Ding, J., et al., Combating Klebsiella pneumoniae: from antimicrobial resistance mechanisms to phage-based combination therapies. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2025. 15: p. 1691215.
在全球公共卫生面临的诸多挑战中,多重耐药(MDR)肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae,KP)的蔓延无疑是最为紧迫的危机之一。作为医院内感染和社区获得性感染的主要病原体,KP不仅引起肺炎、尿路感染和菌血症,其耐药性的进化速度更是令人咋舌。特别是碳青霉烯耐药肺炎克雷伯菌(CRKP)的出现,使得传统的抗生素防线岌岌可危。本文基于2025年Ding等人发表的最新综述,深入剖析了KP耐药的六大核心机制——从药物靶点突变到异质性耐药的复杂网络,并全面评估了以噬菌体为核心的联合疗法(Phage-based combination therapies)的最新进展。无论是噬菌体与抗生素的协同增效,还是与抗菌肽、纳米载体的跨界融合,这些新兴策略正为我们描绘出一幅对抗超级细菌的全新蓝图。
01
危机前夜——全球流行病学与治疗困境
肺炎克雷伯菌是一种革兰氏阴性机会性病原体,广泛存在于环境及人体胃肠道中。然而,其一旦进入血液循环,引发的菌血症致死率可高达20%至33%。流行病学数据显示,KP的威胁已呈现全球化与“全健康”(One Health)的特征:
亚洲热点:在印度、巴基斯坦和越南等地,MDR与高毒力菌株共存的现象日益普遍。印度99.4%的分离株携带 blaOXA 变体。
人畜共患:埃及的马源性KP表现出100%的头孢噻肟耐药性,且牛源性MDRKP对β-内酰胺类药物完全耐药,证实了家畜作为耐药基因库的危险性。
全球蔓延:2023年欧洲抗微生物药物耐药性监测网络(EARS-Net)报告显示,CRKP菌血症发病率较2019年激增57.5%。中国CHINET监测网络同期数据显示,2023年CRKP检出率达10.8%,较十年前增长了1.6倍。
面对如此严峻的形势,世界卫生组织(WHO)已将CRKP列为2024年“对人类健康构成最大威胁的耐药细菌”清单中的关键优先级病原体。传统疗法如多粘菌素、替加环素及新型酶抑制剂复方制剂(如头孢他啶/阿维巴坦,CAZ/AVI)虽仍是主力,但毒副作用大、疗效有限及耐药性的再次进化,迫使科学界寻找新的出路。
02
分子迷宫——肺炎克雷伯菌的多维耐药机制
KP之所以成为难以攻克的“超级细菌”,归因于其构建的一套多维、协同的分子防御网络。这不仅是单一基因的突变,更是涉及酶修饰、物理屏障、外排泵及群体感应的系统性工程。
图1 抗菌药物耐药机制概述:(1) 药物靶点改变(β-内酰胺类、四环素类、氨基糖苷类、喹诺酮类、多粘菌素类);(2) 酶修饰(β-内酰胺类、氨基糖苷类、氯霉素类、大环内酯类);(3) 抗菌药物渗透屏障(β-内酰胺类);(4) 主动外排系统(β-内酰胺类、喹诺酮类、四环素类、大环内酯类、氯霉素类、氨基糖苷类、染料类、表面活性剂类);(5) 生物膜形成(β-内酰胺类、氨基糖苷类)。
1. 药物靶点的狡猾变异 (Alterations of Drug Target Sites)
细菌通过改变抗生素攻击的目标结构,使其“无的放矢”。
青霉素结合蛋白(PBPs)的突变:PBPs是β-内酰胺类药物的靶点。研究发现,PBP3(由 ftsI 基因编码)的突变是导致CAZ/AVI耐药的关键。例如,L367Q突变或T-1-P-Y四氨基酸插入,均能显著降低抗生素与靶点的亲和力,从而逃避药物杀伤。
