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1 16 doi /j.issn 基础研究 对碳青霉烯类抗生素敏感性降低的肠杆菌科细菌产酶机制分析 王婷婷 李冬冬 陶传敏 谢 轶 康 梅 陈知行 四川大学华西医院实验医学科 四川 成都 641 摘要 目的 了解临床分离肠杆菌菌种分布及对碳青霉烯类抗菌药物的耐药现状和分子机制 方法 收集四川大学华西医院 29~21 年分离到的对碳青霉烯类药物敏感性降低的肠杆菌科非重复菌株共 45 株 测定其对常用抗菌药物的最低抑菌浓度 MIC 以及产酶表型和 PCR 检测产酶分子机制 结果 对碳青霉烯类药物敏感性降低的 45 株肠杆菌科细菌中 17 株菌对亚胺 培南中介或耐药 21 株对美罗培南中介或耐药 36 株对厄他培南中介或耐药 绝大多数菌株对头孢菌素类耐药 受试菌株中改 良 Hodge 试验阳性检出率最高 77.8% 其次为 EDTA 纸片增效试验 57.8% 和 PBA 纸片增效试验 22.2% blatem 和 blactx-m 基因检出率分别为 6.% 53.3%和 15.6% 同时携带 2 种及以上基因的检出率为 4% blaimp 基因检出率为 48.9% 4株菌 3株产酸克雷伯菌 1株阴沟肠杆菌 为blaKPC基因阳性 检出率为8.9% 且位于质粒上 结论 研究发现肠杆菌 科细菌产酶是对碳青霉烯类药物敏感性下降的主要机制 产碳青霉烯酶或合并多种β-内酰胺酶可引起非敏感或耐药的出现 本研究报道了在西南地区发现在质粒携带的KPC-2型酶 可能引起不同菌种间水平传播 需引起足够重视 关键词 肠杆菌科 碳青霉烯类 碳青霉烯酶 KPC 耐药性 Analysis of the carbapenemase-producing mechanism of Enterobacteriaceae with decreased susceptibility to carbapenems WANG Tingting, LI Dongdong, TAO Chuanmin, XIE Yi, KANG Mei, CHEN Zhixing Department of Laboratory Medicine, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu 641, China Abtract: Objectives To analyze the distribution of Enterobacteriaceae isolated from West China Hospital, investigate the antibiotic resistance profile of Enterobacteriaceae with decreased susceptibility to carbapenems and explore the molecular mechanism. Methods Forty-five Enterobacteriaceae strains resistant or with reduced susceptibility to carbapenems were isolated from patients in West China Hospital. The antimicrobial susceptibility and carbapenemase-producing phenotypes of the bacteria were examined and specific PCR were performed to determine the molecular mechanism. Results Of the 45 isolates, 17, 21 and 36 were resistant or intermediate strains to imipenem, meropenem and ertapenem, respectively. The majority of these isolates showed resistance to cephalosporins. The modified Hodge test resulted in the highest positivity rate (77.8% ), followed by EDTA disc test (57.8% ) and PBA disc test (22.2% ). BlaTEM, and blactx-m were detected in 6.