u邪 上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称：生物技术与人类课程编号：BI906 姓名：蓝靓 班级： F1208202学号： 5120829030专业：生物医学工程 课程小论文 题目编号 8 得分 序号 选题 1 “绿色革命”与农业基因工程 3 “黄金水稻”所引发的故事 3 美化环境的基因科学 4 世界首例艾滋病治愈前后观 5 从两性人说起性别的决定 6 DNA巧破悬案 7 从基因到药物的故事 8 耐药菌是如何生产的 9 化解能源危机的微生物 10 奥林匹克竞技场背后的基因高科技 11 姓氏背后的基因科学 12 基因间谍战 13 非典型战争一一生物战与基因武器 14 走进生物“芯”时代 15 人生预报一一透过基因看未来 16 基因的伦理 17 转基因是天使还是恶魔
上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类 课程编号： BI906 姓名： 蓝靓 班级： F1208202 学号： 5120829030 专业： 生物医学工程 课程小论文 题目编号 8 得分 序号 选题 1 “绿色革命”与农业基因工程 2 “黄金水稻”所引发的故事 3 美化环境的基因科学 4 世界首例艾滋病治愈前后观 5 从两性人说起性别的决定 6 DNA 巧破悬案 7 从基因到药物的故事 8 耐药菌是如何生产的 9 化解能源危机的微生物 10 奥林匹克竞技场背后的基因高科技 11 姓氏背后的基因科学 12 基因间谍战 13 非典型战争——生物战与基因武器 14 走进生物“芯”时代 15 人生预报——透过基因看未来 16 基因的伦理 17 转基因是天使还是恶魔
耐药菌是如何产生的 蓝靓 (上海交通大学生物医学工程学院生物医学工程专业，上海200240) 摘要：抗生素的发现，使人类避免了细菌感染的厄运，拯救了无数的生命。各种抗生素 的发现和使用，除了对人类的健康产生了积极的影响，同时长时间的抗生素的使用也为细菌 提供了筛选条件，变异后能在抗生素环境中存活的细菌，就具有了耐药性，对人类健康产生 威胁。 关键词：抗生素；耐药性；耐药菌 The Emergence of Drug-resistant Bacteria Lan Liang (Department of Biomedical Engineering.School of Biomedical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China) Abstract:The discovery of antibiotics kept human beings out from infections of bacteria,saving thousands of millions of lives.The discovery and utilization of all kinds of antibiotics helps a lot in human health keeping,but a long-time utilization also plays a role as a filter.Those surviving in the environment with antibiotics become drug-resistant and threat human health. Key words:antibiotics;drug-resistance;drug-resistant bacteria: 引言 抗生素的大量使用，为人们防止细菌感染提供了很好的防护，与此同时，也为耐药菌的 出现提供了契机。抗生素的滥用是现在各种耐药菌出现的主要原因，合理使用抗生素，如何 对抗耐药菌，是人类需要面对的重大问题。 