作者:廖洋 来源:科学网微信公众号 发布时间:2021/11/21 18:22:46
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全球每年约1500万人死于感染!微生物耐药有多可怕?

 

2015年11月,世界卫生组织(WHO)开展了第一届的世界提高抗生素认识周(World Antibiotics Awareness Week)。此后,每年11月,世卫组织皆举办了该项活动。2020年,该活动更名为世界提高抗微生物药物认识周(World Antimicrobial Awareness Week)。

在今年世界提高抗微生物药物认识周来临之际,《中国科学报》采访了中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心主任徐健,与大家分享在遏制微生物耐药性方面的前期探索与科研进展。

徐健

中国科学院青岛生物能源与过程所研究员、单细胞中心主任;mSystems高级编委。论文发表于Science、Cell Host Microbe 等140余篇,被引超12000次,H-index 52。获万人计划(拔尖,2012;领军,2019)、国家杰青(2014)、中国青年科技奖(2015)、中源协和生命医学创新突破奖(2016)等支持。单细胞中心提出了拉曼组(ramanome)、最小代谢活性抑制浓度(MIC-MA)等概念,研制和产业化了单细胞拉曼科学仪器系列(CAST-R、FlowRACS、RACS-Seq、EasySort等),开发了菌群元基因组大数据搜索引擎(MSE)等,服务于精准用药、生物能源、合成生物学、生物安全等广阔领域。

谈“抗微生物药物耐药性”色变?

很多人会说,抗微生物药物耐药性是什么?

徐健告诉我们:当细菌、病毒、真菌和寄生虫随时间推移发生改变,不再对药物产生反应,疾病传播、重症疾病和死亡的风险增加,就出现了抗微生物药物耐药性。产生抗微生物药物耐药性的微生物有时被称为“超级细菌”。

由于耐药性,抗生素和其它抗微生物药物失去疗效,感染就变得越来越难以或不可能治疗。

今年,国际抗微生物药物耐药性协调小组发表的一份报告指出,“抗微生物药物耐药性是一个全球性的健康和发展威胁,并在全球范围内不断升级。”不断增强的抗微生物药物耐药性可能导致每年1000万人死亡,经济损失数千亿美元。

现在,你“色变”了吗?

举个“栗子”:微生物耐药可怕吗?

徐健向记者举例,在各国向抗微生物药物的耐药性和使用全球监测系统(GLASS)的报告中,大肠埃希菌对环丙沙星(一种常用于治疗尿路感染的抗生素)的耐药率为8.4%至92.9%。

结核分枝杆菌威胁着遏制全球结核病流行的进展。2018年,全球约有50万例耐利福平结核病新病例,其中绝大多数患有多重耐药结核病,这是一种对两种最强的抗结核药物具有耐药性的结核病。

耐药真菌感染的流行正在加剧,并恶化了本已很困难的治疗形势。许多真菌感染存在可治疗性问题,如毒性,尤其是对患有其它潜在感染(如艾滋病毒)的患者而言。耐药性耳念珠菌会形成侵袭性感染,据报道对氟康唑、两性霉素B和伏立康唑的耐药性日益加强,并出现卡泊芬净耐药性。

简单地说,抗微生物药物耐药性威胁到由细菌、寄生虫、病毒和真菌等引起的越来越多感染的有效预防和治疗。同时,与受到非耐药菌株感染的患者相比,受到同类耐药菌株感染的患者面临较高的临床恶化和死亡风险,需要更多的医疗资源。

感染性疾病临床诊疗不易

据世界卫生组织(WHO)统计数据显示,全球每年约有1500万人死于感染,约占全球每年总死亡率的25.5%。目前,感染性疾病临床诊疗的主要痛点是病因不清与经验用药。

徐健介绍,感染病原相似的临床表征、复杂耐药病原微生物的增加以及免疫抑制宿主的增加,使得感染防治形势愈发严峻。

明确感染的病原体并准确测量其药敏性,才能进行准确有效的治疗。

传统的培养法,由于其操作复杂,检测效率低等诸多局限性,不能满足感染性疾病及时诊断的需要,导致临床治疗大多凭经验对患者用药,容易出现因反复尝试以致病情拖延甚至耽误治疗窗口的情况。

临床耐药性快检:我们有了新技术与新仪器

病不等人!

