科学公案：抗生素作用是非

新闻背景：近日，《科学》杂志刊登了美国伊利诺伊大学和东北大学研究人员发表的否定抗生素利用活性氧杀菌的两篇论文。然而，早在2007年，美国波士顿大学的Collins小组就在《细胞》杂志上发表论文称，抗生素可以诱导活性氧发挥杀菌作用。

　　为什么得到肯定结论与提出否定意见的时差长达6年？为什么看似设计严谨、论证周密、权威把关的研究却得出相反的结论？

　　尽管上述两篇论文挑起了“抗生素诱导活性氧”之争，但相关研究者恐怕都没有意识到一氧化氮在抗生素抗菌中的关键作用，也没有考虑到抗氧化酶诱导与活性氧动态变化之间的复杂关系，这就是为什么他们对于同一个问题得出不同结论的症结所在。

　　在讨论抗生素的杀菌或抑菌机理之前，必须区分抗生素作用的特异性与非特异性，而且要强调抗生素以特异抗菌性为主，效率较高，以非特异抗菌性为辅，效率较低，因此不能把非特异抗菌性拔高到特异抗菌性的同等地位。

　　特异性与非特异性

　　抗生素的特异性作用是指不同抗生素特有的抗菌活性，而抗生素的非特异性作用是指不同抗生素共有的抗菌活性。抗生素的特异性抗菌作用已经得到肯定，而非特异性抗菌作用（如利用活性氧杀菌）仍然存在争议。

　　抗生素的特异抗菌机制包括抑制细胞壁组装、蛋白质合成和DNA复制。β-内酰胺类抗生素（如青霉素）可抑制细菌细胞壁合成，导致细菌自溶；氨基糖苷类抗生素（如卡那霉素）可使细菌蛋白质合成错误，产生的毒性多肽致使细菌自杀；喹诺酮类抗生素（如氧氟沙星）可将细菌DNA螺旋酶（拓扑异构酶）转变成内切核酸酶，使细菌DNA自毁。

　　借刀杀人，棋高一着

　　细菌细胞对抗生素通常没有耐受性，但细菌中的共生质粒因含一个或多个抗生素抗性基因而赋予细菌对抗生素的单药或多药耐药性。在抗生素丰富（如滥用抗生素）的环境中，携带抗药性质粒的细菌因选择性灭活抗生素而表现出生存优势。

　　氨苄青霉素（安比西林）抗性基因编码β-内酰胺酶催化青霉素及其衍生抗生素的β-内酰胺环水解，可解除青霉素类药物对细菌细胞壁合成的抑制作用。氯霉素抗性基因编码氯霉素乙酰转移酶使氯霉素发生乙酰化修饰而不能与细菌核糖体结合，可阻断氯霉素对细菌肽酰基转移酶的抑制。四环素抗性基因编码细菌膜结合蛋白可阻止四环素进入细菌细胞，从而避免四环素对细菌核糖体转位的抑制。

　　“超级细菌”NDM-1就是一种携带金属-β-内酰胺酶基因编码质粒的甲氧西林抗性金黄色葡萄球菌（MRSA），它仅对万古霉素等少数抗生素敏感。假如NDM-1的抗药性质粒不幸被结核分枝杆菌捕获，就会让治愈率越来越低的结核病防控变得“雪上加霜”。

　　把抗生素往外排

　　通过“药泵”将抗菌药物外排是细菌的主要耐药机制之一，尤其是多药耐药泵可将结构迥异的药物或有毒代谢物外排，成为多药耐药细菌泛滥的重要原因。目前发现的细菌药泵主要包括ATP结合盒超家族（ABC）、耐药节结化细胞分化（RND）家族、主要易化子超家族（MFS）、小多重耐药（SMR）家族和多药及毒性化合物外排家族（MATE）。

　　革兰氏阴性细菌含有以上5种药泵，而革兰氏阳性细菌仅有4种药泵（ABC、MFS、SMR和MATE）。药泵基因通常只在施加抗生素压力后才表达，但某些药泵基因在无抗生素条件下也表达。