1抗生素发现简史 1929年英国细菌学家弗莱明在培养皿中培养细菌时，发现从空气中偶然落在培养基上的 青霉菌长出的菌落周围没有细菌生长，他认为是青霉菌产生了某种化学物质，分泌到培养基 里抑制了细菌的生长。这种化学物质便是最先发现的抗生素一一青霉素。青霉素治愈了梅毒 和淋病，而且在当时没有任何明显的副作用 1947年，美国微生物学家瓦克斯曼又在放线菌中发现、并且制成了治疗结核病的链霉素。 1947年出现氯霉素，它主要针对痢疾、炭疽病菌，治疗轻度感染。 1948年四环素出现，这是最早的广谱抗生素。在当时看来，它能够在还未确诊的情况下 有效地使用。今天四环素基本上只被用于家畜饲养。 1956年礼来公司发明了万古霉素被称为抗生素的最后武器。因为它对G+细菌细胞壁、细 胞膜和RNA有三重杀菌机制，不易诱导细菌对其产生耐药。 从青霉素发现到现在，过去了半个多世纪，科学家已经发现了近万种抗生素。不过它们 之中的绝大多数毒性太大，适合作为治疗人类或牲畜传染病的药品还不到百种。抗生素的效 用不只在于杀死细菌，还可以抑制各种病原微生物的生长，“生物药物素”的名字显得更为 合适
耐药菌是如何产生的 蓝 靓 （上海交通大学生物医学工程学院生物医学工程专业，上海 200240） 摘 要：抗生素的发现，使人类避免了细菌感染的厄运，拯救了无数的生命。各种抗生素 的发现和使用，除了对人类的健康产生了积极的影响，同时长时间的抗生素的使用也为细菌 提供了筛选条件，变异后能在抗生素环境中存活的细菌，就具有了耐药性，对人类健康产生 威胁。 关键词：抗生素；耐药性；耐药菌 The Emergence of Drug-resistant Bacteria Lan Liang (Department of Biomedical Engineering, School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: The discovery of antibiotics kept human beings out from infections of bacteria,saving thousands of millions of lives.The discovery and utilization of all kinds of antibiotics helps a lot in human health keeping,but a long-time utilization also plays a role as a filter.Those surviving in the environment with antibiotics become drug-resistant and threat human health. Key words: antibiotics; drug-resistance; drug-resistant bacteria; 引言 抗生素的大量使用，为人们防止细菌感染提供了很好的防护，与此同时，也为耐药菌的 出现提供了契机。抗生素的滥用是现在各种耐药菌出现的主要原因，合理使用抗生素，如何 对抗耐药菌，是人类需要面对的重大问题。 1 抗生素发现简史 1929 年英国细菌学家弗莱明在培养皿中培养细菌时，发现从空气中偶然落在培养基上的 青霉菌长出的菌落周围没有细菌生长，他认为是青霉菌产生了某种化学物质，分泌到培养基 里抑制了细菌的生长。这种化学物质便是最先发现的抗生素——青霉素。青霉素治愈了梅毒 和淋病，而且在当时没有任何明显的副作用 1947 年，美国微生物学家瓦克斯曼又在放线菌中发现、并且制成了治疗结核病的链霉素。 1947 年出现氯霉素，它主要针对痢疾、炭疽病菌，治疗轻度感染。 1948 年四环素出现，这是最早的广谱抗生素。在当时看来，它能够在还未确诊的情况下 有效地使用。今天四环素基本上只被用于家畜饲养。 1956 年礼来公司发明了万古霉素被称为抗生素的最后武器。因为它对 G+细菌细胞壁、细 胞膜和 RNA 有三重杀菌机制，不易诱导细菌对其产生耐药。 从青霉素发现到现在，过去了半个多世纪，科学家已经发现了近万种抗生素。不过它们 之中的绝大多数毒性太大，适合作为治疗人类或牲畜传染病的药品还不到百种。抗生素的效 用不只在于杀死细菌，还可以抑制各种病原微生物的生长，“生物药物素”的名字显得更为 合适