当前,基于培养原理的病原鉴定和药敏检测一般需要花费2~3天,能否快速、精准地明确病原学诊断并指导临床有效治疗,对避免抗生素滥用、减少细菌耐药性以及降低感染性疾病病死率具有重要意义。针对这一临床紧迫需求,徐健及其单细胞中心临床耐药性快检技术的突破,为此提供了全新的解决方案。

针对全球日益严峻的抗生素耐药性的蔓延形势,在临床需求与技术现状矛盾日益突出的情势下,单细胞中心毅然承担起中国科学院四个面向中“面向人民生命健康”这一核心使命,踏上了开发临床耐药性快检技术的赛道。

该中心先后发表了“重水标记单细胞拉曼耐药性快检(D?O-CAST)”、“单细胞拉曼药物应激条形码(RBCS)”等原理,提出了基于单细胞拉曼光谱、免培养测定“最小代谢活性抑制浓度”(MIC-MA)的概念,并发明了一系列单细胞拉曼分选(RACS)核心器件。进而在国家重大科研仪器研制项目(国家自然科学基金委)的支持下,成功研制出国内外首台基于重水饲喂拉曼光谱原理的药敏检测仪器:临床单细胞拉曼药敏快检仪(CAST-R)。

徐健介绍,单细胞拉曼光谱具有非标记、无损、快速测量细胞代谢表型组、可与单细胞测序对接等优势。基于单细胞拉曼光谱,不需分离培养、可在单细胞精度直接鉴定单细胞种类,并可并行测量底物代谢、物质合成、代谢物互作网络、环境应激、物种间互作等代谢表型组及其细胞间异质性 。

重水饲喂单细胞拉曼耐药性快检(D?O-CAST)的原理是,当代谢活跃的细胞利用氘标记的水分子(重水)时,氘原子会参与细胞脂质合成过程,形成C-D键并替换原有的C-H键,且氘峰替换率(C-D Ratio)与细胞代谢活性线性相关。这一过程可通过单细胞拉曼光谱定量检测。因此,通过比较抗生素处理下的单细胞拉曼光谱之C-D Ratio 变化,可以在单个细胞精度检测抗生素作用下的代谢活性强弱,从而实现免培养的耐药性快检。

针对MIC指数测量不仅耗时耗力、对难以实验室培养或生长缓慢的病菌无能为力、以及无法检测处于“NGMA”(即在药物作用下已经不再增殖但仍然存活)状态的病菌等缺陷,单细胞中心提出了“MIC-MA”指数这一全新的临床药敏和抗菌药效指标。

MIC-MA代表每一个病菌细胞的代谢活性彻底被抑制的最低药物剂量。与MIC相比,MIC-MA具有单细胞精度、免培养、检测代谢活性等表型、下游可耦合单细胞测序、广谱适用于临床菌(所有微生物代谢均需利用水)、可精确定量等核心优势,因此有望成为一个可临床推广应用的全新的药敏与药效指标。

CAST-R基于重水饲喂单细胞拉曼光谱技术与MIC-MA,不需分离培养而直接鉴定病原种类,并测量基于代谢活性抑制的药敏性表型(及其在细胞之间的异质性),大大缩短临床致病菌药敏检测的诊断时间。对于大多数微生物分离株,全流程可在3小时内完成,仅为目前检测时长的1/10。

CAST-R基于重水饲喂单细胞拉曼光谱技术,大幅缩短药敏检测时间

在此基础上,单细胞中心发明了一种在液相环境中测量与分选菌群中目标代谢功能之细菌单细胞的拉曼分选-测序耦合技术RAGE-Seq,并作为一个仪器模块整合入CAST-R。

基于CAST-R,从临床尿液样本中直接识别和分选出耐受特定抗生素的临床尿道感染大肠杆菌细胞,并进行了精确到一个细胞的测序,全基因组覆盖度可达99.5%,与传统上基于一个纯培养菌落(含约10亿个细胞)的测序覆盖度相当。

这一单细胞基因组的高覆盖度,全面、精确地揭示了基因组上所有耐药基因突变,从而在单个细菌细胞精度能够对抗生素耐药表型和基因型进行交叉验证。从临床菌群中直接、精准地获取精准到一个细菌细胞的药敏性表型及其完整基因组,以往还未有先例。

因此,CAST-R的这一独特能力,预计将带来临床感染诊断和用药、耐药性传播监控与机制、超级细菌精准溯源等领域的一系列全新应用。

遏制微生物耐药 我们还可以做更多

科院STS项目的支持下,单细胞中心建立了“微生物药敏单细胞技术临床示范网络”,正与全国各地临床机构联合开展全面、深入的单细胞拉曼药敏技术验证工作。

同时,遵循中国科学院“从书架到货架”的要求,单细胞中心与青岛星赛生物科技有限公司合作,产业化了上述国产原创的单细胞拉曼药敏仪器及配套试剂盒。目前,该中心正征求与临床机构和科研单位的合作,联合开发针对抗生素精准用药领域临床疑难病症的创新解决方案。

2020年,全国人大常委会审议通过了《中华人民共和国生物安全法》,将应对微生物耐药作为生物安全的八大领域之一,微生物耐药问题已上升到了国家安全问题和重大战略组成部分,意义深远。

“在新冠疫情常态化的当下,时刻考验着感染防控体系。遏制微生物耐药国家行动计划的切实践行,需要医产学研的紧密合作,才能通过不断的技术变革与医械创新,来促进抗菌药物精准使用,为健康中国做出更大贡献。”徐健对《中国科学报》表示。

(朱鹏飞、崔晓辉对本文亦有贡献)

 
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