周瑜橋,高勝普,賀 澤,張恩寶,曲道峰*
(1 浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 杭州310018 2 中國(guó)動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心 北京100000)
多年來(lái),抗生素作為促進(jìn)生長(zhǎng),提高飼料效率,預(yù)防和治療傳染病的藥物被用于畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等[1]。細(xì)菌通過(guò)細(xì)菌基因突變或通過(guò)獲得攜帶在移動(dòng)元件上的外源性耐藥基因來(lái)抵抗一種或幾種抗生素作用的能力被定義為耐藥性(Antimicrobial resistance,AMR)。耐藥菌的廣泛流行使得這些抗生素喪失了在治療威脅生命的感染中的價(jià)值。世界衛(wèi)生組織認(rèn)為,過(guò)去10年中抗生素耐藥性已經(jīng)嚴(yán)重威脅到全世界人民的生命。耐藥性和耐藥基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)是天然存在的,然而,抗生素的廣泛使用及現(xiàn)代生產(chǎn)方式,驅(qū)動(dòng)了耐藥基因“前體”或“隱身”的進(jìn)化,更引起耐藥基因在病原菌之間的轉(zhuǎn)移,從而得到更多樣、更豐富、流動(dòng)性更強(qiáng)的耐藥基因組[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),多種病原菌出現(xiàn)耐藥株(Drugresistant strain)、多重耐藥株(Multi-drug resistant strain),甚至泛耐藥株(Pan-drug resistant strain),給人類(lèi)臨床醫(yī)療和獸類(lèi)臨床醫(yī)療帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。耐抗生素細(xì)菌每年在全世界造成70 多萬(wàn)人死亡[3]。在農(nóng)業(yè)中廣泛使用抗生素促進(jìn)生長(zhǎng)和預(yù)防疾病,對(duì)家畜生產(chǎn)和食品安全以及人類(lèi)健康產(chǎn)生了重大影響[4]。國(guó)際、政府、食品行業(yè)部門(mén)和學(xué)術(shù)界都致力于抗擊日益嚴(yán)重的耐藥性感染。不同部門(mén)需協(xié)調(diào)努力,以解決動(dòng)物和人類(lèi)健康、農(nóng)業(yè)、食品和環(huán)境等方面的交叉問(wèn)題。
微生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生了能抵抗外界某些化學(xué)物質(zhì)的能力,形成相應(yīng)的耐藥性。耐藥性的形成是由其耐藥基因決定的,并能夠遺傳給后代[5-6]。細(xì)菌耐藥性的進(jìn)化和發(fā)展有2 條主要的生物學(xué)途徑:1)耐藥性可以通過(guò)自然細(xì)菌種群中預(yù)先存在的表型來(lái)調(diào)節(jié)。在進(jìn)化過(guò)程中,耐藥基因在現(xiàn)有基因(染色體或質(zhì)粒)上積累并通過(guò)垂直基因轉(zhuǎn)移(Vertical gene transfer,VGT)到子代細(xì)胞[7];2)通過(guò)細(xì)菌物種之間的基因內(nèi)部交流,即水平基因轉(zhuǎn)移[7](Horizontal gene transfer,HGT),獲得新的耐藥基因,這些耐藥基因隱藏在可移動(dòng)的遺傳元件上,如質(zhì)粒、整合子、轉(zhuǎn)座子、插入序列和噬菌體相關(guān)元件等遺傳材料中[8],通過(guò)接合轉(zhuǎn)移(在細(xì)胞間接觸和性因子的協(xié)助下,DNA 從供體轉(zhuǎn)移到受體細(xì)菌)、變換(存在于環(huán)境中的裸DNA被受體細(xì)胞吸收)和轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體作為載體將DNA插入受體細(xì)胞[5]。
