“城市爆发超级细菌”听起来像恐怖电影的片名，但实际上它是2007年10月26日《纽约邮报》的头条新闻。十二天前，布鲁克林一名12岁男孩奥马尔·里维拉在篮球场上受伤后，伤口感染了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (MRSA)，这是一种对目前抗生素库中最有效的药物类别之一产生耐药性的细菌。
健康人感染无法治疗的细菌感染的前景在十年前似乎还很遥远，但现在已成为现实。2007年，疾病控制与预防中心的莫妮娜·克莱文斯领导的研究团队报告称，MRSA每年在美国造成19,000人死亡，超过了艾滋病毒/艾滋病造成的死亡人数。这个数字尤其令人震惊，因为几乎20%感染MRSA的人因此丧生，而且越来越多的受害者是年轻、健康的人，他们在日常活动中被感染。这个问题曾经仅限于医院或疗养院，那里的许多人由于免疫力受损而已经很脆弱。即使对于幸存者来说，MRSA的代价也很高：住院期间感染MRSA的患者平均住院时间延长10天，并额外花费30,000美元。
美国医院治疗MRSA感染的总年度支出高达惊人的30亿至40亿美元，而葡萄球菌只是越来越多难以制服的病原体之一。现代医学正在输掉对抗曾经被认为已被征服的致病细菌的战争，我们需要发现和创造抗生素的新方法来扭转局势。
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反复出现的耐药性
MRSA的故事说明了耐药性产生的速度有多快。事实上，导致葡萄球菌和其他细菌产生耐药性的自然机制几乎是不可避免的，从而不断需要新的抗生素。
甲氧西林是更为人熟知的青霉素的衍生物，于1959年被引入，用于治疗由细菌物种菌株（如金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌）引起的感染，这些菌株已对青霉素产生耐药性。然而，欧洲医院在仅仅两年后就观察到耐甲氧西林金黄色葡萄球菌菌株，到1980年代，MRSA在世界各地的医疗机构中变得普遍。到1990年代中期，出现了一种新型的MRSA感染：在“社区”而非医疗环境中感染的感染。
MRSA难以治疗，部分原因在于如果它进入血液，它可以迅速传播。但MRSA最有害的特性是它能够抵抗一类主要的抗生素，即β-内酰胺类抗生素（包括头孢菌素和所有青霉素变体），方法是产生一种酶，分解和破坏药物。对β-内酰胺类抗生素的耐药性将医生对抗MRSA的武器库限制为一小部分抗生素，每种抗生素都有严重的副作用。而且一些MRSA菌株已经对其中最有效的抗生素——万古霉素——产生了耐药性。
在已对甲氧西林产生耐药性的细菌中出现万古霉素耐药性，这为医生和药物开发商提出了一个严峻的问题：从抗生素在临床中引入的那一刻起，它的有效寿命就开始倒计时。罪魁祸首是自然选择：抗生素的存在创造了一个环境，其中碰巧具有耐药性的细菌菌株突然比其竞争对手具有生长优势。万古霉素于1958年获得美国食品和药物管理局批准，一旦MRSA出现，它就成为MRSA感染治疗的主要手段。但在2002年，也对万古霉素产生耐药性的MRSA菌株开始在医院中出现。这些菌株，被称为耐万古霉素金黄色葡萄球菌 (VRSA)，是MRSA的后代，它们获得了一组五个基因，这些基因作为一个“盒式磁带”一起传播，并赋予万古霉素耐药性。这些基因编码的酶使VRSA能够用万古霉素不再能够结合的变体结构替换细菌细胞壁上的万古霉素靶标。结果，万古霉素——一种曾经被称为“最后手段的抗生素”的药物——不再抑制VRSA的生长。
