磷霉素细菌耐药机制研究进展
磷霉素细菌耐药机制研究进展
随着多重耐药菌和泛耐药菌的不断出现，传统药物磷霉素因其独特的优势重新受到关注。然而，随着其在临床的大量使用，磷霉素的耐药率逐年增加。本文将详细探讨磷霉素的细菌耐药机制，以期为临床合理使用磷霉素、减缓其耐药性的产生和传播及开发新型抗菌药物提供新思路。
一、磷霉素的发现与分子结构
磷霉素是一种广谱抗菌药物，于 1969 年由西班牙 CEP 公司和美国 MERCK 公司在链霉菌发酵液中首次发现。它是一种天然抗生素，虽然部分菌种可产生磷霉素，但产量普遍偏低。直到 2006 年，美国伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的一个科研团队通过分子克隆技术成功获得磷霉素生物合成基因工程菌株，磷霉素的产量才得到大幅提升。磷霉素是一种磷酸衍生物，分子量极低，几乎不与蛋白质结合。其化学结构与现有抗生素差别较大，且在不同药物剂型中存在一定差异，主要有两种口服剂型和一种静脉注射剂型。
二、磷霉素的抗菌机制与抗菌活性
磷霉素对细菌的抗菌活性主要通过抑制细菌细胞壁合成中的第一步酶催化反应，干扰肽聚糖前体二磷酸尿昔 - N - 乙酰胞壁酸的形成。MurA（UDP - N - acetylglucosamine enolpyruvyl transferase）是合成肽聚糖的第一个重要步骤的参与者，磷霉素作为磷酸烯醇式丙酮酸的类似物，能代替磷酸烯醇式丙酮酸与 MurA 活性中心半胱氨酸的疏基进行不可逆的共价结合，使 MurA 失活，进而抑制二磷酸尿昔 - N - 乙酰氨基葡萄糖 - 烯丙基丙酮酸的生物合成，使细菌细胞壁的合成停滞，发挥杀菌作用。磷霉素主要在细菌的生长阶段发挥作用，对多种革兰阳性菌和革兰阴性菌具有广泛的活性，但少数细菌如头状葡萄球菌、腐生葡萄球菌等对磷霉素天然耐药。因其独特的杀菌机制、较好的抗菌活性，不易与其他抗菌药物产生交叉耐药性，磷霉素已广泛应用于多重耐药菌感染的治疗。
三、磷霉素的耐药机制
随着磷霉素在临床的广泛使用，细菌对其耐药率逐渐显现。细菌对磷霉素的耐药机制主要包括以下几大类：
磷霉素靶酶 MurA 突变及过表达
磷霉素靶酶 MurA 活性位点特别是磷霉素结合位点的突变，包括周边氨基酸替换，均可导致 MurA 与磷霉素的结合减少，使细菌对磷霉素出现耐药。例如，MurA 氨基酸序列第 115 位半胱氨酸的疏基与磷霉素发生不可逆的共价结合后，MurA 失活，而当该半胱氨酸突变成天冬氨酸后，MurA 失去与磷霉素结合能力，磷霉素不能阻断细菌壁的合成，导致细菌耐药。此外，MurA 过表达也可导致细菌对磷霉素耐药，诱导 MurA 过表达后，大肠埃希菌对磷霉素表现出耐药。
磷霉素摄取减少
磷霉素需要借助转运摄取系统将其转运至细胞内才能发挥抗菌活性。当转运摄取系统编码基因发生碱基缺失或突变导致转运蛋白功能缺失时，细菌无法将磷霉素运输至细胞内而导致耐药。细菌对磷霉素转运主要依赖葡萄糖 - 6 - 磷酸转运系统（UhpT）和甘油 - 3 - 磷酸转运系统（GlpT）。UhpT 表达需要外源性 6 - 磷酸葡萄糖的诱导，而 GlpT 可在不依赖 6 - 磷酸葡萄糖的条件下在细菌体内持续表达。UhpT 和 GlpT 的编码基因均由染色体编码，染色体编码基因及其调控基因发生突变均可导致磷霉素转运摄取减少，最终导致细菌对磷霉素耐药。
磷霉素修饰酶表达
多种修饰酶可通过共价修饰裂解磷霉素的环氧化物部分的碳氧键使其失活。目前已发现的修饰酶可分为金属酶（包括 FosA、FosB、FosC 和 FosX 等）和激酶（包括 FomA 和 FomB）。其中，金属酶通过添加各种底物打开环氧化物环使磷霉素失活，激酶主要通过磷酸化使磷霉素失活。例如，FosA 是一种谷胱甘肽 - S - 转移酶，以 Mg²⁺和 K⁺作为辅因子，其通过催化谷胱甘肽添加到磷霉素的 C1 位置，破坏环氧化物环。fosA 常与其他耐药基因共存于同一质粒，导致细菌对多种抗菌药物产生共同耐药。FosB 是一种 Mg²⁺依赖的 L - 半胱氨酸巯基转移酶，主要由革兰阳性细菌产生。FosC 使用 ATP 作为底物向磷霉素添加磷酸基团使磷霉素失去活性。FosX 是一种依赖于 Mn²⁺的环氧化物水解酶，以水为底物，通过在磷霉素 C1 位置添加羟基并打开其环氧化物环使磷霉素失活。FomA 和 FomB 是一种激酶，通过磷酸化使磷霉素失活。
磷霉素外排泵机制
目前，关于外排泵机制导致磷霉素耐药的研究较少，仅见 Tet38 外排泵。Tet38 外排泵是金黄色葡萄球菌染色体编码的 MFS 超家族外排转运蛋白，其底物包括多种化合物。体外实验证实，质粒过表达 tet38 和 glpT 突变体的金黄色葡萄球菌对磷霉素最低抑菌浓度增加，同时细菌体内磷霉素含量降低，并受甘油 - 3 - 磷酸影响。当 Tet38 外排泵发生基因突变可导致细菌对磷霉素最低抑菌浓度降低，菌体内磷霉素浓度升高，说明 Tet38 是磷霉素的外排转运蛋白。
磷霉素异质性耐药
细菌异质性耐药是指分离菌株中含有细胞亚群，与主要群体相比，这些细菌亚群对抗生素的敏感性显著降低。磷霉素的异质性耐药研究主要集中于肺炎链球菌和铜绿假单胞菌。体外实验证实，肺炎链球菌对磷霉素可产生异质性耐药且同时表达 MurA；当敲除 murA 后，耐药菌株的异质性耐药现象消失。铜绿假单胞菌的研究显示，所有测试的铜绿假单胞菌中均存在异质性耐药，采用不同浓度的磷霉素处理后均可导致对磷霉素敏感的菌株完全被磷霉素耐药菌株所取代。
四、小结
细菌对磷霉素的耐药可以通过 MurA 的突变及过表达、磷霉素摄取减少、修饰酶表达、外排泵机制和异质性耐药等机制单独或联合发挥作用。磷霉素重新回归临床，不仅具有广谱抗菌效果，同时具有良好的药动学特点，对多重耐药菌株仍具有较高的敏感性。当前，全球面临多重耐药菌抗感染与治疗的重大挑战，因此如何能够减缓部分安全经济的经典抗菌药物（磷霉素等）耐药性的产生和耐药传播的速度具有重要意义。未来，深入研究磷霉素的耐药机制、传播机制以及制订合理的用药方案将为临床治疗多重耐药菌引起的感染提供广阔的应用前景。
参考文献：李泰阶，蒋诚传，林青. 磷霉素细菌耐药机制研究进展[J]. 医学综述，2022，28（14）：2849 - 2854.