零距離科學︰進入後抗生素時代

零距離科學︰進入後抗生素時代
Photo Credit: Daniel Karmann / AP Images / 達志影像
我們想讓你知道的是

不少致病菌對各種常用抗生素都產生了抗藥性,而且越來越強。我們正在不知不覺間見證著,人類在醫學上的最強武器正在一步步失效。

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文:馬學綸(香港中文大學微生物學系博士)
圖:香港電台

提起抗生素,大家會想起甚麼畫面?其中一個,相信是一隻戴著膠手套的手,拿著一隻透明的培養碟,碟裡有薄薄的一層,像果凍的東西,果凍上再長著一層淺色的物質,中間有一個個透明的圓形。隨著年月過去,在各個媒體上可以看到,這些圓形越來越小,甚至都沒有了。媒體上的報導也由「某某細菌出現抗藥性」,變成「超級細菌無藥可醫」。

細菌抗藥性的媒體形象

畫面中的培養碟大多是直徑十厘米的淺身圓碟,裝著的是一層和大家平日吃的大菜糕成份差不多的基質,按不同細菌可加不同成份幫助生長。長在基質上的是細菌,不同細菌的質地和顏色都會不同,平日在媒體上比較常見的是一片同一顏色的,是由同一粒細菌分幾天長成。若是有很多不同顏色和大小的點,大多是從一個人體部份,如鼻腔、血液,或一些環境樣本,如泥土、河水等而來,是一堆不同種類的細菌混集在一起生長。

最重要的,是那些越來越小的透明圓形。大家試回想一下,透明圓形的中間還有些甚麼?這些透明圓形的中間都貼有一塊直徑約六毫米,質地類似過濾紙的圓形紙片,這些紙片上早已滲有不同份量的抗生素,放在特定大小和成份的基質上,能使以紙片中央為圓心的一個特定範圍內有特定濃度的抗生素。跟著就很容易明白了,越近圓心,抗生素濃度越高,細菌長得越近圓心,即能在越高的濃度生存,承受不了的細菌會死掉,看上去就成了透明。

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抗生素不全是人類的發明,很多時是在大自然中,不同的微生物為了爭奪資源和生長空間,而製造的武器。科學家正在不同地方收集樣本,希望能找到新一代的抗生素。

隨著年月,在不同媒體中看到越來越小的透明圓形,代表著各種細菌,特別是致病菌,對各種常用抗生素都產生了抗藥性,而且越來越強。我們正在不知不覺間見證著,人類在醫學上的最強武器正在一步步失效。

由盤尼西林到粘杆菌素

如果讓大家說出一種曾吃過的抗生素,大家會不會脫口就說出盤尼西林?相信大家都聽過英國科學家亞歷山大·弗萊明意外發現盤尼西林能殺掉細菌的故事,但因為產生了抗藥性和發現了更有效的分子結構,大家很少會吃到盤尼西林的本尊了,現在一般只會在實驗室裡使用。

盤尼西林是英文Penicillin的音譯,學名是青黴素,由青黴菌(真菌)製造和分泌到生長環境,用來抑制,甚至殺掉在同一環境中生長,會分薄營養和生長空間的細菌。青黴素是β-內醯胺類抗生素(β-lactam antibiotics)的一種,它們的分子包含一個稱為β-內醯胺的環狀結構(β-lactam ring),專門針對細菌的細胞壁,只要細菌開始分裂,它們的細胞壁就會被破壞,一說是受不了水壓直接爆掉,也有說法是因為新細胞的細胞壁結構脆弱,更容易死亡。

這個家族的抗生素有很多種,包括現在常用的頭孢菌素(cephalosporins)和碳青霉烯(carbapenems),它們可以對付不止一種細菌,所以亦稱為廣譜抗生素(board-spectrum antibiotics),可是,由於使用過量,抗藥性也來得很快、很猛。

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1928年,英國科學家亞歷山大·弗萊明發現了由真菌青黴菌所產生的青黴素(盤尼西林)能殺滅細菌,為人類醫學發展帶來革命性的改變。

