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人類與超級細菌的戰爭 ——聊聊抗生素的使用與細菌抗藥性(上)

更新日期:2月 11

責任編輯/林翊庭

核稿編輯/王子維


  自從盤尼西林在1928年被發現以來,人類就被捲入一場細菌域和真核域之間的戰爭,至今戰火仍持續延燒,而且似乎有越演越烈的趨勢。隨著我們增進對細菌構造的了解,我們開始製造各種名為「抗生素(Antibiotics)」的導彈,用來鎖定各式各樣有特殊構造的細菌。當然,細菌也不是省油的燈,他們在這接近百年的戰爭中生存下來,演變出許多對付抗生素的機制,甚至發展出了例如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus, MRSA)的超級兵器。

  抗生素和細菌對我們來說是既熟悉又陌生的詞彙。我們也許知道細菌感染可以用抗生素治療,但抗生素到底怎麼殺死細菌?細菌又演化出什麼機制來抵抗我們的攻擊呢?我們又是怎麼選擇適合的抗生素呢?為了解答這些問題,我們將分成上下兩篇,上篇讓我們當個戰術分析師,先瞭解細菌的分類和構造,再來一一解析細菌的各個弱點、我們的抗生素如何擊破 ; 下篇來談談細菌的抗藥性如何產生和如何選擇適合的抗生素,最後來談談超級細菌的存在和我們的未來。

知己知彼:細菌的結構與分類
(圖一)細菌的外型分類

  所謂知己知彼,百戰百勝,先了解細菌的結構和類別才能「對症下藥」。首先,讓我們先認識敵方的不同兵種。在外型上,我們依照細菌的顏色、形狀、聚集的情形,或是對特定抗體或染劑的反應來將其區分。例如,按照形狀區分可以分成弧菌(Vibrio)、桿菌(Bacillus)、球菌(Cocci)等 ; 按照細菌聚集的方式可以分成一顆一顆分散的單球菌、兩顆兩顆聚集的雙球菌、聚集像一串葡萄的葡萄球菌等。

  再來,我們來談談敵方擁有的武器裝備。就像高中生物課裡強調的,細菌是原核生物,沒有細胞核和胞器的構造,取而代之的是一個擬核區(Nucleoid)。在細胞膜外有肽聚糖(Peptidoglycan)成份的細胞壁,這些肽聚糖是透過乙醯葡萄糖胺(N-Acetylglucosamine)和唾液酸(N-Acetylneuraminic acid)形成的醣類直鏈再加上直鏈間的肽鍵,才能形成穩固的網狀結構,防止細菌膨脹破裂。而不同細菌的細胞壁成分不同,是我們在製作抗生素和分類細菌時重要的依據。在某些細菌中,例如肺炎鏈球菌(Streptococcus pneumoniae),會在細胞壁的外側形成莢膜(Capsule)。這就像是一層防護罩,具有莢膜的細菌能夠抵抗我們的身體內免疫細胞的辨識或補體的攻擊,增加感染成功的機率 ; 而轉醣鏈球菌(Streptococcus mutans)則具有黏液層(Slime Layer)能夠讓細菌貼附在牙齒的表面,也就是泛黃的牙菌斑的由來。

  另外,細菌最強的防護罩莫過於內孢子(Endospores)的構造。在極端溫度、具有輻射或強酸強鹼的條件下,有些細菌能夠脫水,並將DNA和RNA等物質藏在內孢子中,而在內孢子外層的蛋白質外殼和肽聚糖可以保護內部重要的遺傳物質。直到環境條件適合細菌生存時,細菌就可以從內孢子的型態轉換回來。值得注意的是,內孢子不是生殖的構造,和細菌的繁殖沒有關係,可別把它和真菌的孢子搞混了!莢膜、黏液層和內孢子等構造不是每個細菌都有,所以也可以是我們辨別不同細菌的依據。

(圖二)革蘭氏陽性菌(A)和陰性菌(B) 細胞壁的成分差異

  在感染檢驗時,革蘭氏染色法(Gram’s Stain)是將細菌初步分類時最普遍使用的方法之一。這個染色法會依序加入結晶紫染劑(Crystal Violet)和番紅染劑(Safranin),在短時間內檢驗細菌細胞壁成分的不同。細菌可以粗分成對結晶紫染劑呈陽性反應的革蘭氏陽性菌(Gram Positive),和呈現陰性反應的革蘭氏陰性菌(Gram Negative)。在介紹革蘭氏染色法的原理前,我們先來談談陽性菌和陰性菌細胞壁的差別。在陽性菌的細胞壁中,有一層很厚的網狀肽聚糖,還有穿插在肽聚糖中的磷壁酸(Teichoic Acid)。這些磷壁酸和細胞膜相連,也是免疫細胞辨識細菌抗原時的一種依據。另一方面,陰性菌的細胞壁和前者相比就複雜許多。他們細胞壁中的肽聚糖雖然只佔了細胞壁重量的5-10%,卻在細胞壁外還多了一層外膜,這是革蘭氏陰性菌特有的構造。在外膜和細胞壁間的空腔中,含有很多生命所需的代謝酵素,甚至與抗藥性的產生有關。

  那麼,細胞壁和革蘭氏染色法到底有什麼關聯呢?原來,結晶紫染劑可以附著在細胞壁肽聚糖含量較多的陽性菌上,而不會附著在陰性菌上。在顯微鏡下,陽性菌會呈現藍紫色,而陰性菌會因為只有附著番紅染劑而呈現紅色。用細胞壁的成分和結構作為初步的細菌分類,是為了能夠快速地選擇適當的抗生素治療。只要大約5分鐘就可以做初步的感染分類了!