替换抗生素的靶标只是细菌用来逃避死亡的三种主要策略之一。作为第二种策略，许多抗生素耐药性基因，例如使MRSA对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的基因，编码一种酶，该酶会破坏或化学修饰抗生素，使其失效。还有其他耐药性基因携带泵的指令，该泵安装在细胞膜中，并排出进入细菌细胞的抗生素分子，使其内部抗生素浓度保持足够低，以避免死亡。
这些耐药性基因从何而来？一些是通过细菌细胞自身基因的随机突变产生的，例如替换环丙沙星和其他氟喹诺酮类抗生素的酶靶标的变异基因，该基因具有相同酶的耐药形式。其他耐药性基因是从附近的细菌中获得的；例如，赋予万古霉素耐药性的五基因盒式磁带最初来自产生抗生素的细菌。它需要这些基因来保护自己免受自身化学武器的侵害，但其他细菌可能通过细菌进行的持续基因交换会（称为水平基因转移）获得相同的防御能力。
这种转移通常由称为质粒的环状DNA片段进行，质粒的行为类似于简化版的病毒：它们将自身从一种细菌转移到新的宿主细胞，在那里它们被识别为天然DNA片段，并使用细菌宿主自身的复制机制进行复制。为了帮助它们传播，质粒还携带促进宿主生存的基因，包括抗生素耐药性基因。从污水处理厂细菌中分离出的一个质粒被发现编码九种不同的抗生素耐药性基因。
当2002年从密歇根州一家医院的同一名透析患者身上分离出MRSA、VRSA和第三种细菌——粪肠球菌时，也目睹了水平基因转移的过程。对这些菌株的遗传分析表明，含有万古霉素耐药性基因盒式磁带（以及其他三种抗生素和一类消毒剂的耐药性基因）的质粒已从粪肠球菌转移到MRSA，从而产生了一种新型的VRSA菌株。
一名慢性病患者同时感染两种不同的细菌病原体，并由此产生第三种细菌，可悲的是，这并不令人惊讶。由于医院重症监护病房和疗养院通常住着接受强化抗生素治疗的免疫功能低下患者，因此它们是众所周知的新型耐抗生素细菌的滋生地。护士和医生可能会在患者之间穿梭，更换静脉输液管和导管，从而无意中促进细菌转移，这就是为什么鼓励医院工作人员在每次接触患者之间对手进行消毒的计划不可避免地会导致感染数量减少的原因。
VRSA尚未广泛传播，对临床使用的极少数抗生素敏感，死亡率很高。另一类新兴病原体——泛耐药革兰氏阴性菌——具有更可怕的耐药性特征。革兰氏阴性菌实际上有两层细胞膜，额外的外膜阻止了许多抗生素进入革兰氏阴性细胞内部。对几乎所有临床使用的抗生素都产生耐药性的革兰氏阴性病原体包括食物中毒病原体大肠杆菌菌株、其近亲肺炎克雷伯菌以及两种机会性细菌——铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌——它们可在免疫功能低下的住院患者中引起肺炎、脑膜炎和菌血症。
显然，医疗保健提供者必须尽一切可能帮助预防耐药细菌以及耐药性基因在临床环境和社区中的传播。但是，还需要新的抗生素来补充这些努力，并对抗已经产生耐药性的细菌。
从1930年代后期到1960年代早期是抗生素发现的黄金时代，在此期间，几乎所有目前使用的主要类别的抗生素都被引入。不幸的是，1962年喹诺酮类药物上市和2000年恶唑烷酮类药物获批之间的四十年代表着一个创新空白期，在此期间，没有新的抗生素类别进入临床应用。原因之一是制药公司投资抗生素研究的许多经济障碍——部分原因是它极具挑战性，与必须长期服用以治疗高血压或关节炎等疾病的所谓生活方式药物相比，利润率很小。另一个原因是，目前的抗生素是通过现在已经过时的技术发现的，而寻找新的抗生素将需要新的发现策略。
