有强大的抵抗能力，对于这些超级细菌，人们几乎无药可用。
人类不合理地使用抗生素导致了超级细菌的反噬，这将是一场巨大的灾难。超级细菌并不可怕，可怕的是不断产生新的超级细菌。所以，在全球范围内进行抗生素的合理使用是控制与防治超级耐药细菌的当务之急。抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs，简称“抗性基因”）作为一种新型环境污染物，近年来已引起国内外研究学者日益广泛的关注，研究人员通过对其传播机制和途径进行探索总结，寻求有效的治理手段以降低其环境风险。
第一节抗生素的来源和使用
一、抗生素的起源和发展
抗生素是由微生物（包括细菌和真菌）或高等动植物在生长过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物，可以干扰细胞的发育功能。随着抗生素研究的发展，抗生素的来源已不局限于微生物和动植物产生的代谢物，还包括化学方法人工合成或半合成的化合物，作用效果也从抗菌扩展到抗肿瘤、抗病毒、抗寄生虫等。
抗生素的发现首先要追溯到微生物间拮抗现象的发现。1874 年罗伯茨（Roberts）在英国《皇家学会会报》上首次发表了拮抗现象的报道。据他记载，真菌的生长常常可以抑制细菌的生长，其中他专门谈到一种青霉菌对细菌生长的影响，但没有引起人们重视。1876 年廷德尔（Tyndall ）发现细菌悬液表面的霉菌可以使浑浊的悬液变清，霉菌与细菌为了生存而竞争，而霉菌通常是胜利者。1877 年巴斯德（Pasteur）和朱伯特（Joubert）首先进行了初步治疗尝试，他们给动物接种无害的细菌和炭疽杆菌，结果发现其抑制了炭疽病状的发生，因此他们认为，细菌除致病之外，还可以医治疾病。1887 年，加雷（Garre）利用交叉划线技术发现铜绿假单胞菌会产生一种特殊的可扩散物质，能够抑制各种细菌的生长，包括葡萄球菌。1899 年埃默里奇（Emmerich）从铜绿假单胞菌的培养液中，提取出一种抗菌物质，并命名为铜绿假单胞菌酶，其能溶解多种细菌，如炭疽杆菌、伤寒杆菌、白喉杆菌、鼠疫杆菌、肺炎链球菌等，该酶于1928 年生产并用于化学治疗。
微生物间的拮抗现象被证实后，这种可扩散的抗菌物质引起了人们的广泛关注，研究人员对其进行了不间断的探索。1928 年，英国科学家弗莱明（Fleming）发现青霉菌污染的葡萄球菌培养皿上有拮抗和溶解球菌菌落的现象，青霉菌培养物的无细胞提取物有显著的抗细菌作用，他将青霉菌培养物的滤液中所含的抗菌物质称作青霉素并予以报道。但遗憾的是，因为这些发现不能即刻应用于医疗，并未引起人们的重视，青霉素进一步提纯技术的缺乏也使得其在之后的10 年间仅作为选择性培养基使用。直到1938 年，牛津大学病理学教授弗洛里（Florey）对已知的由微生物产生的抗生物质进行了系统的研究，并在钱恩（Chain）等化学家的帮助下，很快对青霉菌培养物中的活性物质——青霉素进行提取和纯化，于1940 年制备了纯度可满足人体肌肉注射的制品。在首次临床试验中，青霉素用量很少，但疗效非常惊人，不久后就被运用到第二次世界大战中，其成功地征服了坏疽。弗莱明也因此与弗洛里和钱恩共同获得了1945 年的诺贝尔生理学或医学奖。
随着微生物学、生物化学、有机化学基础理论的发展及分子遗传学等技术的进步，抗生素的筛选方法有了质的飞跃。1942 年，瓦克斯曼（Waksman ）首先给抗生素下了一个明确的定义：抗生素是微生物在代谢中产生的，具有抑制他种微生物生长和活动甚至杀灭他种微生物的化学物质。经过多年对土壤中的微生物的研究，人们终于在1944 年发现了一种新抗生素——链霉素，其成功改变了结核病的治疗。随后，新霉素（1949 年）、土霉素（1950 年）、红霉素（1952 年）等多种抗生素又相继被成功发现。进入50 年代末，合成抗生素逐渐出现。1958 年，谢汉（Sheehan）合成了青霉素的活性母核——6-氨基青霉烷酸（6-APA ），并通过其酰化反应合成了一系列新的青霉素。1961 年，亚伯拉罕（Abraham）发现了头孢菌素C，之后又成功地合成了许多高活力的半合成头孢菌素。1960 年以来，通过对四环素类、氨基糖苷类、大环内酯类等抗生素进行化学改造，人们获得了大量具有抗菌活力强、抗菌谱广、毒性小、易吸收、稳定等优点的半合成抗生素。莱特（Wright ）绘制了一条抗生素发展时间轴，其能清楚地表示各种抗生素的发现时间（图1-1）。
图1-1 抗生素的发展时间轴（Wright，2007）
随着抗生素的深入研究，其作用范围不断扩大，从*初的抗菌抗生素逐渐发展到抗肿瘤、抗原虫、抗寄生虫等用于人、畜及农业的抗生素。20 世纪80 年代后，酶抑制剂、免疫调节剂、抗肿瘤活性物质等微生物产生的生理活性物质逐渐被发现应用。至此，抗生素的研究领域已不仅仅局限于抗菌抗生素，而是进入了一个开发微生物产生的具有实用价值的生理活性物质的新阶段。