%, 53.3% and 15.6% of these strains with reduced susceptibility. The rate of strains carrying 2 or more genes was 4%, and the detection rate of blaimp was 48.9%. BlaKPC was identified in 4 (8.9% ) high-level resistant strains and confirmed to locate on the plasmid. Conclusion Production of carbapenemase contributes to reduced susceptibility of carbapenems in Enterobacteriaceae. The presence of blakpc, MBL and ESBL, and their possible combinations can be the main factor contributing to carbapenem resistance or reduced susceptibility in Enterobacteriaceae. The KPC-2 carbapenemase gene located on the plasmids we found in this study can cause potential horizontal transmission across strains. Key words: Enterobacteriaceae; Carbapenems; carbapenemase; KPC; resistance 近年来 随着β-内酰胺类抗生素在临床的广泛应 用 细菌对β-内酰胺类抗生素的耐药率日趋增高 产β-内 酰胺酶是其主要原因 占 8% 多重耐药菌 特别是对 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金 /H5 Supported by National Natural Science Foundation of China ( / H5). 作 者 简 介 王 婷 婷 硕 士 检 验 技 师 电 话 tingting23.1@163.com 通信作者 谢 轶 医学博士 副主任技师 电话 xie_yi_77@163.com 碳青酶烯类抗菌药物耐药的肠杆菌使临床治疗面临严 峻挑战 目前临床主要的碳青霉烯类药物包括亚胺培南 美 罗培南和厄他培南 在国内外均有敏感率降低的报 道 1-3 并且发现肠杆菌科细菌碳青霉烯的耐药机制主要 是产碳青霉烯酶 碳青霉烯酶能水解大部分β-内酰胺 类 对碳青霉烯类药物水解率高 包括染色体介导的 A 类酶 如 NMC-A IMI 和 SME 8-9 质粒介导的 A 类 酶 如 KPC 和 GES 金属β-内酰胺酶(MBL B 类) 主要包括 IMP VIM 以及 D 类即 OXA 酶 其中 D类酶对碳青霉烯类的水解力弱

2 161 碳青霉烯酶能水解大部分的 β- 内酰胺类抗生素, 多 [2-21] 数产酶菌株对亚胺培南都仅表现出敏感性降低, 及早筛查对碳青霉烯类抗菌药物非敏感菌株十分重要 CLSI 推荐的改良 Hodge 试验 (MHT) 是检测肠杆菌科细菌产碳青霉烯酶的表型方法, 能检测到活性较低的碳青霉烯酶 但表型试验不可避免的存在假阳性,PCR 检测基因型则可更加准确的确证其产酶类型 及时了解临床分离菌株的耐药表型与基因型, 对指导临床合理使用抗生素 延缓细菌耐药产生 及时有效的控制耐药菌株播散具有十分重要的临床意义 本研究收集华西医院对碳青霉烯类药物敏感性降低的肠杆菌科细菌, 对其碳青霉烯类的耐药情况展开研究, 了解肠杆菌科细菌对碳青霉烯类的耐药水平, 解释其产酶类型和分子机制, 为临床用药和院内感染控制提供依据 1 材料和方法 1.1 菌株来源收集四川大学华西医院实验医学科临床微生物实验室 29 年 6 月 ~21 年 9 月期间住院病人中分离的对碳青霉烯类药物非敏感肠杆菌科非重复菌株共 45 株 大肠埃希菌 ATCC25922 作为药敏质控菌株, 为本实验室保存菌株 大肠埃希菌 J53 由四川大学华西医院感染性疾病中心实验室提供, 作为接合实验受体菌 肺炎克雷伯菌 ZJK1 为 blakpc 阳性菌株, 由浙江大学附属第二医院惠赠 blaimp blavim 基因阳性菌株, 为本实验室保存菌株 1.2 主要抗菌药物来源及效价亚胺培南 / 西司他丁 1 1(Impenem, IMP): 杭州默沙东制药有限公司, 效价 5%; 厄他培南 (Ertapenem, ETP): 杭州默沙东制药有限公司, 效价 %; 美罗培南 (Meropenem, MEM): 住友制药 ( 苏州 ) 有限公司, 效价 82.4% 1.3 细菌菌种鉴定 45 株肠杆菌经 MicroScan WalkAway 96SI 或 VITEK2 Compact 全自动微生物鉴定系统鉴定至种, 必要时加入手工生化鉴定 1.4 细菌最低抑菌浓度测定 微生物药敏系统的微量肉汤稀释法用 