核糖体的甲基化与突变:针对替加环素,KP通过S10蛋白(如Val57Leu突变)改变核糖体构象,阻碍药物结合。针对氨基苷类,ArmA甲基化酶可对16S rRNA的G1405位点进行甲基化,通过静电排斥和空间位阻效应,使细菌对除链霉素外的大多数氨基苷类药物产生广谱耐药。
DNA旋转酶与拓扑异构酶的重构:喹诺酮类药物依赖抑制DNA旋转酶(GyrA/GyrB)和拓扑异构酶IV(ParC/ParE)来阻断细菌DNA复制。KP通过在喹诺酮耐药决定区(QRDRs)发生关键突变(如GyrA-Ser83Ile),大幅降低药物结合力。虽然质粒介导的耐药基因(如 qnr)存在,但QRDR突变仍是高水平耐药的主导因素。
脂质A(Lipid A)的修饰:作为多粘菌素的靶点,脂质A的电荷状态至关重要。KP利用双组分系统(如CrrA/B, PmrA/B, PhoP/Q)调控基因,通过添加L-Ara4N或pEtN基团,增加细胞膜正电荷,从而“同性相斥”排斥阳离子多粘菌素。
2. 酶介导的药物灭活 (Modified Enzyme-Mediated Inactivation)
这是KP最令人头疼的耐药手段。细菌产生各种酶来水解或修饰抗生素,使其在到达靶点前失效。
β-内酰胺酶:从经典的ESBLs(如CTX-M-15)到碳青霉烯酶(如KPC-2, NDM-1, OXA-48),这些酶能高效水解青霉素、头孢菌素甚至碳青霉烯类药物。
氨基苷类修饰酶(AMEs):通过乙酰化、磷酸化或核苷酸化修饰,使氨基苷类抗生素失去活性。
3. 铜墙铁壁般的渗透屏障 (Permeability Barriers)
荚膜多糖(CPS):KP厚实的荚膜不仅是物理屏障,还能通过与LPS O-抗原的相互作用增强滞留,阻挡药物渗透。研究表明,抑制CPS合成(如使用异阿魏酸)可显著增加细菌对补体杀伤的敏感性。
孔蛋白(Porins)的缺失:OmpK35和OmpK36是抗生素进入菌体的主要通道。KP通过突变或下调这些孔蛋白,直接切断药物的“补给线”,这是导致CAZ/AVI耐药的重要协同机制。
4. 主动外排系统 (Active Efflux Systems)
KP配备了高效的“垃圾处理站”——外排泵,将进入菌体的药物泵出。其中,RND家族的AcrAB-TolC和OqxAB系统最为关键,它们具有极宽的底物特异性,能同时排出β-内酰胺类、喹诺酮类等多种药物,是多重耐药的重要推手。
5. 群体防御:生物被膜与持留菌 (Biofilm, Persisters & QS)
当KP形成生物被膜(Biofilm)时,其耐药性可比浮游状态提高1000倍。
EPS屏障:胞外聚合物(EPS)形成致密网状结构,物理阻隔大分子药物,并通过电荷吸附阻挡氨基苷类药物。
持留菌(Persisters):膜内存在处于代谢休眠状态的持留菌,它们不生长、不分裂,因此对靶向代谢过程的抗生素天然免疫,是慢性感染复发的根源。
群体感应(QS):细菌通过QS系统(如AI-2信号分子)“交流”情报,协调生物被膜的形成。抑制QS信号(如干扰LuxS酶)可导致生物被膜结构松散,成为潜在的治疗突破口。
6. 隐形杀手:异质性耐药 (Heteroresistance)
异质性耐药是指在主要敏感的菌群中,隐藏着极少数高耐药亚群。这种现象在常规药敏试验中常被漏检,却能在抗生素治疗压力下迅速扩增,导致治疗失败。例如,磷酸依特米星/他唑巴坦的异质性耐药与β-内酰胺酶基因拷贝数扩增密切相关。
03
破局之道——基于噬菌体的联合疗法
面对抗生素的乏力,噬菌体(Bacteriophage)——这一细菌的天敌,正被重新武装。噬菌体疗法不仅具有高度的特异性,还能通过裂解机制迅速杀死细菌。然而,单一噬菌体疗法面临细菌迅速产生抗性、宿主范围窄等局限。因此,“联合疗法”成为了研究的核心。
图2 基于噬菌体的肺炎克雷伯菌感染联合治疗方案
1. 噬菌体与抗生素的协同 (Phage-Antibiotic Synergy, PAS)
这并非简单的叠加,而是深层的生物学互补:
机制互补:抗生素(如多粘菌素)破坏外膜,为噬菌体吸附开路;噬菌体裂解生物被膜,暴露深层细菌给抗生素。