二、抗生素的分类及作用机理
1. 抗生素的一般分类
1943 年以来，天然抗生素与合成或半合成抗生素不断被发现，目前抗生素的种类已达几千种，在临床上常用的也有几百种。根据其结构的分类主要有以下几种。
（1）β-内酰胺类：这是品种*多、用得*广的一类抗生素，主要包括青霉素类和头孢菌素类抗生素，如甲氧青霉素类、硫霉素类、β-内酰胺酶（β-lactamase）抑制剂、单内酰环类等。
（2）氨基糖苷类：包括链霉素、庆大霉素、卡那霉素、妥布霉素、丁胺卡那霉素、新霉素、核糖霉素、小诺霉素、阿斯霉素等。
（3）大环内酯类：临床常用的有红霉素、白霉素、依托红霉素、乙酰螺旋霉素、麦迪霉素、交沙霉素、阿奇霉素等。
（4）四环素类：包括四环素、土霉素、金霉素及多西环素等。
（5）氯霉素类：包括氯霉素、甲砜霉素等。
（6）作用于革兰氏阳性菌（G+）的其他抗生素：如多黏菌素、磷霉素、卷霉素、环丝氨酸、利福平等。
（7）作用于革兰氏阴性菌（G-）的其他抗生素：如林可霉素、杆菌肽等。
（8）抗真菌抗生素：分为棘白菌素类、多烯类、嘧啶类、作用于真菌细胞膜上麦角甾醇的抗真菌药物、烯丙胺类、氮唑类等。
（9）抗肿瘤抗生素：如丝裂霉素、放线菌素D、博莱霉素、阿霉素等。
（10）具有免疫抑制作用的抗生素：如环孢霉素等。
2. 抗生素的作用机理
1）抑制核酸的合成
抗生素能够通过抑制脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）的合成来抑制微生物细胞的正常生长繁殖。如丝裂霉素能与DNA 双螺旋体的两条互补链之间形成交联，防止DNA 双链拆开，从而抑制DNA 的复制。灰黄霉素能阻止鸟嘌呤进入DNA 分子中，也阻碍了DNA 的合成。放线菌素D 能与模板DNA 结合，嵌入鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对内，形成DNA-放线菌素的复合体，阻止依赖于DNA 的RNA 多聚酶在DNA 链上的移动，从而影响RNA 的合成。
2）抑制蛋白质的合成
蛋白质合成系统复杂，合成步骤繁多，不同抗生素抑制蛋白质合成的机理不同。四环素能特异性地与细菌核糖体30S 亚基在A 位置结合，阻止氨基酰-tRNA 在该位置上的联结，从而抑制肽链的延长和细菌蛋白质的合成。链霉素主要是与细菌核糖体亚单位结合，从而抑制蛋白质合成的起始。氨基糖苷类抗生素则能够抑制细菌蛋白质合成的多个环节，包括抑制70S 始动复合物的形成；选择性地与30S 亚基上的靶蛋白结合，诱导错误匹配，合成异常无功能的蛋白质；阻止终止密码子与核糖体结合，使已合成的肽链不能释放，并阻止70S 核糖体解离，造成细菌体内核糖体耗竭，从而阻碍细菌的蛋白质合成。
3）改变细胞膜的通透性
多肽类抗生素和多黏菌素E、短杆菌素S 等都能引起细胞膜损伤，导致细胞物质的泄漏。如多黏菌素分子内游离氨基可以与细胞膜脂蛋白中的磷酸基结合，使脂蛋白发生改变，破坏细胞膜正常的渗透屏障功能。多烯类抗生素如制霉菌素、两性霉菌素等可以与膜中的固醇类结合，形成膜-多烯化合物，从而改变细胞膜的通透性。
4）干扰细胞壁的生成
细胞壁能保护细胞，防止其在高渗条件下破裂或崩解。青霉素、头孢霉素及环丝氨酸都能抑制细菌细胞壁的生成。青霉素的抑制作用主要在原核微生物细胞壁合成的*后阶段，其结构与D-丙氨酸末端结构很相似，从而占据了D-丙氨酸与转肽酶结合的位置，使酶失活，抑制细胞壁的合成，失去渗透屏障作用的细菌菌体会肿胀变形，*后裂解而死亡。该类抑制细菌细胞壁合成的抗生素对革兰氏阳性菌的作用强，这是因为革兰氏阳性菌的细胞壁主要成分为黏肽，占细胞壁质量的65% ～95%，菌体细胞质内的渗透压高，为20 ～30atm ①。这类抗生素主要影响的是正在繁殖的细菌，因此被称为繁殖期杀菌剂。
5）干扰细菌的能量代谢
有些抗生素能作用于微生物的能量代谢系统，特别是氧化磷酸化反应，如抗霉素、寡霉素等。抗霉素是呼吸链电子传递系统的抑制剂，可以抑制细胞色素b 与细胞色素c1 之间电子化的解耦联系，呼吸照常进行，但不生成腺苷三磷酸（ATP ）。寡霉素是能量转移的抑制剂，使能量不能用于合成ATP 。
3. 常用抗生素
1）β-内酰胺类β-内酰胺类抗生素的分子结构中均含有β-内酰胺环，主要包括青霉素和头孢菌素两大类典型抗生素，可通过抑制转肽酶干扰细胞壁的合成。其分子结构由母核与侧链构成，侧链决定其特异性，一般结构如图1-2 所示。
图1-2 青霉素族和头孢菌素族的分子结构
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