HGT 是指在不同生物個(gè)體或細(xì)胞內(nèi)部DNA之間進(jìn)行的遺傳物質(zhì)的交流,這種現(xiàn)象突破了種、屬的界限,促進(jìn)了遺傳物質(zhì)的交換和重組,在基因組進(jìn)化和環(huán)境適應(yīng)過(guò)程中十分重要[8]。HGT 在很大程度上促進(jìn)了耐藥性的迅速傳播,然而人們對(duì)耐藥性基因的傳播動(dòng)力學(xué)知之甚少。HGT 的多種機(jī)制將基因從正常的垂直遺傳中解放出來(lái)[9],在耐藥性的傳播中起到了關(guān)鍵作用。
耐藥基因通過(guò)HGT 使得新的細(xì)菌群體獲得新的耐藥基因和耐藥機(jī)制,從而產(chǎn)生了不同的耐藥譜。這一過(guò)程可以被認(rèn)為是耐藥基因傳播的主要驅(qū)動(dòng)力,可在物種間傳播,尤其在動(dòng)物和人類(lèi)的細(xì)菌微生物群落(胃腸道、鼻咽黏膜和皮膚)中廣泛存在[5]。可移動(dòng)耐藥元件在耐藥性產(chǎn)生和傳播中具有重要作用。介導(dǎo)耐藥基因移動(dòng)的可移動(dòng)元件及其側(cè)翼耐藥基因的總和稱(chēng)為可移動(dòng)耐藥基因組(Mobile resistome)[10],可移動(dòng)耐藥基因組增多意味著耐藥性傳播的風(fēng)險(xiǎn)增大。
在全球范圍內(nèi)多重耐藥和泛耐藥細(xì)菌的種類(lèi)很多,如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌[11]、產(chǎn)超廣譜β-內(nèi)酰胺酶的大腸埃希氏菌[12]和耐碳青霉烯類(lèi)肺炎克雷伯菌[13],它們都具有較高的患病率,在國(guó)內(nèi)這種耐藥菌也十分普遍[14]。磺胺類(lèi)耐藥基因和四環(huán)素類(lèi)耐藥基因是我國(guó)檢測(cè)最多的耐藥基因[15]。目前,臨床上對(duì)于這些耐藥性致病菌所引發(fā)疾病的治療藥物十分有限。動(dòng)物病原菌是耐藥基因的主要儲(chǔ)存庫(kù)之一,并且可以通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移給人類(lèi)。在集約化生產(chǎn)越來(lái)越普遍的情況下,許多抗菌類(lèi)藥物被用于動(dòng)物飼料中,在我國(guó)一半以上的抗生素被用于動(dòng)物養(yǎng)殖中[16]。這種做法雖增加經(jīng)濟(jì)效益但同時(shí)也帶來(lái)了巨大的衛(wèi)生安全隱患,長(zhǎng)期大量使用抗菌劑會(huì)促進(jìn)并加劇耐藥菌的出現(xiàn)。食品加工環(huán)境也可能是ARGs 獲取和傳播的潛在熱點(diǎn)[17]。耐藥基因通過(guò)食物鏈傳播的可能性日益令人擔(dān)憂(yōu)。
耐藥基因沿著食物鏈上的傳播是全球性的一個(gè)公共衛(wèi)生問(wèn)題,一些研究報(bào)道食用動(dòng)物產(chǎn)品已被耐藥菌株感染,如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)[18],耐抗生素彎曲桿菌屬[19]、超廣譜-內(nèi)酰胺酶(ESBL)-腸桿菌科(即沙門(mén)氏菌屬,志賀氏菌屬)、大腸桿菌、克雷伯氏菌等[20-21]。最近,隨著具有重大流行潛力的耐抗生素細(xì)菌的出現(xiàn),如碳青霉烯類(lèi)耐藥腸桿菌科(CRE)[20],和耐黏菌素大腸桿菌[22],以及新興的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等,情況進(jìn)一步惡化[18]。這些被認(rèn)為來(lái)源于食用動(dòng)物的有毒菌株,因其毒理機(jī)制和高基因交換,被認(rèn)為是一個(gè)重要的衛(wèi)生安全問(wèn)題。它們可能導(dǎo)致新的、更有抵抗力的、毒性更強(qiáng)的和可移動(dòng)的毒株出現(xiàn),而這些毒株對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)是未知的[23]。