MicroScan WalkAway 96SI NC31 复合测试板和 VITEK2 Compact AST GN13 药敏卡对菌株进行药物敏试试验, 结果按美国临床实验室标准化研究所 (clinical laboratory standard institution, CLSI)M-S2(21) 文件规定 [22] 标准判定 质控菌株 : 大肠埃希菌 ATCC 25922, 铜绿假单胞菌 ATCC 琼脂稀释法操作过程参照 CLSI M-S2 (21) 文件进行 [22], 结果解释以其中肠杆菌科 MIC 解释 标准来判定敏感 (S) 中介 (I) 和耐药 (R) 质控菌株大 肠埃希菌 ATCC 实验中进行琼脂稀释法的药 物包括 : 亚胺培南 厄他培南和美罗培南 1.5 细菌耐药表型检测 改良 Hodge 试验 (MHT) CLSI M-S2(21) 标准方法 PBA 纸片增效法取预先配制的 4 mg/ml 的 PBA 溶液 1 μl 于亚胺培南 (IPM) 纸片上制成 PBA-IPM 纸 片, 无菌环境下自然干燥 将待检菌株的单个菌落配制 成.5 MCF 菌悬液, 并涂抹 MH 平板 平板分别贴 IPM 纸片和含 PBA 的 IPM 纸片 35 孵育过夜 结果判定 :PBA-IPM 纸片与 IPM 纸片相比出现抑 菌圈扩大现象 ( 5 mm) 为阳性, 如无此现象则为阴性 EDTA 纸片增效法取预先配制的.1 mol/l, ph8. 的 EDTA Na 2 溶液 1 μl 于头孢他啶 / 克拉维酸 (CAZ/CALV,3 μg/1 μg) 纸片上制成 EDTA Na 2 纸 片, 无菌环境下自然干燥 待检菌株单个菌落配制成.5 MCF 菌悬液, 均匀涂抹 MH 平板, 分别贴上 CAZ/ CAL 纸片和含 EDTA Na 2 的 CAZ/CAL 纸片 35 孵 育过夜 结果判定 : 加 EDTA Na 2 纸片与 CAZ/CAL 纸片相 比出现抑菌圈扩大现象 ( 5 mm) 为阳性, 如无此现象 则为阴性 1.6 细菌 DNA 提取及 PCR 扩增 煮沸裂解法提取细菌 DNA, 扩增的碳青霉烯酶基 因包括 blakpc blaimp blavim, 扩增的 β- 内酰胺酶基 因包括 blatem blactx-m 自行设计引物, 由 Invitrogen 公司合成 ( 表 1) 2% 琼脂糖凝胶进行电泳 检测 电泳结果显示 blakpc 基因阳性的扩增产物送 Invitrogen 公司做测序分析和序列信息进对比 表 1 PCR 引物序列 Tab.1 Sequence of the PCR primers Primer blakpc blatem blactx-m blavim blaimp Sequence (5' 3') F-ATGTCACTGTATCGCCGTCT R-TTTTCAGAGCCTTACTGCCC F-AGACGTCAGGTGGCACTTTTCGG R-CAAGGGGTCTGACGCTCA F-TTGTCGCTTCTTTACTCGC R-TATGGCGTTACCTTTGACC F-GGCCCATGGTTAAAAAATCACTGC R-CCGTTTCCGCTATTACAAACCGTTG F-GATTGCCGATGGTGTTTG R-AGCTCTACTGGACCGAAGC F-GGAATAGAGTGGCTTAATTCTC R-GTGATGCGTCYCCAAYTTCACT length ()

3 质粒接合试验 分别以 blakpc 基因阳性临床菌株 H42 产酸克 雷伯菌 H44 产酸克雷伯菌 H67 产酸克雷伯菌 H73 阴沟肠杆菌 为供体菌 以 E.coli J53 为受体菌 将 供体菌和受体菌混合培养 取.1 ml 混合液涂抹于含 15 mg/l叠氮钠和2 mg/l厄他培南平板 35 孵育过 夜后记录各平板上的菌落数 将接合子转到含15 mg/l 叠氮钠和 2 mg/l 厄他培南平板 PCR 检测目的基因并 鉴定接合子菌种 2 结果 2.1 细菌鉴定和药敏结果 菌株来源及菌种分布 本实验于 29 年 6 月~ 21 年 9 月期间 收集了临床微生物实验室共 45 株对 亚胺培南或厄他培南MIC值 2 μg/ml的肠杆菌科非重 复 临 床 分 离 菌 株 经 MicroScan WalkAway 96SI 或 VITEK2 Compact 全自动微生物鉴定仪鉴定至种 包 括 阴沟肠杆菌 16 株 肺炎克雷伯菌 11 株 产酸克雷伯 菌 4 株 大肠埃希菌 4 株 弗劳地枸橼酸 5 株 解鸟氨酸 克雷伯菌 1 株 产气肠杆菌 1 株 聚团肠杆菌 1 株 居泉 沙雷菌 1 株 普城沙雷菌 1 株 图 1 菌株主要分离自 痰 尿 血及分泌物等标本 C.freundii 11% E.cloacae 36% K.pneumoniae 24% 图1 碳青霉烯类敏感性下降肠杆菌科细菌分离构成比 Fig.1 