中国ST11耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌耐药分子机制研究进展*

唐依莲,张 晨 综述,蒲 翔 审校

贵州中医药大学,贵州贵阳 550025

序列型11(ST11)耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌(CRKP)是亚洲,尤其是中国的高度优势克隆[1],几乎可以对所有常用的临床抗菌药物产生耐药性[2],导致缺乏治疗选择。在抗菌药物使用不当的情况下肺炎克雷伯菌通过从头突变及获取质粒和可转移遗传元件不断积累抗菌药物抗性基因,导致出现具有“超级抵抗组”的极端耐药(XDR)菌株[3],给临床治疗带来了巨大的压力。因此,随着全球抗菌药物耐药性的不断进展,迫切需要进一步探索CRKP的耐药机制。现将ST11 CRKP在中国的耐药机制阐述如下。

1 碳青霉烯类药物耐药性

中国常见的ST11 CRKP碳青霉烯酶编码基因包括bla产肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶(KPC)-2、blaVIM、blaNDM-1、blaIMP和blaOXA。有研究对中国9个城市13家医院的95株CRKP分离株进行了分析,根据多位点序列分型、聚合酶链反应(PCR)扩增和DNA测序提出了中国KPC的肺炎克雷伯菌分离株的分子流行病学主要包括:(1)blaKPC-2是中国常见的ST11 CRKP碳青霉烯酶基因;(2)获得了7种序列类型,包括ST11、ST15、ST23、ST349、ST351、ST438和ST439;(3) ST11可能是产KPC的肺炎克雷伯菌的另一个主要克隆[4]。由此推测一些ST(如ST11和ST258)将是捕获质粒的良好定殖者。有研究表明,blaVIM也是中国常见的ST11 CRKP碳青霉烯酶基因[5]。分别于2015、2018、2020年逐渐更新了各种bla,增加了blaNDM-1、blaIMP和blaOXA[6-8]。

临床研究发现,blaKPC的遗传环境以Tn3-Tn4401复合物为特征[9-10]。一种新型的遗传环境KPC-2来自质粒pKP048的基因包含基于Tn3的转座子和部分Tn4401片段的集成结构,基因顺序为Tn3-转座酶、Tn3-resolvase、ISKpn8、blaKPC-2和类似ISKpn6的元素。此外,Tn1721样转座子是blaKPC-2基因在中国有效传播的主要原因[10]。另外2种类型的blaKPC-2遗传结构包括Tn1721-blaKPC-2-Tn3和Tn1721-blaKPC-2-ΔTn3-IS26,分别携带在IncⅩ和IncFⅡ质粒中。携带Tn1721-bla的不同IncFⅡ样质粒KPC-2似乎在不同的肺炎克雷伯菌ST11亚型之间相互交换和相互转移[11]。有研究采用多位点序列分型、移动遗传元件和脉冲场凝胶电泳等分析鉴定肺炎克雷伯菌ST11亚型,利用电穿孔实验和全基因组测序揭示了Tn1721和IncFIⅡ质粒介导的水平转移似乎是驱动ST11 CRKP菌株分子多样化的重要因素[12]。

在关于blaNDM-1遗传环境的最新研究中,ZHANG等[13]收集2013—2018年中国某三级医院肺炎克雷伯菌菌株作为研究对象,分析了所有可用的NDM-1相关序列发现,上、下游blaNDM-1基因通常含有转座子——Tn3或插入的序列片段,推测blaNDM-1通过质粒转位和长期保存获得。值得注意的是在中国的临床菌株中越来越多的ST11肺炎克雷伯菌联合生产KPC-2和NDM-1[14]。

有研究从医院获得了145株疑似肺炎克雷伯菌菌株,通过脉冲场凝胶电泳验证与碳青霉烯类化合物外膜蛋白(OmpK35和OmpK36)相关的耐药性,结果显示,62% CRKP分离物丢失OmpK36,33%分离株丢失OmpK35,表明OmpK36/OmpK35基因缺失对碳青霉烯类耐药性具有很大的影响[15]。OmpK36/OmpK35基因的破坏导致中国ST11 CRKP孔蛋白表达的显著丧失,进而导致碳青霉烯类药物敏感性降低。OmpK35/OmpK36缺乏似乎对碳青霉烯类耐药性几乎没有影响或仅为次要的因素。

2 β-内酰胺类药物耐药性

除碳青霉烯酶外,还有多种超广谱β-内酰胺酶(ESBLs)基因,如blaCTX-M、blaSHV、blaTEM和AmpC头孢菌素酶基因。中国高频率的ST11肺炎克雷伯菌菌株含有2～3个ESBLs编码基因(blaCTX-M、blaSHV 和blaTEM)。有研究从19家医院收集了930株表型明确的碳青霉烯类耐药肠杆菌分离株进行基因型表征,在肺炎克雷伯菌分离株中发现了blaSHV、blaCTX和blaTEM的扩展谱ESBLs基因的不同组合,blaCTM-M-14/15、blaSHV-11/12和blaTEM-1是常见的ESBLs基因型[16]。

3 喹诺酮类药物耐药性

肺炎克雷伯菌对喹诺酮类药物耐药的机制包括不透水性、活性外流、靶标修饰和抗菌药物中和[17]。有研究对40株CRKP进行了分析,根据PCR和DNA测序方法、多位点序列分型和脉冲场凝胶电泳结果提出了中国ST11 CRKP常见的喹诺酮耐药机制,主要包括qnrS、qnrB、oqxA、oqxB、oqxAB和aac(6′)-Ib-cr的存在,以及gyrA(S83I和D87G)和parC(S80I)基因突变[18-19],但该结论只针对所研究的40株CRKP,由于样本量小,未经严格的临床论证,其准确性有待进一步探讨。