寻找和合成
今天销售的大多数抗生素都是由细菌和真菌产生的，或者是这些天然抗生素的化学修饰衍生物。微生物将它们的抗生素作为“化学战”武器相互对抗，也可能以较低浓度分泌它们作为信号分子。研究人员传统上通过分离微生物（通常来自土壤样本）、在实验室中培养它们，然后从培养基中提取它们的分泌物来寻找这种天然抗生素。通过测试这些化学物质对抗致病细菌，制药商寻找可能具有治疗潜力的单个分子。制药公司已经以这种方式测试了数百万种细菌提取物，但市场上只有大约10类天然抗生素。已经发现了其他的抗生素，但由于各种原因——包括抗菌活性弱和难以控制的毒性——没有一种被广泛处方。
这些方法在抗生素发现的黄金时代效果很好，但所有唾手可得的成果现在都已被摘取。尽管制药公司在过去五十年中持续努力，但抗生素的发现率实际上有所下降。一个令人沮丧的原因是重新发现：因为大多数产生抗生素的微生物形成孢子，这些孢子遍布全球——而且负责抗生素产生的基因可以像抗生素耐药性基因一样进行水平转移——许多不同的微生物产生相同的抗生素。例如，根据最近的估计，在大约250种最常开采的抗生素生产细菌（放线菌）中，大约有一种产生四环素。尽管高重新发现率导致一些研究小组得出结论，抗生素“母矿脉”已被开采殆尽，但细菌的基因分析最近使人们对这一结论产生怀疑，反而表明有必要采取新的策略。
然而，技术进步通常会导致旧学科的复兴，抗生素的发现似乎正处于这种复兴的边缘。目前开发新抗生素的策略分为两类：修饰现有抗生素和发现全新的抗生素。化学修饰微生物产生的抗生素会产生“半合成”抗生素，其中弹头完好无损，外围已被改变。这种方法的最新例子始于四环素类抗生素，该类抗生素抑制细菌细胞的蛋白质制造工厂——核糖体。对四环素的耐药性通常是由细菌细胞膜中的泵引起的，该泵会在四环素发挥作用之前将其排出——这已成为泛耐药革兰氏阴性菌中一个严重的问题。
惠氏公司的科学家合成了一种化学修饰的四环素，称为替加环素，它不再能被泵出靶细胞。替加环素于2005年获得FDA批准，现在用于对抗多种耐四环素病原体，但其使用仅限于医疗保健机构，因为它需要静脉给药。不祥的是，在鲍曼不动杆菌菌株中已经观察到对替加环素的耐药性；时间会证明替加环素耐药性传播的速度有多快。
科学家们还可以通过基因改造产生青霉素、万古霉素和红霉素等微生物产生抗生素的生物体，而不是化学调整它们来修饰药物。大多数生物体使用巨大的酶团队或“模块”装配线合成天然抗生素，每个模块将一个构建块插入到生长的抗生素分子中。通过进行改变特定酶模块的基因变化，研究人员可以诱导充当抗生素工厂的生物体产生在特定位置的单个构建块上有所不同的药物。Kosan是一家最近被百时美施贵宝收购的生物技术公司，它应用这种程序化基因工程形式来生成数十种红霉素衍生物，否则使用标准合成化学方法很难制备这些衍生物。
尽管修饰现有抗生素一直是一种富有成效的策略，但发现全新的抗生素类别将更可取，因为它们不太可能像连续几代现有抗生素那样迅速产生耐药性。
基因组挖掘
近年来的研究工作集中在识别细菌生存所需的酶上，希望可以在化学文库中找到抑制这些必需酶的分子，并将其转化为药物。然而，在开始搜索之前，第一步是确定失去酶会对细菌产生什么影响。一旦研究人员破译了细菌的基因组（其完整的DNA代码序列），他们就可以禁用编码某些酶的基因，以查看细菌是否可以在没有它们的情况下存活。