戰略一覽:抗生素如何殺死細菌?

  我們知道細胞要能夠表現各項功能,如製造有功能的蛋白質,需要從一段DNA序列轉錄成mRNA、mRNA轉譯成蛋白質這樣一連串的過程才能做到。而在轉錄和轉譯的過程中,也需要有合成酶、解旋酶等蛋白質的幫助才能完成。也就是說,如果從中干擾任何一個步驟,使其產生變異,最後就可能無法產出有功能的蛋白質。另外,能夠維持細胞內離子濃度和pH值、保護細菌的肽聚糖細胞壁對於細菌的生存也極為重要。人類的抗生素透過干擾細菌細胞壁的生成、破壞細胞膜、干擾DNA/RNA和蛋白質的合成來破壞細菌生存的機制。接下來,我們將舉市面上常見的抗生素作為例子,聚焦在兩種最主要的抗生素作用干擾細胞壁的合成和蛋白質的合成,談談抗生素的作用和細菌的應對方式。

(圖三)抗生素殺死細菌的方式: 1.干擾細胞壁合成 2.干擾DNA複製 3.干擾RNA形成 4.干擾蛋白質的合成 5.干擾代謝中間物的生成

1.干擾細胞壁的合成:

  我們知道肽聚糖存在在革蘭氏陽性和陰性細菌的細胞壁中。就像在介紹細菌的構造時所提到,這些肽聚糖是透過醣類的直鏈和橫向連接的肽鍵編織出一張穩固的網。而為了形成肽鍵,就需要一系列名為Penicillin-Binding Proteins(PBP)的酵素來連接。大名鼎鼎的盤尼西林(Penicillin)是β-內醯胺類抗生素(Beta-Lactam Antibiotics),能夠和PBP結合,加以抑制這個酵素合成肽鍵和修補細胞壁。這樣一來,細菌就無法形成緻密的肽聚糖網,導致細胞壁變得脆弱,而這樣的現象會啟動細菌的自溶素(Autolysin)作用,造成細胞壁的降解(Degradation)和細菌的死亡。

  當然,細菌面對這類型抗生素的攻擊,也演化出一些方式來應對。首先,細菌可以阻擋抗生素分子來到細胞壁肽鍵的位置、阻擋抗生素和PBP結合。別忘了,在革蘭氏陰性菌中,肽聚糖細胞壁外頭還有一層能夠調節通透性的生物膜。膜上有許多通道蛋白,而抗生素需要經過蛋白通道才能抵達細胞壁。就像是鎖國政策一樣,革蘭氏陰性菌可以將透過改變這些通道的形狀來阻擋抗生素通過。

  而有時候,細菌的解決方法直截了當而不可思議。直接分解掉抗生素分子不就沒事了嗎?事實上,細菌可以直接製造能夠分解這類抗生素的酵素。這類的酵素稱為β-內醯胺酶(Beta Lactamase),和PBP有類似的結構。此外,細菌聰明地利用酵素的專一性的概念,透過基因的點突變演化出結構不同的PBP,讓抗生素無法和其結合,當然也就沒辦法傷到細菌了。

2.干擾蛋白質的合成:

  所謂「治標要治本」,要影響蛋白質的功能就要先從干擾核糖體的轉譯作用開始。其中有一類稱為胺基醣苷類抗生素(Aminoglycoside),會像導彈一樣,通過細菌的外膜、細胞壁並長驅直入細胞內,與構成核糖體的其中一個次單元結合。想當然爾,正常次單元結構的改變會讓核糖體在轉譯mRNA時讀取密碼子時發生錯誤,生成結構錯誤的蛋白質。這對細菌來說可是個要命的問題,因為蛋白質的生成和細胞的代謝、訊號的傳遞都息息相關。

  當遇到對自己有威脅的人,當然會想將其排除在外。在某些革蘭氏陽性菌和陰性菌的細胞膜上有藥泵(Efflux),這個構造能夠透過主動運輸將抗生素分子排出細菌細胞,而避免讓抗生素聚集,對細菌不利[1]。除了阻擋抗生素進入細胞外,細菌還演化出了一系列的酵素。這些酵素能像特務拆解導彈線路一樣,透過對抗生素分子加上磷酸基、腺苷基或醯基來改變結構,讓它們失去功能。

  這就像是一場真的戰爭:當人類使用抗生素攻擊時,有些細菌會被消滅,但也有些細菌能夠演變出不同的機制對抗。這些阻擋抗生素作用的方法其實就是細菌的抗生素抗藥性(Antibiotic Resistance)。究竟是什麼原因造成某些細菌幾乎能抵抗所有種類的抗生素?遇到超級細菌我們又該如何是好?想知道的話就等下回分曉!

看完文章後,你應該會知道:

  1. 細菌的分類及不同種細菌的特有構造

  2. 革蘭氏陽性菌和陰性菌在細胞壁成分的不同以及染色原理

  3. 抗生素如何殺死細菌以及細菌有哪些機制對付抗生素的攻擊

小測驗:

https://forms.gle/GttnQ5sDrtFLYXJPA

參考資料:

[1]Köhler, T., Pechère, J. C., & Plesiat, P. (1999). Bacterial antibiotic efflux systems of medical importance. Cellular and Molecular Life Sciences CMLS, 56(9-10), 771-778.

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