4 氨基糖苷类药物耐药性

肺炎克雷伯菌对氨基糖苷类药物的耐药机制包括通透性降低、外排泵活性增加、酶修饰和干扰氨基糖苷类结合的30S核糖体亚基的修饰[20]。中国ST11 CRKP菌株常见的氨基糖苷类抗性基因包括armA、rmtB、rmtC(编码16S rRNA甲基化酶)和aac(3′)-Ⅰa、aac(6′)-Ⅰb、aac(3′)-Ⅱa、aac(3′)-Ⅱd、ant(2′)-Ⅰa、ant(3′)-Ⅰa和aph(3′)-Ⅰa(编码氨基糖苷修饰酶)。LIAO等[20]从中国一家三级医院收集了39株碳青霉烯类耐药性高毒性肺炎克雷伯菌(CR-hvKP)分离株用于研究16S rRNA甲基酶基因的携带情况,最常检测到的16S rRNA甲基酶基因为armA,其次为rmtB,并且 armA和rmtB共存。还有研究发现,armA和rmtB通常与临床分离株中同一分离株中的ESBLs基因共存,并与自传合共轭质粒上的ESBLs基因共同转移到受体,在同时含有armA和rmtB的分离株中armA基因位于染色体上,rmtB基因位于质粒上,水平基因转移和克隆扩散是rmtB和armA基因播散的原因[21]。

5 磷霉素耐药性

中国常见的ST11 CRKP磷霉素酶基因包括fosA、fosA3和foskp96。有研究从中国某高校医院获得了97株肺炎克雷伯菌菌株(KPC-KP),其中57株(58.76%)对磷霉素耐药,其中44株(45.36%)含有fosA3,1株含有fosA[22]。此外,针对2012—2013年台湾地区16家医院642株CRKP临床分离株的研究发现,台湾地区共有36.45%(234/642)的CRKP分离株对磷霉素耐药,在234 株耐磷霉素的CRKP分离株中62株有磷霉素酶(35株fosA3阳性和27株foskp96阳性)[23]。

6 甲氧苄啶耐药性

在中国ST11 CRKP菌株中已报道的甲氧苄啶抗性基因包括sul1、sul2、dfrA1、dfrA12、dfrA15、dfrA17、dfrA25和dfrA27[24-25]。另外,针对2015-2017年中国东部CRKP感染的病例对照研究发现,与非ST11 CRKP分离株比较,ST11 CRKP分离株对甲氧苄啶/磺胺甲噁唑的耐药率较低[26]。

7 替加环素耐药性

替加环素是推荐用于产 KPC肺炎克雷伯菌引起的严重感染的抗菌药物之一。耐替加环素的肺炎克雷伯菌在中国被发现[27]。长期单药治疗可能导致较高的替加环素耐药风险。目前,中国ST11肺炎克雷伯菌的替加环素耐药机制仍未完全阐明,迄今已发现以下机制:(1)编码抗性-结节-细胞分裂家族(RND)外排泵AcraB的基因过表达,其具有全局转录调节因子(如ramA和ramR)[28]。(2)tet(A)基因变异的携带,针对来自8家三级医院的202例重症监护病房患者的55株非重复CRKP菌株遗传和表型特征研究发现,除替加环素和头孢他啶/阿维巴坦外大多数CRKP菌株对多种抗菌药物耐药,其中32株菌株含有tet(A)基因变异,其可降低菌株对替加环素的敏感性[29-31]。对1例感染了产KPC的肺炎克雷伯菌的59岁男性患者的研究表明,rpsJ基因的变异可导致产KPC的肺炎克雷伯菌感染患者对替加环素耐药[32]。有研究利用全基因组测序证实了质粒介导的替加环素耐药机制,即6 489 bp RND外排泵(tmexCD1-toprJ1泵)[33]。

8 黏菌素耐药性

中国ST11 CRKP主要的黏菌素耐药机制包括MgrB、PmrB和PhoQ的氨基酸变化,质粒载体的移动,黏菌素抗性基因(mcr-8.1和mcr-8.2)的获得等[33-36]。

9 头孢他啶/阿维巴坦耐药性

在中国、美国和其他欧洲国家头孢他啶/阿维巴坦用于CRKP菌株感染的治疗已被证实非常有效地提高了治愈率和存活率[37-38]。有研究测试了头孢他啶/阿维巴坦和其他抗菌药物对65种高毒性肺炎克雷伯菌(CR-hvKp)分离株的体外活性,结果显示,头孢他啶/阿维巴坦在体外对CR-hvKp分离株具有高活性[39]。同时这一结论在WEI等[40]的研究中也得到了验证。因此,头孢他啶/阿维巴坦是治疗ST11 CRKP分离株的合理选择。然而有研究表明,ST11 CRKP临床分离株中头孢他啶/阿维巴坦易感性降低是由高头孢他啶水解活性和OmpK35孔蛋白缺乏引起的[41]。

综上所述,ST11是中国CRKP的主要克隆,其检出率速度呈增长趋势。ST11 CRKP可对几乎所有常用抗菌药物耐药,如碳青霉烯类、β-内酰胺类、喹诺酮类、氨基糖苷类、磷霉素、甲氧苄啶、替加环素、黏菌素,甚至头孢他啶/阿维巴坦。临床ST11菌株中的碳青霉烯类耐药性主要由KPC-2、NDM-1和OXA-48碳青霉烯酶介导,这些酶由不同的质粒编码。了解其抗菌药物耐药的分子机制可以帮助临床医生进一步深入探讨感染防治策略。然而,要了解如何控制碳青霉烯类药物在中国ST11 CRKP中的抗性还需要进行更多的研究。