《Antibiotics》：Antimicrobial Resistance Along the Food Chain: Spread and Integrated Strategies for Mitigation and Control
Anna Maria Spagnolo,
Francesco Palma,
Giulia Amagliani,
Michele Fernando Panunzio,
Maria Teresa Montagna,
Elena Alonzo,
Guglielmo Bonaccorsi,
Giulia Cairella,
Emilia Guberti and
Giuditta Fiorella Schiavano
编辑推荐：
这篇系统综述深入探讨了抗菌素耐药性（AMR）沿食物链（畜牧业、水产养殖、农业）的发生、传播机制与公共卫生挑战，核心聚焦于“同一健康”（One Health）框架下的综合防控策略，强调需通过审慎用药、强化监测（如利用人工智能AI）和投资新疗法等多部门协同行动来应对这一全球威胁。
引言
抗菌素耐药性（AMR）已成为严重的全球公共卫生问题，对现代医学构成威胁。据统计，2021年约有471万例死亡与细菌性AMR相关。除了人类医疗中抗菌药物的过度和不合理使用，兽医、农业和水产养殖中的不合理使用，显著促进了耐药微生物的选择和传播。这些微生物可通过食物消费或处理进入食物链并传播给人类。一篇针对2010年至2020年间332项研究的荟萃分析显示，食品样品中食源性耐药病原体的流行率超过10%。本文旨在全面概述AMR沿食物链的出现和传播，并讨论“同一健康”框架内的综合缓解策略。
食品生产中的抗生素使用与传播
农场抗生素使用与动物副产品中AMR菌株的转移
据估计，全球超过70%的抗菌药物用于食用动物生产。在畜牧业中，抗生素的使用主要分为三类：抗生素生长促进剂（AGPs）、治疗性使用以及预防/群体治疗性使用。集约化养殖系统是抗生素使用的主要驱动因素。抗生素在集约化动物养殖中的使用可导致空气、土壤和水被药物残留和耐药细菌（ARBs）污染。动物粪便若未经适当处理用作肥料，可将耐药基因（ARGs）和ARBs转移至土壤、水和作物，完成耐药性的环境循环。AMR可通过消费或处理受污染的动物源性食品（如肉类）传播给人类。欧盟已出台法规（如(EU) 2019/6）禁止将抗生素用作生长促进剂，并严格限制其预防性使用。污染不仅限于ARBs，还包括使用的抗生素残留，如四环素、β-内酰胺类和头孢菌素类残留已在多种食品中被检出，可能超过世界卫生组织（WHO）建议的水平，带来过敏反应、遗传毒性或致癌风险，并促进ARBs发展。
水产养殖中的抗生素使用：鱼类和贝类产品中的AMR
水产养殖是快速扩张的食品生产部门。从半集约化到集约化养殖系统的转变导致产量增加，但使用亚治疗水平的抗生素来控制疾病，使水生生态系统变成了“AMR热点”。大约75%的给药抗生素未被鱼类完全吸收或消化，会通过粪便和尿液释放到周围环境中。研究发现，约24%的耐药基因对人类和动物健康均构成威胁。弧菌属、气单胞菌属、芽孢杆菌属等是水产品中最常分离到的耐药细菌。各国对水产品中抗生素的最大残留限量（MRLs）有不同规定。然而，对于许多常用抗生素，其最小选择浓度（MSC）低于欧盟法规规定的相应MRLs，这意味着法律上“合规”的浓度仍可能促进AMR的传播。
园艺和农业中抗生素残留和AMR的存在
大量抗生素用于畜牧业，估计有25-75%的抗生素以活性母体化合物或代谢物形式排泄到环境中。这些化合物可通过施用动物粪便、污水污泥或再生水灌溉污染农业土壤。土壤中的抗生素可被植物根系吸收并沿食物链转移。研究显示，在土壤中添加盐酸金霉素，其在生菜根中的积累量可达1.16 mg kg-1。用于园艺和农业的主要抗生素包括链霉素、土霉素等。研究表明，使用未经处理的粪肥的蔬菜中，大肠杆菌和肺炎克雷伯菌分离株显示出对包括庆大霉素在内的≥3类抗生素的多重耐药（MDR）。在经污水污泥改良的土壤中种植的胡萝卜和菠菜样品中，ARGs和移动遗传元件（MGEs）的丰度是对照组的2-4倍。新鲜果蔬中分离的菌株有74%对至少一种抗生素耐药，16%被归类为MDR。抗生素在农田的使用可能具有长期生态影响，因为土壤可作为ARGs的储存库。
加工和分销过程中的环境污染与交叉污染