进化权衡(Fitness Trade-off):这是最精彩的博弈。例如,KP为抵抗噬菌体H5,可能会突变 wcaJ 基因(负责荚膜合成)。这种突变虽然挡住了噬菌体,却导致荚膜缺失,使细菌对头孢他啶的敏感性增加了32倍。即“由于防备了噬菌体,却在抗生素面前裸露了软肋”。
临床实证:多项研究表明,噬菌体与头孢他啶/阿维巴坦、美罗培南等联用,能有效清除XDR菌株。
2. 噬菌体鸡尾酒疗法 (Phage Cocktail)
通过混合多种针对不同受体的噬菌体,构建“鸡尾酒”制剂,可以:
扩大宿主谱:覆盖更多样的KP菌株。
封锁逃逸路径:细菌很难同时对多种攻击机制不同的噬菌体产生突变。
案例:NIH的研究显示,使用噬菌体组合成功抑制了ST258型CRKP的传播;Le等人使用三噬菌体鸡尾酒静脉注射,成功治愈了肾移植患者复发性ESBL-KP尿路感染。
3. 噬菌体与抗菌肽 (Phage-AMPs)
抗菌肽(AMPs)如ε-聚赖氨酸(ε-PL)具有阳离子特性,能与带负电的噬菌体尾部蛋白相互作用,增强噬菌体对细菌膜的穿透力,同时破坏细菌膜电位,加速噬菌体DNA注入,实现“1+1>2”的杀菌效果。
4. 跨界融合:纳米载体、光动力与群体感应抑制剂
纳米载体:利用脂质体或磁性纳米材料封装噬菌体,解决其稳定性差的问题,并实现靶向递送。
光动力疗法(PDT):噬菌体携带光敏剂,裂解细菌后释放光敏剂,在光照下产生活性氧(ROS),进一步清除残留细菌和生物被膜。
群体感应抑制剂(QSIs):如肉桂醛(Cinnamaldehyde)可下调QS基因,破坏细菌的通讯网络,使原本对噬菌体耐药的菌株重新变得敏感。
04
临床转化的挑战与未来展望
尽管前景广阔,但从实验室走向病床仍有鸿沟:
监管与标准化:目前缺乏针对“活体生物药+化学药”的统一审批标准。噬菌体作为生物制剂,其批次间的效价波动(可达10³ PFU/mL)给质量控制带来巨大挑战。
免疫反应:人体免疫系统可能会产生抗噬菌体抗体,加速清除噬菌体,削弱疗效。
安全性数据:缺乏大规模随机对照试验(RCTs)来验证其药代动力学和毒理学特征。
未来方向:
分子层面:利用冷冻电镜解析噬菌体-宿主相互作用。
基因工程:利用CRISPR-Cas系统改造噬菌体,使其携带能破坏耐药基因的“载荷”。
临床试验:亟需开展针对MDRKP感染人群的大规模临床试验,以确立最佳给药时机和剂量。
05
结语
对抗多重耐药肺炎克雷伯菌是一场与时间的赛跑。随着我们对其耐药机制理解的加深,基于噬菌体的多维度联合疗法正从理论走向实践。这不仅是技术的革新,更是治疗理念的转变——从单一的化学对抗,走向生物协同的精准打击。在后抗生素时代,这种融合策略或许是我们手中最锋利的武器。
06
附录:文中表格
表1:肺炎克雷伯菌中由β-内酰胺酶和氨基苷类修饰酶(AMEs)介导的耐药机制汇总
酶大类
酶亚型
代表性酶
耐药机制描述
β-内酰胺酶
超广谱β-内酰胺酶 (ESBLs)
CTX-M-15, SHV-12, TEM-1
水解β-内酰胺类抗生素(青霉素类、头孢菌素类和单环β-内酰胺类)。
肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶 (KPC)
KPC-2, KPC-3
对碳青霉烯类(亚胺培南、美罗培南)、青霉素类(氨苄西林)和头孢菌素类具有水解活性。
AmpC β-内酰胺酶
CMY-2, DHA-1
水解β-内酰胺类抗生素(主要是头孢菌素类和青霉素类)。
金属β-内酰胺酶 (MBLs)
NDM-1, VIM-2, IMP-1
活性位点存在锌离子,催化β-内酰胺环水解,导致碳青霉烯类、头孢菌素类和单环β-内酰胺类失活。
OXA型碳青霉烯酶
OXA-48
水解碳青霉烯类抗生素(美罗培南和亚胺培南)、广谱头孢菌素类,甚至非β-内酰胺类抗生素。
AMEs
乙酰转移酶 (AACs)
AAC(6')-Ib