耐藥的人畜共患病原菌和攜帶耐藥基因的共生體菌株可以通過(guò)多種途徑感染人群,食品只是其中之一[24]。耐藥細(xì)菌可能通過(guò)直接或間接接觸的途徑沿食物鏈傳播,如圖1所示。人與動(dòng)物和一些生物物質(zhì)(如血液、尿液、糞便、牛奶、唾液和精液)的直接接觸可能引起甚至促進(jìn)耐藥細(xì)菌在宿主之間的迅速傳播。而相對(duì)應(yīng)的,與這些傳播源密切接觸的人(如獸醫(yī)、農(nóng)民、屠宰場(chǎng)工人和食品加工者等),有很大的被耐藥細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn)。人們常因?yàn)樵诔跗谖锤械矫黠@的危害而忽略自己已被感染的情況,這也加大了傳播風(fēng)險(xiǎn),尤其容易傳播給密切接觸者(家人、朋友),從而進(jìn)入各個(gè)家庭和社區(qū)[25]。此外,人類(lèi)可能通過(guò)接觸或食用受污染的食品(如肉類(lèi)、蛋類(lèi)、牛奶和乳制品)而間接接觸到耐抗生素細(xì)菌和耐藥基因。最近,許多報(bào)道描述了大量來(lái)源于各種動(dòng)物(如牲畜、家禽、豬、羊)、各種食品(即食肉類(lèi)、煮熟的肉和散裝牛奶)以及在食品生產(chǎn)中的各階段的耐藥性細(xì)菌和耐藥基因的存在[18,26]。
有研究表明,動(dòng)物之間的接觸和人對(duì)食用動(dòng)物對(duì)于mcr-1(能對(duì)終極抗生素——多黏菌素產(chǎn)生強(qiáng)耐藥性的新基因)耐藥基因的傳播起關(guān)鍵作用[27],其中人在食用了含耐藥基因的動(dòng)物食品后,有幾率會(huì)從易感人群轉(zhuǎn)化為耐藥人群,然而這一因素很難進(jìn)行人為控制。
抗生素的使用是耐藥基因傳播的關(guān)鍵因素??股刈鳛橹委焺?、預(yù)防性藥物以及生長(zhǎng)促進(jìn)劑被廣泛用于食品動(dòng)物生產(chǎn)和水產(chǎn)養(yǎng)殖中,加劇了耐藥菌和耐藥基因的出現(xiàn)和傳播[28]??股啬退幓蛟谑澄镦溨袀鞑サ尿?qū)動(dòng)力主要有3 個(gè):1)抗生素廣泛用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜牧生產(chǎn)和作物栽培[29];2)耐藥菌和耐藥基因易在食品生產(chǎn)鏈的各個(gè)階段傳播[30];3)可能導(dǎo)致人類(lèi)感染。抗生素在進(jìn)入動(dòng)物體后,很大一部分并沒(méi)有轉(zhuǎn)化為非活性化合物,在腎臟或膽道排泄后仍能保持其活性[31]。這些抗生素的活性部分、代謝物或降解產(chǎn)物通過(guò)動(dòng)物糞便排出,使得農(nóng)田土壤、糞便和廢水被確定為耐藥菌污染的熱點(diǎn),環(huán)境因此成為耐藥菌的另一個(gè)重要“蓄水池”(圖1)。
圖1 耐藥基因在食物鏈中的可能傳播途徑Fig.1 Possible routes of transmission of resistant genes in the food chain
