第二节 细菌耐药机制
抗菌药物对某些细菌不起作用，是由于其缺乏该类抗菌药物的作用靶位，为先天性耐药。原来对某种抗菌药物敏感的细菌变得不敏感或耐药，为获得性耐药。获得性耐药的产生，最初是由于染色体的基因突变，细菌发生内源性突变的概率为10－7，通常情况下，突变的耐药细菌并不能快速繁殖，但如果同时在抗菌药物的作用下，敏感的细菌被杀灭，突变的耐药细菌就成为优势菌群而迅速生长，耐药的细菌通过在细菌间传递耐药基因而使耐药菌流行。通常传递耐药基因的是质粒和转座子，质粒可以通过结合、噬菌体转导、转化而在细菌间传播。转座子带有转位酶、溶解酶及其抑制物基因，可以随机转位插入复制体或任一位置而导致细菌产生耐药性。因此，控制细菌耐药的流行，除了防止抗生素选择性压力的耐药突变，也要阻止耐药菌株的传播。下面详述细菌耐药的分子机制。
一、靶位改变
β内酰胺类抗生素通过和青霉素结合蛋白结合而破坏细菌细胞壁肽聚糖的稳定，细菌通过改变PBP的结构，使抗菌药物失去结合的位点或使其和抗菌药物的亲和力下降，从而引起耐药。肺炎链球菌对青霉素的耐药即通过降低PBP对青霉素的亲和力产生耐药。改变PBP结构也是金黄色葡萄球菌对β酰胺类耐药的原因，即所谓的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin resistant staphylococcus aureus，MRSA），通过产生新的青霉素结合蛋白PBP2a，致使所有的β内酰胺类包括青霉素、头孢菌素、碳青霉烯类无效。凝固酶阴性的葡萄球菌其对β酰胺类的耐药机制与此相同。D属链球菌对β内酰胺的耐药也是因为产生低亲和力的PBP。肠球菌对所有头孢菌属的耐药是因为不能和青霉素结合蛋白结合。
万古霉素通过与细胞壁的主要成分肽聚糖的组分D-丙氨酰-丙氨酸（D－Ala－Ala）结合破坏肽聚糖的合成，对万古霉素耐药的肠球菌通过修饰D－Ala－Ala为D-丙氨酰-D-乳酸（D－Ala－D－Lac），大大降低万古霉素对其的亲和力而产生耐药。
大环内酯类、林可霉素、链阳菌素、四环素类、氨基糖苷类药物主要通过与细菌核糖体结合，抑制细菌蛋白质合成而发挥抗菌作用。大环内酯类耐药菌可合成甲基化酶，使位于核糖体50S亚单位的23S rRNA的腺嘌呤甲基化导致抗菌药物不能与结合部位结合。林可霉素及链阳菌素的作用部位相仿，对上述3类抗菌药物常同时耐药，称为MLS耐药。
利福霉素类通过与RNA聚合酶结合，抑制细菌转录过程，而达到抗菌效果。耐利福霉素细菌如大肠埃希菌、结核分枝杆菌，编码RNA聚合酶β亚基的基因（rpoB）可产生突变，导致其不易与利福霉素类药物相结合，而产生耐药。
喹诺酮可抑制DNA拓扑异构酶活性，阻止DNA复制、修复，染色体分离、转录及其他功能，从而发挥杀菌作用。DNA拓扑异构酶Ⅱ又常称为DNA促旋酶，其基因突变可引起耐药，大肠埃希菌gryA基因序列上，残基67～106区域常发生突变，称为gryA耐药。因DNA促旋酶改变而对喹诺酮类抗菌药物产生耐药的细菌还有金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、肠杆菌属和假单胞菌等。DNA拓扑异构酶Ⅳ的改变，产生对药物的低水平耐药。当拓扑异构酶Ⅱ、Ⅳ均发生变化，则为高度耐药。
磺胺类药物作用通过抑制二氢叶酸合成酶或二氢叶酸还原酶，使细菌发生叶酸代谢障碍，而发挥抑菌作用。耐磺胺类药物细菌的二氢叶酸合成酶或二氢叶酸还原酶与磺胺类药物亲和力降低，或靶位酶的合成量增加产生耐药。
二、细菌细胞膜渗透性改变
细菌细胞膜是一种具有高度选择性的渗透性屏障。细胞外膜上的某些特殊蛋白，即膜孔蛋白（porin）是一种非特异性的、跨越细胞膜的水溶性扩散通道。抗菌药物也可通过这些膜孔蛋白进入菌体内部发挥效用。而某些细菌由于膜孔蛋白较少或蛋白通道较小，使某些抗菌药物不能进入菌体内部，称为“先天耐药”或“固有耐药”（intrinsically resistant）。如铜绿假单胞菌对大多数头孢菌素不敏感是由于细胞外膜上没有大多数革兰阴性细菌所具有的典型的高渗透性孔蛋白。细菌可以通过孔蛋白通道关闭或消失降低外膜的渗透性而发展成为耐药，如亚胺培南对铜绿假单胞菌具有较强的活性，这主要是因为它的扩散是通过一个特殊的孔蛋白通道OprD，Opr D缺失则产生对亚胺培南的耐药。
三、细菌主动药物外排机制
