全球每年約1500萬人死于感染！微生物耐藥有多可怕？

　　2015年11月，世界衛生組織（WHO）開展了第一屆的世界提高抗生素認識周（World Antibiotics Awareness Week）。此后，每年11月，世衛組織皆舉辦了該項活動。2020年，該活動更名為世界提高抗微生物藥物認識周（World Antimicrobial Awareness Week）。

　　在今年世界提高抗微生物藥物認識周來臨之際，《中國科學報》采訪了中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心主任徐健，與大家分享在遏制微生物耐藥性方面的前期探索與科研進展。

　　中國科學院青島生物能源與過程所研究員、單細胞中心主任；mSystems高級編委。論文發表于Science、Cell Host Microbe 等140余篇，被引超12000次，H-index 52。獲萬人計劃（拔尖，2012；領軍，2019）、國家杰青（2014）、中國青年科技獎（2015）、中源協和生命醫學創新突破獎（2016）等支持。單細胞中心提出了拉曼組（ramanome）、最小代謝活性抑制濃度（MIC-MA）等概念，研制和產業化了單細胞拉曼科學儀器系列（CAST-R、FlowRACS、RACS-Seq、EasySort等），開發了菌群元基因組大數據搜索引擎（MSE）等，服務于精準用藥、生物能源、合成生物學、生物安全等廣闊領域。

　　談“抗微生物藥物耐藥性”色變？

　　很多人會說，抗微生物藥物耐藥性是什么？

　　徐健告訴我們：當細菌、病毒、真菌和寄生蟲隨時間推移發生改變，不再對藥物產生反應，疾病傳播、重癥疾病和死亡的風險增加，就出現了抗微生物藥物耐藥性。產生抗微生物藥物耐藥性的微生物有時被稱為“超級細菌”。

　　由于耐藥性，抗生素和其它抗微生物藥物失去療效，感染就變得越來越難以或不可能治療。

　　今年，國際抗微生物藥物耐藥性協調小組發表的一份報告指出，“抗微生物藥物耐藥性是一個全球性的健康和發展威脅，并在全球范圍內不斷升級。”不斷增強的抗微生物藥物耐藥性可能導致每年1000萬人死亡，經濟損失數千億美元。

　　現在，你“色變”了嗎？

　　舉個“栗子”：微生物耐藥可怕嗎？

　　徐健向記者舉例，在各國向抗微生物藥物的耐藥性和使用全球監測系統（GLASS）的報告中，大腸埃希菌對環丙沙星（一種常用于治療尿路感染的抗生素）的耐藥率為8.4%至92.9%。

　　結核分枝桿菌威脅著遏制全球結核病流行的進展。2018年，全球約有50萬例耐利福平結核病新病例，其中絕大多數患有多重耐藥結核病，這是一種對兩種最強的抗結核藥物具有耐藥性的結核病。

　　耐藥真菌感染的流行正在加劇，并惡化了本已很困難的治療形勢。許多真菌感染存在可治療性問題，如毒性，尤其是對患有其它潛在感染（如艾滋病毒）的患者而言。耐藥性耳念珠菌會形成侵襲性感染，據報道對氟康唑、兩性霉素B和伏立康唑的耐藥性日益加強，并出現卡泊芬凈耐藥性。

　　簡單地說，抗微生物藥物耐藥性威脅到由細菌、寄生蟲、病毒和真菌等引起的越來越多感染的有效預防和治療。同時，與受到非耐藥菌株感染的患者相比，受到同類耐藥菌株感染的患者面臨較高的臨床惡化和死亡風險，需要更多的醫療資源。

　　感染性疾病臨床診療不易

　　據世界衛生組織(WHO)統計數據顯示，全球每年約有1500萬人死于感染，約占全球每年總死亡率的25.5%。目前，感染性疾病臨床診療的主要痛點是病因不清與經驗用藥。

　　徐健介紹，感染病原相似的臨床表征、復雜耐藥病原微生物的增加以及免疫抑制宿主的增加，使得感染防治形勢愈發嚴峻。

　　明確感染的病原體并準確測量其藥敏性，才能進行準確有效的治療。

　　傳統的培養法，由于其操作復雜，檢測效率低等諸多局限性，不能滿足感染性疾病及時診斷的需要，導致臨床治療大多憑經驗對患者用藥，容易出現因反復嘗試以致病情拖延甚至耽誤治療窗口的情況。

　　臨床耐藥性快檢：我們有了新技術與新儀器

　　病不等人！

　　當前，基于培養原理的病原鑒定和藥敏檢測一般需要花費2~3天，能否快速、精準地明確病原學診斷并指導臨床有效治療，對避免抗生素濫用、減少細菌耐藥性以及降低感染性疾病病死率具有重要意義。針對這一臨床緊迫需求，徐健及其單細胞中心臨床耐藥性快檢技術的突破，為此提供了全新的解決方案。

　　針對全球日益嚴峻的抗生素耐藥性的蔓延形勢，在臨床需求與技術現狀矛盾日益突出的情勢下，單細胞中心毅然承擔起中國科學院四個面向中“面向人民生命健康”這一核心使命，踏上了開發臨床耐藥性快檢技術的賽道。