人類(lèi)的活動(dòng),動(dòng)物的遷徙,環(huán)境的改變都可能導(dǎo)致新的耐藥基因的產(chǎn)生。生態(tài)環(huán)境中的抗生素、消毒劑、金屬離子[32]等選擇壓力的持續(xù)存在,使可移動(dòng)耐藥基因組不斷增加,加速了耐藥基因在菌種間的快速傳播。在農(nóng)場(chǎng)和屠宰場(chǎng)廣泛使用的殺菌劑,包括消毒劑、防腐劑可能有助于抗生素耐藥性的發(fā)展[1]。有研究表明,減少或者不使用抗生素,耐藥致病菌和共生菌仍可在場(chǎng)所內(nèi)和場(chǎng)所之間持續(xù)存在和傳播。造成這種情況的原因復(fù)雜多樣,可能包括:細(xì)菌之間的抗性遺傳基因水平傳播;細(xì)菌通過(guò)運(yùn)動(dòng)的物理轉(zhuǎn)移(動(dòng)物、工人和設(shè)備);無(wú)效地清潔和消毒;其它選擇性抵抗某些細(xì)菌的抗生素、重金屬、農(nóng)藥[29]。由于基因的水平轉(zhuǎn)移會(huì)進(jìn)一步發(fā)生在糞肥、水和土壤中,導(dǎo)致微生物群落中含有不同水平的耐藥菌和耐藥基因[31,33],因此環(huán)境污染可能會(huì)導(dǎo)致新的耐抗生素細(xì)菌和耐藥基因在魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)、蔬菜、飼料和水等食品中出現(xiàn)和傳播,它們可能反過(guò)來(lái)感染動(dòng)物和人類(lèi),進(jìn)而增加了食物鏈中耐藥基因的存在。
近年來(lái),我國(guó)人口流動(dòng)性較大,人員交流頻繁,高校作為大學(xué)生和教師學(xué)習(xí)和生活的主要場(chǎng)所,具有人數(shù)較多、接觸密切、密度較大等特點(diǎn)。高校的食品安全衛(wèi)生問(wèn)題,關(guān)系到每一位教職工、學(xué)生的生命健康和正常的教學(xué)秩序[34]。
在上海某高校校區(qū)的抗性基因檢測(cè)中發(fā)現(xiàn),在試驗(yàn)區(qū)和食堂區(qū)檢出的抗性基因相對(duì)較多[35]。食堂作為高校的一大主要就餐地點(diǎn),一旦出現(xiàn)食品安全問(wèn)題,可能會(huì)有較大面積的疾病爆發(fā),這會(huì)嚴(yán)重影響到師生的健康以及學(xué)校的穩(wěn)定。高校食堂的原料品種多、部分食材即食性強(qiáng)、工藝流程復(fù)雜[36],對(duì)于食材中可能出現(xiàn)的耐藥菌以及耐藥基因的情況需要引起重視。食堂后勤部的職工較多,參與采購(gòu)、制作、烹飪等崗位的職工屬于食物鏈的密切接觸者,存在直接或間接傳播耐藥菌和耐藥基因的風(fēng)險(xiǎn)。
大學(xué)校園在寒、暑假期間具有大量的人口流動(dòng),且流動(dòng)范圍遍布全國(guó)各個(gè)地區(qū),每位師生在假期可能會(huì)接觸到耐藥菌或耐藥基因,成為耐藥菌或耐藥基因的感染者或攜帶者,校園的多人口、高流動(dòng)特性大大增加了耐藥基因傳播的風(fēng)險(xiǎn)。
人類(lèi)現(xiàn)代生產(chǎn)和生活方式驅(qū)動(dòng)了耐藥性的進(jìn)化和流動(dòng),而人類(lèi)對(duì)抗生素使用的盲目和監(jiān)管的缺失進(jìn)一步加速了耐藥性在環(huán)境菌株、條件致病菌和致病菌中的產(chǎn)生和快速傳播。目前嚴(yán)峻的形勢(shì)凸顯了在危機(jī)時(shí)期食品安全及對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控的重要性。
在預(yù)防耐藥基因大流行時(shí),對(duì)于市場(chǎng)管理需要引起足夠的重視。市場(chǎng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展和食品安全至關(guān)重要,其為全球數(shù)十億人提供新鮮、經(jīng)濟(jì)的糧食。然而,復(fù)雜擁擠的市場(chǎng)也是傳染源傳播的重要場(chǎng)所。生鮮市場(chǎng)是ARGs 的儲(chǔ)存庫(kù),ARGs 從食用動(dòng)物傳播給人類(lèi)的風(fēng)險(xiǎn)很高[43],世界衛(wèi)生組織建議加強(qiáng)對(duì)生鮮市場(chǎng)的監(jiān)管。同時(shí),政府管理部門(mén)需要站在全球的高度認(rèn)識(shí)細(xì)菌耐藥,制定相關(guān)管理法規(guī),實(shí)施耐藥控制計(jì)劃。當(dāng)前的危機(jī)引發(fā)了人們對(duì)進(jìn)一步探索兼顧監(jiān)管確保安全的協(xié)作式短食品供應(yīng)鏈的興趣[27]。