尽管通过这种方式识别新酶靶标的努力令人失望地尚未产生新的抗生素，但它们可能会在未来几年结出硕果。一个主要的挑战是细菌细胞壁构成的强大进入障碍：即使发现了一种能有效抑制重要细菌酶的小分子，如果它无法到达细胞内部的靶标，它也是无用的。除了寻找病原体中的弱点外，发现新抗生素的另一种方法是研究产生抗生素的微生物。基因组学在这里也很有用。
2002年，产生抗生素的细菌的第一个基因组序列的出现引发了一个有趣的谜题：这些微生物（放线菌纲）有25到30个基因组，根据它们的序列，这些基因组看起来像是产生抗生素样分子的酶模块的蓝图，但细菌似乎没有使用大多数这些基因。当在实验室中培养时，它们仅合成了其中一两种分子。
为了查看这些看似休眠的基因是否编码了制造新型抗生素的机制，我们以及我们在哈佛医学院和博德研究所的几位同事正在对另外20种放线菌菌株的基因组进行测序，并应用复杂的计算机算法来挑选出任何可能包含抗生素生产酶模块指令的基因。研究这些模块周围的基因组序列也应该有助于揭示细胞用来确定何时产生抗生素的调控机制。借助这两组信息，我们可以对细胞进行工程改造，以开启所需的基因，以便我们可以测试神秘分子的抗生素活性。
然而，德国萨尔兰大学的一个研究小组没有试图哄骗细菌按需生产抗生素，而是选择将抗生素生产基因从它们不听话的生产者转移到似乎更适合抗生素生产的不同细菌中。罗尔夫·穆勒和他的同事研究粘细菌，这是一类细菌，与放线菌一样，是抗生素的丰富生产者。由于粘细菌比放线菌更难在实验室中培养，因此在筛选它们以寻找新型抗生素生产方面所做的努力要少得多。
穆勒通过将参与产生粘细菌素（一种抗生素样分子）的基因从粘细菌橙色斯蒂格玛菌拼接转移到假单胞菌（一种更容易生长的细菌菌株）来规避这个问题。事实上，假单胞菌通常用于工业有用酶的商业生产。穆勒的工作在应对两个关键挑战——找到一种具有抗生素生产所需代谢基础设施的基因可操作细菌宿主，以及开发将大型DNA片段从一种微生物转移到另一种微生物的技术——方面取得了进展，为发现和生产来自粘细菌的大量新型抗生素打开了大门，并表明大规模粘细菌基因组测序工作是非常值得进行的。
除了探索尚未充分开发的土壤微生物外，研究人员还可以将注意力转向尚未探索的生态环境，这些环境可能富有成效，因为外来环境中的生物更有可能产生尚未发现的抗生素。德国蒂宾根大学的罗德里希·苏斯穆特和他的同事们就做出了这样的发现：一种名为深海霉素的新型抗生素，来自在日本海289米深处采集的沉积物样本中分离出的放线菌。另一个研究海洋细菌的团队——加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯海洋研究所的布拉德利·摩尔、威廉·芬尼卡尔及其同事——对两种以前未知的海洋放线菌菌株的基因组进行了测序。这些基因组显示出多种抗生素和相关分子的基因，为海洋细菌产生新型抗生素类别的潜力提供了进一步的证据。
挖掘有用药物的新生态环境的另一种方法是研究参与互利共生关系的微生物——物种间的相互作用，双方都从中受益。例如，众所周知，南方松甲虫携带一种互利共生真菌，该真菌消化甲虫侵染的松树内部。然而，直到威斯康星大学麦迪逊分校的卡梅伦·柯里、哈佛医学院的乔恩·克拉迪及其研究小组最近表明，甲虫携带第二种互利共生微生物——一种放线菌——产生一种强大的且以前未知的抗真菌剂，才揭开了甲虫如何保护其真菌共生体免受第二种与第一种真菌竞争食物的拮抗真菌菌株侵害的谜团。这种名为菌环霉素的分子杀死了拮抗真菌，但没有杀死互利共生真菌。