2抗生素杀菌机制 2.1抑制细胞壁的合成 抑制细胞壁的合成会导致细菌细胞破裂死亡，以这种方式作用的抗菌药物包括青霉素类 和头孢菌素类，哺乳动物的细胞没有细胞壁，不受这些药物的影响。细菌的细胞壁主要是肽 聚糖，而合成肽链的细胞器为核糖体，核糖体是细菌的唯一细胞器。但是使用频繁会导致细 菌的抗药性增强。 这一作用的达成依赖于细菌细胞壁的一种蛋白，通常称为青霉素结合蛋白(PBPs),B 内酰胺类抗生素能和这种蛋白结合从而抑制细胞壁的合成，所以PBPs也是这类药物的作用靶 点。 2.2与细胞膜相互作用 一些抗菌素与细胞的细胞膜相互作用而影响膜的渗透性，这对细胞具有致命的作用。 以这种方式作用的抗生素有多粘菌素和短杆菌素。 2.3干扰蛋白质的合成 干扰蛋白质的合成意味着细胞存活所必需的酶不能被合成。 干扰蛋白质合成的抗生素包括福霉素（放线菌素）类、氨基糖苷类、四环素类和氯霉素。 2.4抑制核酸的转录和复制抑制 核酸的功能阻止了细胞分裂和/或所需酶的合成。 以这种方式作用的抗生素包括萘啶酸和二氯基吖啶。 3耐药菌出现机理 细菌的生长繁殖速度是很快的，自然其进化速度也十分快。在正常的繁殖过程中，会出 现基因突变。大量的抗生素的使用或者长时间的抗生素的使用，为基因突变后的细菌提供了 定向的筛选条件。在抗生素环境下能够生存的细菌便具有了耐药性，并将之作为遗传特性遗 传给子代。 细菌的结构相对简单，繁殖机制却十分复杂，其基因来源广泛，这可以解释细菌耐药基 因种类和数量的快速增长。 细菌的基因交换，不仅在同种内，而且还可以发生在不同的物种之间，甚至能够从己经 死亡的同类散落的DNA中获得基因。事实上，这些年来，每一种己知的致病菌都已或多或少 的获得了耐药基因。研究人员对一株耐万古霉素肠球菌的分析表明，它的基因组中，超过四 分之一的基因，包括所有耐抗生素基因，都是外来的。耐多种抗生素的鲍氏不动杆菌也是在 与其他菌种交换基因中获得了大部分耐药基因。 4细菌耐药机制 4.1使抗生素分解或失去活性 细菌产生一种或多种水解酶或钝化酶来水解或修饰进入细菌内的抗生素使之失去生物活 性
2 抗生素杀菌机制 2.1 抑制细胞壁的合成 抑制细胞壁的合成会导致细菌细胞破裂死亡，以这种方式作用的抗菌药物包括青霉素类 和头孢菌素类，哺乳动物的细胞没有细胞壁，不受这些药物的影响。细菌的细胞壁主要是肽 聚糖，而合成肽链的细胞器为核糖体，核糖体是细菌的唯一细胞器。 但是使用频繁会导致细 菌的抗药性增强。 这一作用的达成依赖于细菌细胞壁的一种蛋白，通常称为青霉素结合蛋白（PBPs），β 内酰胺类抗生素能和这种蛋白结合从而抑制细胞壁的合成，所以 PBPs 也是这类药物的作用靶 点。 2.2 与细胞膜相互作用 一些抗菌素与细胞的细胞膜相互作用而影响膜的渗透性，这对细胞具有致命的作用。 以这种方式作用的抗生素有多粘菌素和短杆菌素。 2.3 干扰蛋白质的合成 干扰蛋白质的合成意味着细胞存活所必需的酶不能被合成。 干扰蛋白质合成的抗生素包括福霉素（放线菌素）类、氨基糖苷类、四环素类和氯霉素。 2.4 抑制核酸的转录和复制抑制 核酸的功能阻止了细胞分裂和/或所需酶的合成。 以这种方式作用的抗生素包括萘啶酸和二氯基吖啶。 3 耐药菌出现机理 细菌的生长繁殖速度是很快的，自然其进化速度也十分快。在正常的繁殖过程中，会出 现基因突变。大量的抗生素的使用或者长时间的抗生素的使用，为基因突变后的细菌提供了 定向的筛选条件。在抗生素环境下能够生存的细菌便具有了耐药性，并将之作为遗传特性遗 传给子代。 