　　該中心先后發表了“重水標記單細胞拉曼耐藥性快檢（D?O-CAST）”、“單細胞拉曼藥物應激條形碼（RBCS）”等原理，提出了基于單細胞拉曼光譜、免培養測定“最小代謝活性抑制濃度”（MIC-MA）的概念，并發明了一系列單細胞拉曼分選（RACS）核心器件。進而在國家重大科研儀器研制項目（國家自然科學基金委）的支持下，成功研制出國內外首臺基于重水飼喂拉曼光譜原理的藥敏檢測儀器：臨床單細胞拉曼藥敏快檢儀（CAST-R）。

　　徐健介紹，單細胞拉曼光譜具有非標記、無損、快速測量細胞代謝表型組、可與單細胞測序對接等優勢。基于單細胞拉曼光譜，不需分離培養、可在單細胞精度直接鑒定單細胞種類，并可并行測量底物代謝、物質合成、代謝物互作網絡、環境應激、物種間互作等代謝表型組及其細胞間異質性 。

　　重水飼喂單細胞拉曼耐藥性快檢（D?O-CAST）的原理是，當代謝活躍的細胞利用氘標記的水分子（重水）時，氘原子會參與細胞脂質合成過程，形成C-D鍵并替換原有的C-H鍵，且氘峰替換率（C-D Ratio）與細胞代謝活性線性相關。這一過程可通過單細胞拉曼光譜定量檢測。因此，通過比較抗生素處理下的單細胞拉曼光譜之C-D Ratio 變化，可以在單個細胞精度檢測抗生素作用下的代謝活性強弱，從而實現免培養的耐藥性快檢。

　　針對MIC指數測量不僅耗時耗力、對難以實驗室培養或生長緩慢的病菌無能為力、以及無法檢測處于“NGMA”（即在藥物作用下已經不再增殖但仍然存活）狀態的病菌等缺陷，單細胞中心提出了“MIC-MA”指數這一全新的臨床藥敏和抗菌藥效指標。

　　MIC-MA代表每一個病菌細胞的代謝活性徹底被抑制的最低藥物劑量。與MIC相比，MIC-MA具有單細胞精度、免培養、檢測代謝活性等表型、下游可耦合單細胞測序、廣譜適用于臨床菌（所有微生物代謝均需利用水）、可精確定量等核心優勢，因此有望成為一個可臨床推廣應用的全新的藥敏與藥效指標。

　　CAST-R基于重水飼喂單細胞拉曼光譜技術與MIC-MA，不需分離培養而直接鑒定病原種類，并測量基于代謝活性抑制的藥敏性表型（及其在細胞之間的異質性），大大縮短臨床致病菌藥敏檢測的診斷時間。對于大多數微生物分離株，全流程可在3小時內完成，僅為目前檢測時長的1/10。

　　CAST-R基于重水飼喂單細胞拉曼光譜技術，大幅縮短藥敏檢測時間

　　在此基礎上，單細胞中心發明了一種在液相環境中測量與分選菌群中目標代謝功能之細菌單細胞的拉曼分選-測序耦合技術RAGE-Seq，并作為一個儀器模塊整合入CAST-R。

　　基于CAST-R，從臨床尿液樣本中直接識別和分選出耐受特定抗生素的臨床尿道感染大腸桿菌細胞，并進行了精確到一個細胞的測序，全基因組覆蓋度可達99.5%，與傳統上基于一個純培養菌落（含約10億個細胞）的測序覆蓋度相當。

　　這一單細胞基因組的高覆蓋度，全面、精確地揭示了基因組上所有耐藥基因突變，從而在單個細菌細胞精度能夠對抗生素耐藥表型和基因型進行交叉驗證。從臨床菌群中直接、精準地獲取精準到一個細菌細胞的藥敏性表型及其完整基因組，以往還未有先例。

　　因此，CAST-R的這一獨特能力，預計將帶來臨床感染診斷和用藥、耐藥性傳播監控與機制、超級細菌精準溯源等領域的一系列全新應用。

　　遏制微生物耐藥 我們還可以做更多

　　在中科院STS項目的支持下，單細胞中心建立了“微生物藥敏單細胞技術臨床示范網絡”，正與全國各地臨床機構聯合開展全面、深入的單細胞拉曼藥敏技術驗證工作。

　　同時，遵循中國科學院“從書架到貨架”的要求，單細胞中心與青島星賽生物科技有限公司合作，產業化了上述國產原創的單細胞拉曼藥敏儀器及配套試劑盒。目前，該中心正征求與臨床機構和科研單位的合作，聯合開發針對抗生素精準用藥領域臨床疑難病癥的創新解決方案。

　　2020年，全國人大常委會審議通過了《中華人民共和國生物安全法》，將應對微生物耐藥作為生物安全的八大領域之一，微生物耐藥問題已上升到了國家安全問題和重大戰略組成部分，意義深遠。

　　“在新冠疫情常態化的當下，時刻考驗著感染防控體系。遏制微生物耐藥國家行動計劃的切實踐行，需要醫產學研的緊密合作，才能通過不斷的技術變革與醫械創新，來促進抗菌藥物精準使用，為健康中國做出更大貢獻。”徐健對《中國科學報》表示。