抗生素的主动外排耐药机制是在1980年研究大肠埃希菌对四环素的耐药性时发现的，细胞的外排系统为主动耗能过程，能量来源为质子移动力（proton motive force，PMF）或者ATP的分解，细菌对抗生素的主动外排系统一般都为PMF型，而细菌对一些金属离子的外排或者哺乳动物肿瘤细胞的外排系统为ATP型。细菌的外排系统对底物没有严格的选择性，可排出各种抗生素、化学合成抗菌药、金属离子、消毒防腐剂、去污剂、抗菌染料、表面活性剂等，因此，外排系统产生的耐药一般为多重耐药。细菌的主动外排系统也是对其抵御不良外界环境因素和维持内环境稳定的重要手段。细菌主动药物转运系统根据其超分子结构、机制和顺序的同源性等可以分为4类，广泛存在于革兰阳性菌（如金黄色葡萄球菌）、革兰阴性菌（如大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、空肠弯曲菌等）、真菌及哺乳类细胞（如癌细胞）中，其与细菌外膜通透性改变在多重耐药中起重要作用。
四、产生灭活酶或钝化酶
细菌可产生灭活酶或钝化酶，并以此来破坏各种抗菌药物。目前，细菌产生的灭活酶或钝化酶主要是β内酰胺酶、氨基糖苷类钝化酶、氯霉素乙酰转移酶和大环内酯类、林克霉素类、链阳霉素（macrolides-lincosamids-streptogramins，MLS）类钝化酶，其中以对β内酰胺酶研究最为深入。
（一）β内酰胺酶
β内酰胺酶通过与β内酰胺环上的羰基共价结合，水解酰胺键使β内酰胺类抗生素失活，细菌分泌β内酰胺酶在胞周间隙，在抗生素和细胞膜上的青霉素结合蛋白结合前使其失活，无论是革兰阳性菌还是革兰阴性菌均能产生β内酰胺酶，但革兰阴性菌由于有较多的LPS阻止酶的外溢，因此，在革兰阴性菌的膜外周有较多的β内酰胺酶，一个分子的β内酰胺酶能水解103个青霉素。
迄今为止报道的β内酰胺酶已超过300种，1990年Ambler根据酶分子结构的不同将其分为A、B、C、D 4类，A、B、D类酶活性基团为丝胺酸，C类酶的活性基团为锌。其中A、D类酶可被β内酰胺酶抑制剂克拉维酸抑制。1995年Bush将β内酰胺酶分为4组，第1组是不被β内酰胺酶抑制剂克拉维酸抑制的头孢菌素酶，分子类别属C类，大部分由染色体介导，但近年来发现也可由质粒介导。第2组为可被克拉维酸抑制的β内酰胺酶，为数量最多的一组，一半以上由质粒介导。根据抗菌药物的底物不同共分为6个亚组。第3组酶的作用需要金属离子如Zn2＋的参与，故称为金属β内酰胺酶，分子类别属B类，不被克拉维酸抑制，但可被乙二胺四乙酸（EDTA）抑制。第4组包括少量青霉素酶，不被克拉维酸抑制，主要由染色体介导。
多数临床常见致病菌均可产生β内酰胺酶，由革兰阳性菌产生的β内酰胺酶以葡萄球菌属产生的青霉素酶最重要。在革兰阴性菌中，以超广谱β内酰胺酶（ESBLs）和AmpC酶最受重视。超广谱β内酰胺酶对第三代头孢菌素如头孢他啶、头孢噻肟以及单环类抗菌药物如氨曲南等药物一种或多种耐药，主要由肠杆菌科细菌如肺炎克雷伯菌、大肠埃希菌产生，ESBLs大部分由质粒介导。AmpC酶为不被克拉维酸抑制的头孢菌素酶，主要由肠杆菌属细菌如阴沟肠杆菌、弗劳地枸橼酸杆菌等产生，可水解第三代头孢菌素及单环类抗生素，AmpC酶以诱导酶和非诱导酶存在于不同的细菌中，第三代头孢菌素是AmpC的强诱导剂。
（二）氨基糖苷类钝化酶
氨基糖苷类钝化酶可修饰氨基糖苷类分子中某些保持抗菌活性所必需的基团，使其与作用靶位核糖体的亲和力大为降低。这些钝化酶包括酰基转移酶、腺苷转移酶或核苷转移酶以及磷酸转移酶等。
（三）MSL类钝化酶
MSL类抗菌药物因其结构的差异，细菌产生的钝化酶也有差异。对红霉素具有高度耐受性的肠杆菌属、大肠埃希菌中存在红霉素钝化酶，红霉素钝化酶可水解红霉素和竹桃霉素的大环内酯结构。这些酯酶似乎专一性地作用于十四元环的大环内酯类抗菌药物，它们对十六元环抗菌药物如交沙霉素、麦迪霉素、罗沙米星和螺旋霉素都没有作用。林可霉素类钝化酶在很多葡萄球菌和乳酸杆菌中被发现，使抗菌药物分子的羟基磷酸化或核苷酰化。编码MLS钝化酶的基因主要位于质粒上，最近发现在对链阳菌素A和林可霉素类抗菌药物产生耐药的金黄色葡萄球菌中，有定位于染色体上的编码钝化酶的耐药基因。
（四）氯霉素钝化酶
氯霉素钝化酶是酰基转移酶（chloramphenicol acetyltransferase，CAT）。该酶存在于葡萄球菌、D组链球菌、肺炎链球菌、肠杆菌属和奈瑟菌中，其编码基因可以定位在染色体上，也可以定位在质粒上。
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