细菌的结构相对简单，繁殖机制却十分复杂，其基因来源广泛，这可以解释细菌耐药基 因种类和数量的快速增长。 细菌的基因交换，不仅在同种内，而且还可以发生在不同的物种之间，甚至能够从已经 死亡的同类散落的 DNA 中获得基因。事实上，这些年来，每一种已知的致病菌都已或多或少 的获得了耐药基因。研究人员对一株耐万古霉素肠球菌的分析表明，它的基因组中，超过四 分之一的基因，包括所有耐抗生素基因，都是外来的。耐多种抗生素的鲍氏不动杆菌也是在 与其他菌种交换基因中获得了大部分耐药基因。 4 细菌耐药机制 4.1 使抗生素分解或失去活性 细菌产生一种或多种水解酶或钝化酶来水解或修饰进入细菌内的抗生素使之失去生物活 性
如：细菌产生的β-内酰胺酶能使含阝-内酰胺环的抗生素分解：细菌产生的钝化酶（磷酸转 移酶、核酸转移酶、乙酰转移酶)使氨基糖苷类抗生素失去抗菌活性。 4.2使抗菌药物作用的靶点发生改变 由于细菌自身发生突变或细菌产生某种酶的修饰使抗生素的作用靶点（如核酸或核蛋白） 的结构发生变化，使抗菌药物无法发挥作用。 如：耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌是通过对青霉素的蛋白结合部位进行修饰，使细菌对 药物不敏感所致。 4.3细胞特性的改变 细菌细胞膜是一种具有高度选择性的通透屏障，抗生素大多通过膜上的一类水溶性通道 蛋白进入菌体内部发挥作用.这类蛋白叫做膜孔蛋白或多膜蛋白，重要有OMPF、OMPC、OMPE 3种。疏水性强的药物如甲氧西林易对G-菌产生耐药，带负电多的抗生素分子不易通过外膜 通道蛋白，这些机制都使某些细菌对相应药物产生耐药性。由于某些细菌发生基因突变，可 以使其通道蛋白关闭或消失，于是对相应抗生素产生明显耐药，如铜绿假单胞菌失去特异性 外膜蛋白D2后对原来敏感的亚胺培南发生耐药。 4.4细菌产生药泵将进入细胞的抗生素泵出细胞 细菌的外膜上存在特殊的药物泵出系统，这一机能是细菌对四环素、大环内酯类抗生素耐 药的重要机制，也是金黄色葡萄球菌对喹诺酮类药物耐药的重要机制。如铜绿假单胞菌存在 多种外排系统，如MexAB-oprm、MexCD-oprJ、MexEF-.oprN、Mexxy--oprM、Mex.Jk-oprM、 Mex-H-opmD和Mexwr-oprM,是其固有耐药性或获得性多重耐药性形成的主要原因。 4.5改变代谢途径 如磺胺药与对氨基苯甲苯酸(PABA),竞争二氢喋酸合成酶而产生抑菌作用。再如，金 黄色葡萄球菌多次接触磺胺药后，其自身的PABA产量增加。 5超级细菌 超级细菌是一种耐药性细菌，这种超级细菌能在人身上造成浓疮和毒疱，甚至逐渐让人 的肌肉坏死。更可怕的是，抗生素药物对它不起作用，病人会因为感染而引起可怕的炎症， 高烧、痉挛、昏迷直到最后死亡。“超级细菌”更为科学的称谓应该是“产NDM1耐药细菌 引”，即携带有NDM-1基因，能够编码I型新德里金属β-内酰胺酶，对绝大多数抗生素（替 加环素、多粘菌素除外)不再敏感的细菌。临床上多为使用碳青霉烯类抗生素治疗无效的大 肠埃希菌和肺炎克雷伯菌等革兰氏阴性菌造成的感染。 “超级细菌”泛指临床上出现的多种耐药菌，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、 抗万古霉素肠球菌(VRE)、耐多药肺炎链球菌(MDRSP)、多重抗药性结核杆菌(MDR-TB), 以及碳青霉烯酶肺炎克雷伯菌(KPC)等。此次发现的“产NDM-1耐药细菌”与传统“超级 细菌”相比，其耐药性己经不再是仅仅针对数种抗生素具有“多重耐药性”，而是对绝大多 数抗生素均不敏感，这被称为“泛耐药性”(pan-drug resistance,PDR)