Constituent ratio of the Enterobacteriaceae decreased susceptibility to carbapenems 细菌耐药性分析 在45株所研究的菌株中 17株 菌对亚胺培南中介或耐药(MIC>4 μg/ml) 21 株对美罗 培南中介或耐药(MIC>4 μg/ml) 36 株对厄他培南中介 或耐药(MIC>2 μg/ml) 其他常见药物耐药分布如表 2 所示 2.2 细菌耐药表型结果 在 45 株菌中 共有 35 株细菌在 MHT 中显示为阳 性结果 检出率为 77.8% 35/45 PBA 纸片增效法结 果 1 株菌为阳性 检出率为 22.2% 1/45 EDTA 纸 片增效法结果 26株菌为阳性 检出率为57.8% 26/ PCR检测结果 对45株菌做PCR检测 其中4株菌的blaKPC基因 为阳性 检出率为8.9% PCR 检测结果显示45 株菌中 β-内酰胺酶blatem基因27株 27/45 6% 24 株 24/ % blactx-m 7 株 7/ % 同时 携 带 两 种 基 因 的 比 率 为 blatem % +blactx-m 6.7% blatem+blactx-m % 同时携带3种基因比率为6.7% 图2 2.4 测序结果 blakpc 基因阳性菌株的扩增产物测序结果显示 产酸克雷伯菌 H44 菌株 KPC 型扩增产物测序结果与 Genbank 上 源 自 肺 炎 克 雷 伯 菌 株 HZ1 的 KPC-2 (GU86225)相似性最高 为99%同源 可确定为KPC-2型 2.5 接合试验结果 接合子经PCR检测blaKPC基因 电泳结果显示扩 增产物片段大小与预期相符 接合子经生化鉴定结果为 大肠埃希菌 鉴定率97.9% 即可确定受体菌J53经接合 获得blaKPC基因 显示KPC基因位于可接合质粒上 Othcrs 11% E.coli 9% ca 9% K.oxyto with 3 讨论 本研究收集的45株对碳青霉烯类药物敏感性降低 的肠杆菌中对亚胺培南 美罗培南和厄他培南的耐药率 表2 45株肠杆菌科细菌对常见抗生素的耐药情况 Tab.2 Resistance of the 45 Enterobacteriaceae isolates to the antibiotics frequently used IPM MEM ETP AMK CRO CAZ FEP CIP GEN R % I % S % IPM: Imipenem; MEM: Meropenem; ETP: Ertapenem; AMK: Amikacin; CRO: Ceftriaxone; CAZ: Ceftazidime; FEP: Cefepime; CIP: Ciprofloxacin; GEN: Gentamicin; S: Susceptible; I: Intermediate; R: Resistant. 分别为 2.% 15.6%和 75.6% 对β-内酰胺类耐药率亦 很高 对于三代头孢菌素耐药率高达 95.6% 对喹诺酮 类药物耐药也较高 82.2% 环丙沙星 对庆大霉素耐药 率为6% 仅对阿米卡星耐药率相对较低 % 本 研究进行KPC酶的筛查检测 3株MHT阳性的菌株经 PCR 证实有 4 株携带 KPC 酶基因 其他的多为产金属 酶 其他β-内酰胺酶或合并多种酶引起耐药或敏感性下 降 4株MHT阳性菌株在本研究中检测的耐药基因均

4 163 blakpc M _ - M blaimp 1 2 +_ - M blatem M blactx-m M 图 2 酶基因扩增产物电泳图 Fig.2 Amplification of β-lactamases genes by PCR. M: DLDNA Marker; 1 and 2: Amplification results of clinical strains; + and - : positive and negative control, respectively. 为阴性, 需要进一步增加检测的基因范围以确定其机 制 在 4 株 KPC 酶阳性的菌株中有 1 株 MHT 结果为弱 阳性, 其他均为阳性, 本研究中 MHT 对检测 KPC 酶的 灵敏度为 %, 特异度为 11.8%, 可出现假阳性, 这与 Carvalhaes [23] [24] 和施德仕等报道一致 产 ESBLs 等高活 性 β- 内酰胺酶应该是引起碳青霉烯类药物敏感性降低, 导致未携带碳青霉烯酶类基因的菌株在 MHT 试验出现 阳性的原因之一 由于 MHT 特异性的不足, 本研究增加其他方法进 行筛查, 其中 PBA 纸片增效法是近期报道最多 效果较 好的一种方法 [25] 本研究结果显示 1 株菌为阳性, 而 其中包括了 4 株 blakpc 基因阳性菌株 该方法对于检 测 KPC 酶的灵敏度为 %, 特异度为 4% 结合 MHT 与 