解决抗生素耐药性世界难题

撰文 加里·斯蒂克斯（Gary Stix）

1994年，弗洛伊德·罗姆斯伯格(Floyd Romsberg)获得了美国康奈尔大学的博士学位。攻读博士期间，他致力于研究一种名叫二烃氨基锂(Lithium dialkylamides)的盐类——合成化学家们经常用这类化合物来清除物质中的质子。罗姆斯伯格出生于化学世家，他将自己的时间和精力，都用在了研究化学反应的原理和反应速度上。罗姆斯伯格说：“这类研究并不是很有趣，其实相当枯燥。”

获得博士学位后，罗姆斯伯格便马上转变研究方向，进入美国加利福尼亚大学伯克利分校的一个博士后流动站，开展另一个领域的研究。在那里，他的导师——著名生物化学家彼得·G·舒尔茨(Peter G. Schultz)，坚定了他放弃物理化学并专注于免疫学研究的信念。但对于当初从事单调乏味的基础性研究，罗姆斯伯格并不后悔，因为他认为直接进入生物学研究领域，可能并不是一个明智的选择。生物学是一个复杂的研究领域，太多的研究项目仅能得到一些毫无意义的结果。他坦承：“在康奈尔大学，我有幸能对一个小系统进行研究，因为对小系统进行研究可以得到圆满的结果。重要的是，我能解决研究过程中出现的问题，并且容许我考虑一些基础性问题。我一直有一种倾向，就是把一些事物简化为分子水平、化学水平上的基础性问题，因为我觉得这种思维方式对我的研究工作非常有利。”

在舒尔茨的实验室研究抗体时，分子进化过程激起了罗姆斯伯格强烈的兴趣。目前，在加利福尼亚州拉霍亚斯克利普斯研究所，他的实验室已经组建起来。实验室共有19名研究人员，其中12位是研究生，7位是博士后。实验室被划分为几个独立的研究小组，每个小组研究的课题有所不同，但都与进化有关。一个小组将高能激光用于研究抗体的进化过程；另一个小组则希望确定：在插入外源性核苷酸后，DNA将如何发挥作用。或许最重要、最具有实际意义的研究，是找到在极短时间内发生进化的原因，然后以此为基础，阻断细菌快速突变过程中的一些关键步骤，以提供一种全新的方法，克服细菌对抗生素的耐药性。

耐药性的出现

基因突变通常起因于细胞自我复制时所发生的错误。突变常常会损伤细胞，因而细胞就会发生进化，以避免受到损伤。细胞通过装配自身的校正和修复工具，以确保DNA复制时尽可能准确。其实，细胞随时都可以利用这种基因突变过程，因为从本质上来说，基因突变就是一种快速进化。

在上世纪70年代，科学家们就已经知道发生于细菌中的SOS应答，这实际上是将突变作为一种自我防御的措施。当细菌处于极端逆境下时，它们会尝试各种方式，将受到的损伤作为突变的初始步骤。然后，它们开启一些基因——这些基因表达的蛋白会加速突变的发生，这类突变的产生速度，比细胞复制期间产生突变的速度要快1万倍。实质上，这些细胞经受了一种迅速的身份转变。例如，大肠埃希杆菌(即大肠杆菌，Escherichia coli)通过发出SOS，对环丙沙星和其他抗生素造成的持久性DNA损伤作出应答。发生的突变突变阻止环丙沙星结合其靶标——促旋酶，因为促旋酶是DNA复制所必需的。如果细菌不能阻止环丙沙星与促旋酶结合，那么细菌的DNA就不能正常复制，以致断裂，接着细菌就会死亡。

了解SOS应答之后，罗姆斯伯格提出了假设，认为只要关闭SOS系统，即阻止了过度进化，就能防止级联突变的发生——正是这种级联突变，使大肠杆菌产生了对抗生素的耐药性。在实验中——结果已于去年6月在Plos Biology(《大众科学图书馆生物卷》)网络版上发表，罗姆斯伯格和他的同事瑞安·T·西兹(Ryan T. Cirz)、朱迪·k·钦( Jodie K.Chin)以及他们在威斯康星大学麦迪逊分校的合作者发现，一种LexA蛋白可以抑制细菌的SOS应答，而环丙沙星会引起LexA蛋白的剪切，从而诱发大肠杆菌中的SOS超突变。一旦LexA蛋白被剪切，三种DNA聚合酶就开始制造突变，让细菌迅速产生耐药性。