首先要知道,所有生物的DNA只要進行複製就有機會出現異變,這幾乎是無可避免的,這代表,住在我們身體裡的病菌,總會有一部份對你將會吃的抗生素有抗藥性。這些抗藥性成員因為要用部份資源來製造對抗抗生素分子的蛋白質,一般會比較脆弱,例如長得很慢,所以只會佔群體裡的少數。如果你看的醫生開的抗生素種類和份量正確,你又有按時按量全部吃完,那幾乎所有病菌都會被消滅。

如果你在中途停藥,沒抗藥性的成員是殺掉了不少,但抗藥性成員都會留下來,再加上原本就活在身體內的其他細菌也被殺掉,原本處於弱勢的抗藥性成員就得到了生存優勢。或許在以後任何一個時間,還在身體內的抗藥性成員會累積越來越多異變,足夠對更高濃度和更多分子結構近似的抗生素產生抗藥性,到這時候,能救你的抗生素就會越來越少,如果誤用的是廣譜抗生素,更是無路可退了。

近來常在媒體上看到的「超級抗藥菌」,例如從一個在印度做過手術的病人身上發現,並傳播到世界各地的NDM-1 (New Delhi metallo-beta-lactamase-1) 大腸桿菌,就已經對多種碳青霉烯出現抗藥性。NDM-1 是由抗藥性細菌製造,一種能分解β-內醯胺類抗生素分子中,β-內醯胺的環狀結構的酶(enzyme),一旦環狀結構被破壞,抗生素分子就再不能攻擊細菌的細胞壁,即宣告失效。

要對抗這種抗藥性細菌,少數能用的抗生素是粘杆菌素(Colistin),有用的原因是因為它對肝臟有毒性,已經很久沒人使用,所以才會對新出現的抗藥菌有效,名副其實的以毒攻毒。

以毒攻毒——以噬菌體代替抗生素

經過醫學界多番宣傳,相信大家很容易就能列出有甚麼病不需要用抗生素,像是流行性感冒和登革熱等由病毒引起的疾病。因為抗生素是針對細菌的新陳代謝機制(例如細胞壁、細菌才有的蛋白質等),對人體細胞是沒有效用的,而病毒是依靠人類細胞作宿主來複製繁衍,所以不受抗生素影響。

對病毒感染使用抗生素,沒病菌可殺,倒是會殺掉身體裡無害的細菌,這些細菌,是人體裡的微生物群(microbiome)的一部份,越來越多的研究發現,這些微生物和各種敏感症、炎症,甚至精神疾病有關,是不能胡亂消滅的。

關於病毒的另一方面,病毒的宿主可以不是人類細胞,被稱為噬菌體(bacteriophage)的病毒的宿主就正是細菌,包括侵襲人體的病菌。每個品種的噬菌體只會針對個別品種的細菌,所以不會傷害原本住在人體的細菌。噬菌體一旦碰上對應的細菌宿主,就會抓著宿主表面,強行把自己的遺傳物質注射進細菌,騎劫細菌的新陳代謝機制來複製自己,最後弄破細菌繼續擴散,很少留有「活口」,也減少了產生類似抗藥性的可能。

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噬菌體有好像蜘蛛般,由蛋白質構成的腳,能抓住宿主細菌的表面,像打針般把自己的遺傳物質注射進細菌裡。

但是,這絕不代表問題就此解決,廣譜抗生素的用處是在病況緊急,不夠時間仔細化驗是哪種細菌致病時用的「救命丹」,要全面以噬菌體代替抗生素,還是要解決如何在短時間內確定致病源的問題。而且,生命自有其法,細菌不會永遠「捱打」,演化成能抵抗噬菌體只是時間問題。

我們要學習接受,世界上沒有一顆能醫百病的萬靈藥,每項醫療手段若被誤用,不但無效還會招禍。由於之前數十年的無知,我們現在只能非常小心地使用手上還有效的抗生素,等待新療法的到來,歡迎進入後抗生素時代。


《零距離科學》集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集 「對抗惡菌」於8月16日播出。港台網站tv.rthk.hk及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。節目網站:www.rthk.hk/tv/dtt31/programme/sciencewithyou

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責任編輯︰鄭家榆
核稿編輯︰歐嘉俊

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