乙酰化修饰氨基苷类抗生素(妥布霉素、阿米卡星和奈替米星)的6'-羟基。
磷酸转移酶 (APHs)
APH(3')-Ib
磷酸化修饰氨基苷类抗生素(卡那霉素和新霉素)的3'-羟基位置。
核苷酰转移酶 (ANT)
ANT(2")-Ia
对氨基苷类抗生素(庆大霉素和妥布霉素)进行酶促磷酸化或腺苷酰化修饰。
表2:RND家族内的耐药基因/系统及其对应的抗微生物药物
基因/系统名称
影响的抗微生物药物
AcrAB-TolC
β-内酰胺类, 喹诺酮类, 四环素类, 大环内酯类, 氯霉素, 氨基苷类, 染料 (吖啶黄, 溴化乙锭, 罗丹明6G), 表面活性剂 (SDS, TPP Cl), 胆酸钠
OqxAB
β-内酰胺类, 氨基苷类, 四环素类, 氟喹诺酮类, 氯霉素, 硝基呋喃类, 染料 (吖啶黄, 溴化乙锭, 罗丹明6G), 表面活性剂 (SDS, TPP Cl), 胆酸钠
tmexCD1-toprJ1
四环素类, 喹诺酮类, 头孢菌素类, 氨基苷类
kexEF, FefAB
β-内酰胺类, 大环内酯类, 四环素类, 喹诺酮类, 染料 (吖啶黄, 溴化乙锭, 罗丹明6G), 表面活性剂 (SDS, TPP Cl), 胆酸钠
kexC
β-内酰胺类, 大环内酯类, 染料 (吖啶黄, 溴化乙锭)
kexD
大环内酯类, 染料 (吖啶黄, 溴化乙锭)
kexVWX
染料 (吖啶黄, 溴化乙锭), 表面活性剂 (SDS)
kexJK
表面活性剂 (SDS)
kexSR, kexTU
染料 (吖啶黄, 溴化乙锭)
表3:针对肺炎克雷伯菌(KP)的噬菌体疗法临床研究摘要 (2019-2024)
年份
感染类型
菌株耐药性
治疗策略
抗生素
疗程
给药途径
结果
2023
肺部感染
MDRKP
F KP_GWPB35 (单药) → F KP_CWPB35 + F KP_CWPA139 (鸡尾酒)
联合抗生素
两个疗程
雾化吸入
症状改善,但未完全清除病原体,出现了毒力降低的噬菌体耐药菌株。
2023
尿路感染 (UTIs)
ESBL
Metamorpho + Mineola + pKP20 (鸡尾酒)
NA
4周
静脉注射 (IV)
ESBL产酶菌株被完全清除,1年内无复发。
2022
假体关节感染 (PJI)
ESBL
KP1(2天)+KP2(2天)+KP1+KP2 (鸡尾酒)
厄他培南
6天
关节内注射(IA, 4天) + 静脉注射(IV, 2天)
症状改善,14个月无复发,关节功能恢复。
2021
尿路感染 (UTIs)
NA
定制噬菌体, Intesti噬菌体, SES噬菌体
含甲硝唑、咪康唑、积雪草提取物、多粘菌素B和新霉素的阴道栓剂
三个疗程 (20天+15天+1月)
口服 + 阴道栓剂
病原体未被清除。
2021
骨折相关感染 (FRI)
PDR-KP (泛耐药)
预适应噬菌体 M1
美罗培南和多粘菌素,随后CAZ/AVI
5天噬菌体治疗 + 3个月抗生素治疗
局部 + 静脉注射
感染得到控制,3年无复发,患者恢复行走能力。
2021
复发性UTIs
ESBL
未指明噬菌体种类
美罗培南
29天
直肠给药
最终需进行肾切除术以彻底治疗,噬菌体疗法的贡献不明确。
2020
肺部感染
PDR-KP
噬菌体 KPV811 + KPV15
美罗培南
4天
吸入 + 鼻胃管给药
支气管肺泡灌洗液中未检测到KP,但粪便样本中分离出敏感菌株。
2020
尿路感染 (UTIs)
XDR-KP (广泛耐药)
SZ-1等5种 (鸡尾酒) + KP165等5种 (鸡尾酒) + KP152等6种 (鸡尾酒)
第三疗程联合磺胺甲恶唑 (SMZ-TMP)
5天 (三个疗程)
膀胱冲洗
前两个疗程出现噬菌体耐药菌,第三疗程后彻底清除病原体,6个月无复发。
2020
MDR细菌肠道定植
MDRKP
定制裂解噬菌体 (vB_KPnM_GF)
CAZ-AVI
21天
口服 + 直肠内给药
肠道定植细菌被完全清除。