接着，研究人员构建了一株大肠杆菌，在这种细菌中LexA蛋白不会被剪切掉，于是就没有发现有SOS应答的发生。他们以小鼠为实验模型，用这种致病性的细菌感染小鼠，然后给小鼠服用环丙沙星，结果发现小鼠并未对环丙沙星产生耐药性。他们的另一个抗生素(利福平)实验也得到了类似的结果。阻止大肠杆菌中LexA的剪切，能否防止对其他抗生素产生耐药性？这种方案是否会降低抗生素对其他细菌的药效？对这些问题的解答，目前仍处于实验阶段。其实，环丙沙星是一类重要的药物。一些导致流行性痢疾的细菌(志贺痢疾杆菌)已经对除环丙沙星之外的所有抗生素都产生了耐药性。在发展中国家，痢疾往往让数万人的生命受到威胁。

耐药性的解决

2002年，罗姆斯伯格的实验室刚开始获得以上结果时，他就发现了一种潜在的药物——能和抗生素一起服用的小分子药物，该药物可以阻止LexA受到剪切。他与两个合伙人毫不费力就筹集到1500万美元，开办了一家名叫Achaogen的公司(“Achao”的意思是“抵制混乱”——并由一位投资者添加上“gen”，因为名称中具有这个后缀的公司，其发展往往会一帆风顺)。

对于尚处在创办初期的公司，风险投资者一直抱谨慎的态度。但他们却对一种解决抗生素耐药性的新方案持乐观态度：迄今为止，大多数解决方案都与新型抗生素有关，并且该公司的几个先导性药物已经进入实验阶段。但是，微生物的独特性，可以让大量的艰辛劳动付诸东流。塔夫特大学研究抗生素耐药性的专家斯图尔特·B·利维( Stuart B. Levy)指出，罗姆斯伯格的研究工作提供了新的见解，但效果可能不会太理想。他说：“我们一直在探索新方案，特别是那些消除耐药性的方案。罗姆斯伯格提出了一种，但该方案仅针对一种有限的耐药性遗传机理，即染色体突变。”他补充说，有些类型的耐药性会直接抵抗抗生素。通过耐药性基因在相同或不同种类细菌之间的转移，细菌可以快速获得这种耐药性。

然而，罗姆斯伯格及其研究人员集中力量对氟喹诺酮类药物进行研究，因为细菌对氟喹诺酮的耐药性仅通过染色体突变(SOS 应答)而产生，据预计，到2011年，该药物将成为最畅销的抗生素类药物。当他们在PLOS Biology上发表论文时，出现了一个意外：该杂志的专家评审团认为他们的实验结果与正统观念不符。但罗姆斯伯格实验室的研究人员坚持认为，细菌的疯狂突变并非偶然，而是在细菌的指挥下主动进行的。迈克·吉恩(笔名)在网站idthink.net上写道：“生物体掌握着自己的命运。生物体并非是偶然事件与环境压力之间相互作用的被动参与者，”“进化可能受到生物体某些自身因素控制，这只是一个目的论观点，但对于细菌来说，却有非常重大的意义，因为利用这种能力，细菌就可以通过控制进化，抵抗来自抗生素的攻击。”

罗姆斯伯格已经走出了争论的泥潭，并且消除了这些断言的任何依据。他说，SOS应答与“宗教无关。它的确表明了成功而有创造性的进化是如何进行的，但是SOS应答并不是什么魔法。它完全是机械化的过程”。

如同他选择一种看上去单调乏味的研究项目一样，罗姆斯伯格说他之所以决定研究抗生素耐药性，是因为药品研发流程简单明了：“如果我们获得成功，就将为我们解决更为复杂的问题打好基础。”更复杂的问题就是癌症——对于癌症来说，耐药性也是一个让人头痛的难题。他的研究小组和他的公司打算开创一种治疗方法，来辅助化学疗法，以防止产生耐药性突变。罗姆斯伯格的逐渐推进——从清除盐类物质的质子到令人叹服的挑战癌症——较之轻率地快速推进来说，可能需要花费更长的时间。但是这条标准的科学进步路线可以带来更为可靠的成功。(