攜帶耐藥基因的菌種在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了突變,最后可能形成一種新型的耐藥基因,一般的抗生素?zé)o法治愈,一旦出現(xiàn)了耐藥基因的廣泛傳播,會(huì)嚴(yán)重危害到人類(lèi)的生命安全。加強(qiáng)抗生素使用、耐藥菌、耐藥基因傳播和食品安全方面的宣傳活動(dòng),對(duì)于應(yīng)對(duì)沿著食物鏈傳播耐藥基因的相關(guān)安全問(wèn)題至關(guān)重要。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的關(guān)鍵信息,對(duì)目標(biāo)人群和所有相關(guān)者(包括農(nóng)場(chǎng)和屠宰場(chǎng)工人、食品處理人員、獸醫(yī)、藥劑師、食品生產(chǎn)行業(yè)、消費(fèi)者等)進(jìn)行安全意識(shí)宣傳是必不可少的。通過(guò)大眾媒體和社交媒體不斷重復(fù)關(guān)鍵信息,加強(qiáng)安全意識(shí),可能有助于有效減少抗生素消費(fèi)和抗生素耐藥性的產(chǎn)生[37]。農(nóng)民、屠宰場(chǎng)工人、食品加工者和獸醫(yī)并不是唯一受到食物鏈威脅的群體,所有的普通民眾都應(yīng)該參與并接受教育。大學(xué)生是信息傳播關(guān)鍵一環(huán),是信息互動(dòng)的龐大載體,在食品安全宣傳中,設(shè)計(jì)以大學(xué)生為主體的信息傳播方式能夠起到重要的作用。
糧農(nóng)組織發(fā)布了《2016—2020年抗生素耐藥性行動(dòng)計(jì)劃》,該計(jì)劃旨在支持糧食和農(nóng)業(yè)部門(mén)實(shí)施《全球抗生素耐藥性行動(dòng)計(jì)劃》,以最大限度地減少抗生素耐藥性的影響??焖倭私饽退幓蛄餍星闆r以及相關(guān)信息,對(duì)合理使用抗菌藥物和遏制耐藥細(xì)菌數(shù)量增長(zhǎng)具有重大意義。建立能夠抵御耐藥基因流行的食品安全系統(tǒng),需要包括決策者在內(nèi)的整個(gè)食物鏈上的相關(guān)人員采取集體行動(dòng)。要發(fā)展強(qiáng)化的、循環(huán)的食物鏈,可能需要在全球食品供應(yīng)趨勢(shì)和當(dāng)?shù)刳厔?shì)之間建立一種精細(xì)的、互補(bǔ)的平衡。目前需要設(shè)立不同層次和領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)體系,對(duì)包括對(duì)抗菌藥物在生產(chǎn)、流通、使用的各個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)測(cè),各領(lǐng)域所獲得的信息互相配合,共同應(yīng)對(duì)耐藥基因的傳播。耐藥基因沿著食物鏈傳播,人類(lèi)有很大幾率會(huì)從中攝入耐藥基因,其潛在危害無(wú)法預(yù)測(cè),需引起社會(huì)各界的廣泛重視?,F(xiàn)有的數(shù)字技術(shù)和物理技術(shù)等,可能會(huì)在復(fù)雜的食物鏈運(yùn)行和維護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,以確保食品安全。面對(duì)這個(gè)公共安全衛(wèi)生問(wèn)題,只有多部門(mén)、多領(lǐng)域、多學(xué)科(涉及食品相關(guān)科學(xué)/工程、社會(huì)或計(jì)算機(jī)科學(xué)、以及商業(yè)、政策/法規(guī))共同合作、協(xié)調(diào)努力才能有效解決這個(gè)問(wèn)題。