如：细菌产生的β-内酰胺酶能使含β-内酰胺环的抗生素分解；细菌产生的钝化酶（磷酸转 移酶、核酸转移酶、乙酰转移酶）使氨基糖苷类抗生素失去抗菌活性。 4.2 使抗菌药物作用的靶点发生改变 由于细菌自身发生突变或细菌产生某种酶的修饰使抗生素的作用靶点（如核酸或核蛋白） 的结构发生变化，使抗菌药物无法发挥作用。 如：耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌是通过对青霉素的蛋白结合部位进行修饰，使细菌对 药物不敏感所致。 4.3 细胞特性的改变 细菌细胞膜是一种具有高度选择性的通透屏障，抗生素大多通过膜上的一类水溶性通道 蛋白进入菌体内部发挥作用,这类蛋白叫做膜孔蛋白或多膜蛋白，重要有 OMPF、OMPC、OMPE 3 种。疏水性强的药物如甲氧西林易对 G-菌产生耐药，带负电多的抗生素分子不易通过外膜 通道蛋白，这些机制都使某些细菌对相应药物产生耐药性。由于某些细菌发生基因突变，可 以使其通道蛋白关闭或消失，于是对相应抗生素产生明显耐药，如铜绿假单胞菌失去特异性 外膜蛋白 D2 后对原来敏感的亚胺培南发生耐药。 4.4 细菌产生药泵将进入细胞的抗生素泵出细胞 细菌的外膜上存在特殊的药物泵出系统,这一机能是细菌对四环素、大环内酯类抗生素耐 药的重要机制，也是金黄色葡萄球菌对喹诺酮类药物耐药的重要机制。如铜绿假单胞菌存在 多种外排系统，如 MexAB-oprm、MexCD-oprJ、MexEF-oprN、Mexxy-oprM、MexJk-oprM、 Mex-HI-opmD 和 Mexwr-oprM，是其固有耐药性或获得性多重耐药性形成的主要原因。 4.5 改变代谢途径 如磺胺药与对氨基苯甲苯酸（PABA），竞争二氢喋酸合成酶而产生抑菌作用。再如，金 黄色葡萄球菌多次接触磺胺药后，其自身的 PABA 产量增加。 5 超级细菌 超级细菌是一种耐药性细菌，这种超级细菌能在人身上造成浓疮和毒疱，甚至逐渐让人 的肌肉坏死。更可怕的是，抗生素药物对它不起作用，病人会因为感染而引起可怕的炎症， 高烧、痉挛、昏迷直到最后死亡。“超级细菌”更为科学的称谓应该是“产 NDM-1 耐药细菌 引”，即携带有 NDM-1 基因，能够编码Ⅰ型新德里金属β-内酰胺酶，对绝大多数抗生素（替 加环素、多粘菌素除外）不再敏感的细菌。临床上多为使用碳青霉烯类抗生素治疗无效的大 肠埃希菌和肺炎克雷伯菌等革兰氏阴性菌造成的感染。 “超级细菌”泛指临床上出现的多种耐药菌，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、 抗万古霉素肠球菌（VRE）、耐多药肺炎链球菌（MDRSP）、多重抗药性结核杆菌（MDR-TB）， 以及碳青霉烯酶肺炎克雷伯菌（KPC）等。此次发现的“产 NDM-1 耐药细菌”与传统“超级 细菌”相比，其耐药性已经不再是仅仅针对数种抗生素具有“多重耐药性”，而是对绝大多 数抗生素均不敏感，这被称为 “泛耐药性”（pan-drug resistance，PDR）
6应对策略 6.1使用限制，加强监管 抗生素的滥用不是个人问题，需要国家以法律法规的形式加以限制。从国家的高度，阻 止抗生素的滥用，如：规定何种情况何种单位可以使用抗生素等等。 6.2合理用药 据悉，对抗菌药物实行分级分类管理已经是世界通行做法，世界卫生组织也有相似分类 表，对社区，世界卫生组织原则上推荐的种类是150种左右，对区域性医院则是400-500种。 加强合理用药监测系统、抗菌药物临床应用监测网和细菌耐药监测网的建设和监测力度， 进一步完善监测技术方案，扩大监测范围，细化抗菌药物临床应用和细菌耐药数据的统计分 析，更好地指导临床合理使用抗菌药物。 [参考文献] [1]潘劲草，刘克洲.整合子在革兰阴性菌获得性耐药形成机制中的作用[J刀.国外医学流 行病学传染学分册，2004,31(5)：289291. [2]曹彬，王辉，朱元珏，等.多药耐药铜绿假单胞菌医院感染危险因素及预后因素分析[J]. 