Sự xuất hiện và chọn lọc các vi sinh vật kháng thuốc

Các vi sinh vật kháng thuốc xuất hiện thông qua sự kết hợp giữa biến đổi di truyền và chọn lọc. Đột biến và sự tiếp nhận các gen kháng thuốc tạo ra các biến thể vi sinh vật có thể sống sót khi tiếp xúc với kháng sinh, và sự hiện diện của kháng sinh sau đó sẽ chọn lọc các biến thể đó bằng cách ức chế các đối thủ cạnh tranh nhạy cảm. Chủ đề này xem xét quá trình tiến hóa đó diễn ra như thế nào trong quần thể vi sinh vật và tại sao việc sử dụng kháng sinh là động lực trung tâm của sự xuất hiện kháng thuốc.

Definition

Sự xuất hiện và chọn lọc các vi sinh vật kháng thuốc là quá trình tiến hóa mà theo đó các biến thể vi sinh vật mang các yếu tố quyết định kháng thuốc — dù phát sinh do đột biến hay thu được thông qua chuyển gen ngang — được ưu tiên và khuếch đại dưới áp lực chọn lọc của việc tiếp xúc với kháng sinh.

Scope

Chủ đề này bao gồm nguồn gốc di truyền của sự kháng thuốc (đột biến và chuyển gen ngang thông qua các yếu tố di truyền di động), vai trò của việc tiếp xúc với kháng sinh như một áp lực chọn lọc, tầm quan trọng đặc biệt của nồng độ dưới ngưỡng ức chế, và động lực học quần thể mà theo đó một biến thể kháng thuốc hiếm có thể trở nên chiếm ưu thế. Nó coi sự xuất hiện và chọn lọc như dịch tễ học tiến hóa, không phải là hướng dẫn kê đơn.

Core questions

• Các yếu tố quyết định kháng thuốc đến từ đâu — đột biến, tiếp nhận gen, hay cả hai?
• Việc tiếp xúc với kháng sinh chọn lọc các biến thể kháng thuốc như thế nào?
• Tại sao nồng độ kháng sinh dưới ngưỡng ức chế lại quan trọng đối với chọn lọc?
• Những điều kiện nào ở cấp độ quần thể làm tăng nhanh sự kháng thuốc?

Key concepts

• Đột biến và kháng thuốc de novo
• Chuyển gen ngang
• Các yếu tố di truyền di động: plasmid, transposon, integron
• Áp lực chọn lọc và cửa sổ chọn lọc
• Nồng độ kháng sinh dưới ngưỡng ức chế (dưới ngưỡng gây chết)
• Chi phí thích nghi và tiến hóa bù trừ
• Chọn lọc đồng thời và kháng chéo

Mechanisms

Các yếu tố quyết định kháng thuốc đi vào một quần thể hoặc bằng đột biến tự phát của các đích nhiễm sắc thể hoặc bằng cách tiếp nhận ngang các gen kháng thuốc mang trên plasmid, transposon và integron. Việc tiếp xúc với kháng sinh sau đó hoạt động như một bộ lọc chọn lọc: các tế bào nhạy cảm bị ức chế hoặc bị tiêu diệt trong khi các biến thể kháng thuốc sống sót và tăng sinh, do đó tần suất kháng thuốc tăng lên. Chọn lọc không chỉ hoạt động ở mức độ thuốc gây chết mà còn trên một loạt các nồng độ dưới ngưỡng ức chế, có thể làm giàu các quần thể phụ kháng thuốc và thúc đẩy quá trình gây đột biến. Kháng thuốc thường đi kèm với một chi phí thích nghi, nhưng các đột biến bù trừ và chọn lọc đồng thời bởi các gen liên kết có thể ổn định nó, cho phép các dòng kháng thuốc tồn tại ngay cả khi áp lực kháng sinh được nới lỏng.

Clinical relevance

Khung xuất hiện và chọn lọc giải thích tại sao việc tiếp xúc với kháng sinh ở cấp độ quần thể thúc đẩy sự kháng thuốc và tại sao các mô hình sử dụng định hình tính nhạy cảm trong tương lai, đây là cơ sở khái niệm cho việc quản lý kháng sinh. Nó mô tả các hậu quả tiến hóa của việc sử dụng kháng sinh hơn là quy định cách điều trị cho từng bệnh nhân.

Epidemiology

Cường độ và phạm vi sử dụng kháng sinh trong y học và nông nghiệp cung cấp áp lực chọn lọc bền vững, và tính di động toàn cầu của các yếu tố di truyền di động có nghĩa là các yếu tố quyết định kháng thuốc được chọn lọc ở một môi trường có thể lan rộng. Các đánh giá về các động lực của sự kháng thuốc nhấn mạnh rằng chọn lọc được khuếch đại ở bất cứ nơi nào việc tiếp xúc với kháng sinh cao và kiểm soát nhiễm khuẩn yếu.

History

Tác động chọn lọc của kháng sinh đối với quần thể vi khuẩn đã được công nhận trong những thập kỷ đầu tiên sử dụng kháng sinh, và việc phát hiện ra các gen kháng thuốc có thể chuyển giao đã định hình lại sự kháng thuốc như một thứ có thể lây lan theo chiều ngang chứ không chỉ theo dòng dõi. Các công trình sau này đã làm rõ tầm quan trọng của nồng độ dưới ngưỡng ức chế và chi phí thích nghi cũng như sự bù trừ trong việc định hình liệu sự kháng thuốc có tồn tại hay không.

Debates

Sự chọn lọc ở nồng độ dưới ngưỡng ức chế đóng góp bao nhiêu vào sự xuất hiện kháng thuốc?

Ngoài chọn lọc cổ điển ở mức độ thuốc gây chết, bằng chứng cho thấy nồng độ kháng sinh thấp, dưới ngưỡng gây chết có thể làm giàu các quần thể phụ kháng thuốc và thúc đẩy đột biến thích nghi, mở rộng phạm vi tiếp xúc liên quan đến sự xuất hiện.

Seminal works

• andersson-2014
• partridge-2018
• holmes-2016

Frequently asked questions

Sử dụng kháng sinh có tạo ra sự kháng thuốc không?

Việc sử dụng kháng sinh không tạo ra các gen kháng thuốc; nó chọn lọc các vi sinh vật đã mang hoặc tiếp nhận chúng bằng cách ức chế các đối thủ cạnh tranh nhạy cảm, do đó sự kháng thuốc trở nên phổ biến hơn ở những nơi tiếp xúc cao.

Sự khác biệt giữa đột biến và chuyển gen ngang như các nguồn gốc của sự kháng thuốc là gì?

Đột biến tạo ra sự kháng thuốc bằng cách thay đổi các gen của chính tế bào và được truyền cho các thế hệ sau, trong khi chuyển gen ngang di chuyển các gen kháng thuốc có sẵn giữa các vi sinh vật không liên quan thông qua các yếu tố di truyền di động.