PBA 两个实验, 其双阳性结果虽对检测 KPC 酶 特异度有所提高 (4%), 但仍不够理想, 需要开发特异 度和敏感度都高的新方法 本研究采用头孢他啶 / 克拉维酸 (CAZ/CALV) 纸片 加 EDTA 试验 [26-27], 显示 26 株菌为阳性, 其中 21 株菌为 IMP 基因阳性, 未发现有 VIM 基因阳性的菌株, 只有 1 株 IMP 阳性菌在 EDTA 试验中结果为阴性, 其灵敏度 95.5%, 而特异性 8.8% 说明该方法是筛查 MBL 酶效 果较好的表型试验方法 通过 PCR 检测,blaTEM 基因检出率最高, 为 6%, 其次, 为 53.3%, 同时携带 blatem 和 检 出率 33.3%, 可见在我院对碳青霉烯类敏感性下降的肠 杆菌科细菌产 β- 内酰胺酶以 TEM 与 SHV 型为主 blakpc 阳性菌检出率 8.9%, 低于国内浙江等地区 [28] 报道的研究结果 其原因包括抗生素的使用 摄入剂量和当地医院对多重耐药病原菌感染相关病人的隔离措施等 本研究中, 产 IMP 酶菌株的碳青霉烯类药物 MIC 值范围在 2~32 μg/ml, 引起低至中等水平耐药, blaimp 检出率 48.9% IMP 酶分为染色体和质粒介导两类, 由于质粒介导酶容易通过质粒的传递将耐药基因传播到其他菌种, 因此更受临床关注 研究发现一株产酸克雷伯菌合并产 KPC 酶 IMP 酶及 β- 内酰胺酶, 其对厄他培南 MIC 值达到了 256 μg/ml, 说明合并产多种酶可能是引起碳青霉烯类药物高水平耐药的机制之一 本研究中分离到 4 株对碳青霉烯类敏感性下降甚至耐药的菌株, 其 blakpc blaimp blavim blatem 及 blactx-m 检测结果均为阴性, 这些菌株可能携带本研究中未列入检测的 blaesbls 或产非 ESBLs 型的其他 β- 内酰胺酶的基因, 如 AmpC 酶等, 或有孔蛋白缺失等其他耐药机制, 有待进一步研究 本研究分离到 4 株产 KPC 酶菌株, 其中 3 株为产酸克雷伯菌,1 株为阴沟肠杆菌 对 4 株 KPC 酶阳性的菌株进行接合实验后发现, 其中 2 株菌为接合成功, 说明该耐药基因位于可接合的质粒上, 可通过接合作用转移到受体菌中, 提示有发生水平播散的可能, 故应做好临床耐药监测和院感控制工作, 以期预防耐药株暴发流行的发生 及时了解本院肠杆菌科细菌耐药表型及基因型, 对指导临床合理使用抗生素 延缓细菌耐药的产生 及时有效的控制耐药菌株的播散和流行具有十分重要

5 164 的临床意义 参考文献 : [1] Vatopoulos A. High rates of metallo-beta-lactamase-producing Klebsiella pneumoniae in Greece--a review of the current evidence [J]. Euro Surveill, 28, 13(4): 1-6. [2] Oteo J, Delgado-Iribarren A, Vega D, et al. Emergence of imipenem resistance in clinical Escherichia coli during therapy[j]. Int J Antimicrob Agents, 28, 32(6): [3] Kaezmarek F, Dib-Hajj F, Shang W, et al. High-level carbapenem resistance in a Klebsiella Pneumoniae clinical isolate is due to the combination of bla(act-l)bcta-laetamase production, porin ompk35/36 insertional inactivation, and down-regulation of the phosphate transport porin phoe[j]. Antimicrob Agents Chemother, 26, 5: [4] Pottumarthy S, Moland ES, Juretschko S, et al. NmcA carbapenemhydrolyzing enzyme in Enterobacter cloacae in North America[J]. Emerg Infect Dis, 23, 9(8): [5] Radice M, Power P, Gutkind G, et al. First class a carbapenemase isolated from enterobacteriaceae in Argentina[J]. 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