本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第8期
作者：沈应博，胡付品，王永强，尹丹丹，杨璐，陈义强，许春燕，李基云，蒋君瑶，王雪杨，付玉林，邵东延，刘德俊，马藤菲，蔡畅，沈张奇，王少林，李娟，张嵘，柯跃斌，吴聪明，沈建忠，TimothyR.Walsh，汪洋
抗生素耐药性是21世纪全球最大的公共卫生挑战之一，碳青霉烯类药物是我们治疗危及生命的多重耐药菌感染的最有效抗生素之一。不幸的是，碳青霉烯耐药肠杆菌（CRE）的快速传播是目前困扰住院患者和医生的主要问题，因为CRE对碳青霉烯类药物、头孢菌素类药物和青霉素类药物均表现出高水平耐药性，严重限制了治疗方案。因此CRE被称为“梦魇细菌”，同时伴随着大量的经济负担，并被列为首要的公共健康威胁之一以及迫切需要优先研发新抗生素的病原体。
一、引言
抗生素耐药性是21世纪全球最大的公共卫生挑战之一，碳青霉烯类药物是我们治疗危及生命的多重耐药菌感染的最有效抗生素之一。不幸的是，碳青霉烯耐药肠杆菌（CRE）的快速传播是目前困扰住院患者和医生的主要问题，因为CRE对碳青霉烯类药物、头孢菌素类药物和青霉素类药物均表现出高水平耐药性，严重限制了治疗方案。因此，CRE被称为“梦魇细菌”，同时伴随着大量的经济负担，并被列为首要的公共健康威胁之一以及迫切需要优先研发新抗生素的病原体。
二、材料和方法
（一）研究设计
其次，于2017年4月1日至5月31日间在辽宁、湖南和陕西三个省各收集22个猪养殖场和16个鸡养殖场的粪便样本，以评估blaNDM和blaKPC的总体丰度；关于样本采集和处理过程的细节已在之前的研究中描述，如果提取的DNA质量不足以进行下一步分析，则排除该养殖场数据（图1）。如前所述，使用qPCR方法以16SrRNA基因为对照，评估blaNDM和blaKPC的相对丰度。
中国22个省（直辖市）的人口统计数据来自中国国家统计局和《中国农业年鉴》。人为因素共分为6类，包括：国内生产总值（GDP）、人口（数量和密度）、抗菌药物使用、动物生产（食品动物和淡水养殖，主要是鱼和虾）、动物源性食品消费和每日动物源性食品摄入量。大部分数据收集于2015年，抗菌药物使用数据来自2013年。
在基因组分析中，我们从NCBI数据库中下载了所有可用的中国NDM阳性大肠杆菌全基因组序列（n=463）用于综合分析。我们还从NCBI数据库中获得了来自4个宿主（人、猪、鸡、蝇）的1852株NDM阴性大肠杆菌的基因组序列，相当于NDM阳性序列总数的4倍（图1）。所有菌株均给予有序自然数，并使用Excel中的RAND函数随机选择进行相应分析。
（三）基因组分析
（四）溯源分析
（五）统计分析
使用R3.6.1对blaNDM的丰度进行分析和可视化。当丰度值低于检测限时，添加一个伪数值1×10-7（低于最低丰度一个数量级）后再进行log10变换。不同组间的比较采用Mann-WhitneyU检验或Kruskal-WallisH检验，取0.05为显著性水平。
三、结果
（二）敏感性试验
药敏试验表明，CREC（n=631）对头孢菌素、头孢哌酮/舒巴坦、哌拉西林/他唑巴坦和氟喹诺酮类（58.8%~95.7%）的耐药性明显高于碳青霉烯敏感大肠杆菌（carbapenem-susceptibleE.coli,CSEC;n=29168,2.9%~59%）（P<0.0001）（表1）。CREC对阿米卡星和磷霉素的耐药率分别为16.8%和28.5%，而CSEC对阿米卡星和磷霉素的耐药率分别为2.7%和5.6%。CREC和CSEC对黏菌素和替加环素的敏感性均较高（大于96.7%）。值得注意的是，59%的CSEC对头孢噻肟表现出耐药性（表1）。虽然无法获得CHINET分离株的耐药基因型，但可利用NCBI数据库中中国临床大肠杆菌分离株（NDM阳性菌株和阴性菌株分别为195株和494株）的序列检测两组间的耐药基因阳性率。总的来说，除mcr和oqxAB基因外，NDM阳性菌中大多数抗菌药物的耐药基因，特别是β-内酰胺耐药基因（blaCTX-M、blaOXA和blaCMY）的阳性率显著高于阴性菌株。最近上传至NCBI的不携带NDM的mcr阳性菌株数量的增加可能是导致NDM阴性菌株中mcr基因阳性率更高的原因；该结果与我们的药敏试验结果相一致——NDM阴性菌株对黏菌素的耐药性高于阳性菌株。
表1临床CREC和CSEC分离株的药敏数据
（三）畜禽养殖场样本中的丰度
（四）动物源和人源NDM阳性大肠杆菌间的保守序列分型
（五）动物源和人源NDM阳性菌株/质粒之间的基因组关联
图4.系统发育树显示了5个主要分支C1~C5中不同宿主间最接近的遗传关系。基于463株NDM阳性菌株的SNP差异利用最大似然法构建了中值有根系统发育树。平均分支长度小于0.0005（99.95%）的簇被折叠并用粉色三角形表示。三角形的大小与演化支中菌株的数量成正比。不同宿主之间亲缘关系近的菌株用红色三角形表示，同时5个遗传关系最近的分支标记为C1~C5。属于这5个分支的菌株以粉红色圆圈背景显示，并标记了确切的分支长度。这些菌株的名称和宿主分别用字符和不同颜色的圆点表示。
四、讨论
blaNDM在动物和人类之间的成功传递可能包括以下证据。首先，blaNDM-IncX3质粒的流行率为76.8%，出现在各主要谱系的CREC内（图3），提示该质粒可能是非宿主特异性质粒；此外，本研究中可能低估了blaNDM-IncX3质粒的流行率，因为大量携带NDM（n=105）的序列太短，无法确认其质粒类型，许多可能是IncX3型质粒。其次，携带blaNDM的质粒——特别是blaNDM-IncX3——对宿主细菌几乎没有适应性代价，增加了其在不同生态系统中的稳定性和持续性。第三，除了兽医禁用的碳青霉烯类药物外，包括青霉素和头孢菌素在内的β-内酰胺类药物，是中国（2018年3192t）和其他116个世界动物健康组织成员国（2015—2017年间占总抗菌使用量的16.1%）用于食品动物养殖的第二大类抗菌药物。这些常用的β-内酰胺药物主要被用于饮用水中，可能对畜禽中NDM阳性细菌的选择和持续存在发挥重要作用。第四，blaNDM和包括mcr-1、floR和tet(A)等其他耐药基因在可转移质粒上共存，可分别通过使用黏菌素、氟苯尼考和四环素将blaNDM共同筛选出来。
五、结论
注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。
改编原文：
YingboShen,FupinHu,YongqiangWang,DandanYin,LuYang,YiqiangChen,ChunyanXu,JiyunLi,JunyaoJiang,XueyangWang,YulinFu,DongyanShao,DejunLiu,TengfeiMa,ChangCai,ZhangqiShen,ShaolinWang,JuanLi,RongZhang,YuebinKe,CongmingWu,JianzhongShen,TimothyR.Walsh,YangWang.TransmissionofCarbapenemResistanceBetweenHumanandAnimalNDM-PositiveEscherichiacoliStrains[J].Engineering,2022,15(8):2433.