脈沖場(chǎng)凝膠電泳(PFGE)迄今已被成功地用于評(píng)價(jià)菌株的遺傳親緣關(guān)系,并通過(guò)多位點(diǎn)序列分型(MLST)建立菌株的多樣性,其結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室之間具有可比性[38]。如今,新一代測(cè)序的出現(xiàn),為監(jiān)測(cè)食品和食品生產(chǎn)環(huán)境、檢測(cè)引起疾病的抗生素耐藥細(xì)菌病原體提供了新的可能性[39]。例如,全基因組測(cè)序(WGS)對(duì)食源性分離物的分型具有重要作用,并為監(jiān)測(cè)在國(guó)家或全球范圍內(nèi)爆發(fā)的食源性疾病提供了解決方案[40]。WGS 還促進(jìn)了細(xì)菌耐藥體、病毒體和可移動(dòng)體的快速分析。利用數(shù)學(xué)模型的方法研究耐藥細(xì)菌在不同環(huán)境下的傳播機(jī)制、控制方式和預(yù)防措施等,一直是耐藥性傳播研究的重要內(nèi)容之一,在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架內(nèi)應(yīng)用WGS和預(yù)測(cè)微生物學(xué),是深入了解耐藥機(jī)制并有利于減少食物鏈中抗生素耐藥性傳播的關(guān)鍵[41]。研究者們基于所研究耐藥細(xì)菌的傳播機(jī)制,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,從理論上研究耐藥細(xì)菌在流動(dòng)環(huán)境下的傳播情況[18]。
抗生素的使用及人類(lèi)現(xiàn)代生產(chǎn)生活方式驅(qū)動(dòng)了“前體”或“隱身”耐藥基因的進(jìn)化以及耐藥基因從環(huán)境菌株向病原菌株的轉(zhuǎn)移,從而得到更多樣、更豐富、流動(dòng)性更強(qiáng)的耐藥基因組。多重耐藥菌的產(chǎn)生已經(jīng)逐漸威脅著人類(lèi)的生命安全,并成為深層次的環(huán)境污染,給醫(yī)療帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)??焖倭私饽退幓蛄餍星闆r以及相關(guān)信息,對(duì)合理使用抗菌藥物和遏制耐藥細(xì)菌發(fā)展具有重大意義。目前人與動(dòng)物以及一些生物物質(zhì)的直接接觸可能引起耐藥菌在宿主之間的快速傳播。耐藥基因通過(guò)與各個(gè)渠道的密切接觸進(jìn)入到各個(gè)家庭、社區(qū),人們也可能通過(guò)接觸或食用食物鏈中受污染的食品感染到耐抗生素細(xì)菌和耐藥基因。我國(guó)人口流動(dòng)性較大,人員交流頻繁,高校更是典型的疾病的易感染區(qū),需要引起足夠重視。需要設(shè)立不同層次和領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)體系,對(duì)包括在抗菌藥物的生產(chǎn)、流通、使用的各個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)測(cè),將各領(lǐng)域所獲得的信息互相配合,共同應(yīng)對(duì)耐藥基因的傳播。監(jiān)測(cè)抗菌素耐藥性是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)劃中的一個(gè)關(guān)鍵步驟,因?yàn)樗菫槿驊?zhàn)略提供信息、監(jiān)測(cè)公共衛(wèi)生干預(yù)措施的有效性以及發(fā)現(xiàn)與食品有關(guān)的新趨勢(shì)和新出現(xiàn)的威脅的基礎(chǔ)。