中华结核和呼吸杂志，2004,27(1)：31-35 [3]Rowe-Magnus DA,Guerout AM,Mazel D.Bacterial resist-ance evolution by recruitment of super-integron gene cassettes[J].Mol Microbiol,2002,43(6):1657-1669. [4]Leverstein-van Hall MA,Blok MHE,Donders TAR,et al.Multidrug resistance among Enterobacteriaceae is strongly as-sociated with the presence of integrons and is independent of species or isolate origin[J].J Infect Dis,2003,187(2):251-259. [5]王辉，陈民钧.碳青酶烯酶：未来困扰我们的难题[J].中华内科杂志，2003,42（⑤）： 354-356. [6]孟甄，金建玲，刘玉庆，等.细菌耐药性的诱导与消除[J].中华药理学通报，2003， 19(9):1047-1050. [7]Anderson D.(2003)."Persistence of antibiotic resistant bacteria".Current Opinion in Microbiology 6(5):452-456
6 应对策略 6.1 使用限制，加强监管 抗生素的滥用不是个人问题，需要国家以法律法规的形式加以限制。从国家的高度，阻 止抗生素的滥用，如：规定何种情况何种单位可以使用抗生素等等。 6.2 合理用药 据悉，对抗菌药物实行分级分类管理已经是世界通行做法，世界卫生组织也有相似分类 表，对社区，世界卫生组织原则上推荐的种类是 150 种左右，对区域性医院则是 400~500 种。 加强合理用药监测系统、抗菌药物临床应用监测网和细菌耐药监测网的建设和监测力度， 进一步完善监测技术方案，扩大监测范围，细化抗菌药物临床应用和细菌耐药数据的统计分 析，更好地指导临床合理使用抗菌药物。 [参考文献] [1]潘劲草,刘克洲.整合子在革兰阴性菌获得性耐药形成机制中的作用[J].国外医学流 行病学传染学分册,2004,31(5):289-291. [2]曹彬,王辉,朱元珏,等.多药耐药铜绿假单胞菌医院感染危险因素及预后因素分析[J]. 中华结核和呼吸杂志,2004,27(1):31-35. [3]Rowe-Magnus DA,Guerout AM,Mazel D.Bacterial resist-ance evolution by recruitment of super-integron gene cassettes[J].Mol Microbiol,2002,43(6):1657-1669. [4]Leverstein-van Hall MA,Blok MHE,Donders TAR,et al.Multidrug resistance among Enterobacteriaceae is strongly as-sociated with the presence of integrons and is independent of species or isolate origin[J].J Infect Dis,2003,187(2):251-259. [5]王辉,陈民钧.碳青酶烯酶：未来困扰我们的难题[J].中华内科杂志，2003，42(5)： 354-356. [6]孟甄,金建玲,刘玉庆,等.细菌耐药性的诱导与消除[J].中华药理学通报，2003， 19(9)：1047-1050. [7]Anderson D. (2003). "Persistence of antibiotic resistant bacteria".Current Opinion in Microbiology 6 (5): 452–456