德国波恩大学的约恩·皮尔已经表明，另一种甲虫和一种海绵都含有产生相关抗生素样分子的细菌共生体。同样在德国，耶拿汉斯-克诺尔研究所的克里斯蒂安·赫特韦克发现了一种真菌，它携带自己的细菌共生体，产生一种名为根霉素的抗生素样药物。事实上，鬼臼毒素和喜树碱这两种广泛使用的抗癌药物，长期以来一直被认为是植物产生的，实际上是由生活在植物内部的真菌产生的。尽管对共生微生物的探索才刚刚开始，但它们是最有希望的天然抗生素来源之一，可能包括定义新抗生素类别或具有新作用机制的化合物。此外，对共生微生物在我们自身体内作用的探索正在产生新的抗生素治疗方法。
保护盟友
人类像昆虫和海绵一样，拥有丰富的细菌共生体，它们执行一系列有用的功能，从帮助我们消化食物到促进我们免疫系统的正常发育。不幸的是，今天销售的所有抗生素都是钝器；它们不仅杀死引起感染的病原体，还杀死栖息在我们肠道中的有益细菌共生体。在某些情况下，对患者肠道菌群的这种根除为另一种有害细菌菌株（如艰难梭菌）的繁殖扫清了道路，并导致一种新的“继发性”感染，有时这种感染可能比第一次感染更危险。
使用友好的微生物或促进共生体生长的物质，使它们能够战胜病原体，是预防细菌感染的一种方法。尽管这种“益生菌”疗法可能有助于避免促进耐药性的广泛抗生素使用，但尚未证明益生菌在治疗现有感染方面有效。
尽管如此，人们越来越认识到我们天然的肠道菌群可以帮助抵御感染，这导致了一种新的抗菌发现策略：开发窄谱药物，旨在杀死引起感染的病原体，同时保持我们其余的细菌共生体不受影响。例如，位于英国牛津的Prolysis公司尼尔·斯托克斯和他的同事最近开发了一种新的潜在抗生素，它通过阻止金黄色葡萄球菌及其近亲进行细胞分裂来杀死它们，同时保持其他细菌完整。加利福尼亚大学圣地亚哥分校的维克多·尼泽特和安德鲁·王与伊利诺伊大学的埃里克·奥尔德菲尔德领导的一个团队将这一概念向前推进了一步。他们发现了一种药物，可以阻止合成一种色素分子，该色素分子有助于金黄色葡萄球菌的毒力，从而抑制金黄色葡萄球菌使人生病的能力，而实际上并没有杀死细菌。
抑制细菌毒力的实验方法还具有可能避免产生耐药性机制的额外好处。如果一种疗法不杀死病原体，那么自然选择就无法偏爱“幸存者”，耐药菌株也不太可能进化。同样，窄谱方法依赖于寻找病原细菌独有或必不可少的靶标，但在其他细菌中不存在。因此，即使靶标微生物最终对抗药物产生耐药性，至少这种耐药性也不太可能传播并对其他病原体有用。
这些疗法是否能单独使用或作为联合治疗的一部分在现实世界中被证明是实用的，还有待观察。首先，这些药物将需要快速诊断测试，以查明导致患者感染的病原体；已经开发出此类测试，但尚未得到广泛使用。窄谱抗生素及其有限的应用，也可能对制药公司缺乏经济吸引力。
然而，一刀切的抗生素的想法不再可行。在1960年代和1970年代，人们普遍认为传染病即将被征服。最近，大众媒体的报道宣称，多重耐药细菌已经带来了“抗生素的终结”。我们现在知道这两种说法都不正确：人类可能永远无法最终赢得这场与时间的竞赛，但在过去的一个世纪里，新的疗法使我们始终领先病原体一步。必须尽一切努力保持我们的领先地位。
注：本文最初印刷时标题为“绞杀超级细菌的新方法”。