　　逆境激发细菌“本能”

　　在极端不利的生长环境（如缺氧）中，细菌会合成一氧化氮。同样，在有抗菌药物的条件下，细菌也会合成一氧化氮。由此推论，细菌产生一氧化氮的生态学意义可能就是为了对付逆境胁迫。这种“本能”在生物进化中是保守的，存在于细菌、真菌乃至高等动植物中。

　　一氧化氮具有以下4种功能，可以令抗菌药物大幅减毒甚至消毒，或提高细菌本身对抗菌药物的耐受性。直接解毒：一氧化氮可使抗菌药物吖啶黄（DNA嵌入剂）分子中的酰胺基发生重氮化并随即脱硝化而失活；抑制Fenton反应：一氧化氮可通过N-硝基化抑制巯基还原，从而阻断过氧化氢生成氢氧根离子；诱导超氧化物歧化酶：将超氧阴离子转变成过氧化氢；激活过氧化氢酶：将过氧化氢分解成水和氧。

　　一氧化氮的合成方式因不同细菌而异，革兰氏阳性细菌（如炭疽杆菌）含有一氧化氮合酶，可以利用L-精氨酸合成一氧化氮；革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌）不含一氧化氮合酶，但能依赖亚硝酸还原酶、黄素血红蛋白等的催化活性以亚硝酸为前体合成一氧化氮。

　　活性氧：有还是没有

　　2009年《科学》杂志发表的一篇论文明确指出，细菌受抗菌药物诱导产生的内源性一氧化氮可以保护细菌少受或不受抗菌药物的抑杀作用。遗憾的是，上述论文都没有引用这篇可能让其“矛盾”结果得到合理解释的关键论文。

　　抗菌药物诱导产生的一氧化氮可结合在细胞色素c氧化酶的血红素辅基上，通过抑制细胞色素c的氧化作用使呼吸链电子传递受阻，导致游离电子直接与末端氧反应生成超氧阴离子，并迅即诱导超氧化物歧化酶，使超氧阴离子转变成过氧化氢，再进一步诱导过氧化氢酶及过氧化物酶，使有害的过氧化氢最终生成无害的氧和水。

　　由此可见，抗菌药物即使能诱导活性氧，也不是直接产生，而是通过一氧化氮间接产生。至于抗菌药物为何能诱导一氧化氮，有人推测可能是它们对一氧化氮合酶的直接诱导。已知辐射可诱导一氧化氮合成酶基因表达及一氧化氮合成，暗示一氧化氮可能参与DNA修复和保护。

　　细菌中能否检测到活性氧与抗氧化酶的活性直接相关。如果抗生素作用时间及浓度超过细菌抗氧化酶的诱导能力及速度，那么应该可以检测到活性氧的存在。反之，若抗生素使用浓度过低，而且暴露时间过长，则会因抗氧化酶迅速淬灭活性氧而检测不到其存在。上述研究中使用的抗生素浓度太低，难以检测到活性氧就不足为奇了。

　　大有潜力的抗生素增效剂

　　在使用抗生素时，若配合使用一氧化氮合成酶抑制剂（如L-精氨酸的结构类似物），一氧化氮就无法合成，各种抗氧化酶的诱导也受阻，必然使活性氧水平升高，抗生素的抗菌效力相应增强。

　　青蒿素通过共价结合血红素可抑制血红素酶类（包括一氧化氮合酶、过氧化氢酶等）的活性。当青蒿素与抗生素合用时，对细菌有益的一氧化氮会减少，对细菌有害的过氧化氢会增加。这说明在不降低抗菌效果的前提下，青蒿琥酯与利福平联用大大减少了利福平的使用量。

　　鉴于目前抗生素研制的速度赶不上细菌抗药性滋生的速度，为了对付超级细菌尤其是超级结核杆菌引起的难治性感染，可以考虑应用抗生素与一氧化氮合成酶抑制剂组成的复方药物，以防止其广泛蔓延导致全球流行。

　　（曾庆平：作者系广州中医药大学教授）

　　《中国科学报》 (4013-04-10 第5版 生物周刊)