在食品生产链中，污染可能发生在任何阶段。肉类屠宰和加工阶段是ARGs和ARBs从农场到餐桌传播的关键点。烫毛阶段是另一个关键点。去内脏阶段同样关键，可能导致ARGs（如sul2）和ARBs传播，污染胴体。据一篇系统综述估计，交叉污染率可达整个受污染胴体的29%至69%。此外，储存、运输、销售和餐饮服务阶段也至关重要。用于储存肉和鱼产品的冰可能携带MDR微生物。AMR的传播和MDR微生物的存在也已出现在家庭环境中。研究表明，从家庭食品相关环境物体表面分离的肠杆菌目细菌中，49.6%对至少一种抗生素耐药，6.4%为MDR。家庭环境中的交叉污染可能发生在多个环节，不恰当的表面消毒方法也可能通过残留的杀菌剂促进AMR的出现和传播。
主要食源性AMR微生物
在欧盟，欧洲食品安全局（EFSA）和欧洲疾病预防控制中心（ECDC）每年分析成员国报告的AMR数据。重点监测关键病原体（沙门氏菌、弯曲杆菌）和指示菌（大肠杆菌）。
肠杆菌目
肠杆菌目在食物链AMR传播中起关键作用。近年来，原本局限于医院环境的MDR肠杆菌目也开始在家庭食品相关环境中出现。物种如大肠杆菌、沙门氏菌和克雷伯菌不仅可作为耐药基因的储存库，还可将其转移给致病菌和共生菌。2021-2023年间，在肉鸡、育肥火鸡等样本中检测到产碳青霉烯酶（CP）的大肠杆菌菌株。一项针对家庭环境的研究发现，近一半的肠杆菌目分离株对至少一种抗菌药物耐药。另一项针对新鲜果蔬的研究显示，74%的分离株对至少一种抗生素耐药，16%为MDR。肠杆菌已知能够形成生物膜，这是种内和种间水平基因转移（HGT）的重要热点。
大肠杆菌
大肠杆菌常作为AMR的主要指示生物。在欧盟层面，监测的四种动物种群中，对头孢噻肟、头孢他啶、阿奇霉素和粘菌素的低水平耐药未见差异。在意大利，2022年报告了火鸡分离的一株大肠杆菌对美罗培南耐药。对碳青霉烯类的耐药在欧洲食用动物共生大肠杆菌中仍不常见。对环丙沙星和萘啶酸的耐药中位水平在仔猪和小牛中较低，但在肉鸡和火鸡中非常高。对氨苄西林、磺胺甲恶唑、甲氧苄啶和四环素的耐药在所有动物种群的指示大肠杆菌中普遍常见。
沙门氏菌
沙门氏菌是最常分离的食源性病原体之一。人类分离株对氨苄西林、磺胺类和四环素表现出高耐药性。2022年，鸡和火鸡分离株对氟喹诺酮类（环丙沙星）的总体耐药性非常高，分别为55.5%和57.9%。同年，人类沙门氏菌分离株对环丙沙星的总体耐药率为18.7%。而美罗培南耐药在2022年仍然罕见（<0.1%）。尽管对氟喹诺酮类和第三代头孢菌素的联合耐药在人和动物分离株中通常可忽略不计，但某些血清型出现例外，如来自肉鸡的肯塔基沙门氏菌和来自火鸡的婴儿沙门氏菌。虽然2022-2023年动物种群中未发现产碳青霉烯酶（CP）沙门氏菌，但人类临床病例中已识别。
克雷伯菌
克雷伯菌物种，特别是肺炎克雷伯菌，由于其在食物链中作为机会致病菌的能力和高AMR，对公共卫生构成日益增长的风险。研究发现，生食样本中肺炎克雷伯菌污染率为38%，其中生牛奶样本污染最多，其次是水果、肉类和蔬菜。在分离株中，43%产超广谱β-内酰胺酶（ESBL），24%产AmpC，20%产碳青霉烯酶。另一项研究分析了从奶酪和肉馅中分离的产酸克雷伯菌和肺炎克雷伯菌的耐药模式，大多数分离株在不同生长条件下表现出强生物膜形成能力。AMR在肺炎克雷伯菌中的传播在欧洲表现出明显的地理差异，东南欧国家的耐药率往往高于西北欧地区。销售点也可能影响食品被克雷伯菌污染的风险，街边摊贩的产品污染率高于当地市场和超市。
弯曲杆菌
2023年，AMR监测涵盖了24个成员国报告的人源空肠弯曲菌和结肠弯曲菌。在食用动物中，结肠弯曲菌分离株对环丙沙星的耐药率最高。2022年，家禽中的空肠弯曲菌分离株对环丙沙星表现出极高的耐药性。对环丙沙星和红霉素（两者均为抗弯曲菌病的关键重要抗菌药物）的联合耐药在空肠弯曲菌中（无论人还是动物）通常很少见至低水平。然而，对于结肠弯曲菌，该联合耐药在人类、肉鸡和育肥猪分离株中为低水平，在育肥火鸡中为中等水平，在1岁以下小牛中为高水平，构成潜在的公共卫生风险。总体上，完全敏感性（CS，即对环丙沙星、红霉素、四环素和庆大霉素敏感）在空肠弯曲菌中高于结肠弯曲菌。MDR在结肠弯曲菌中明显更高。
单核细胞增生李斯特菌
农业环境是单核细胞增生李斯特菌的重要储存库。在加工设施内，该病原体在设备上形成耐受性生物膜的能力确保了其持久存在。长期暴露于亚致死浓度的消毒剂和抗生素可选择出通常携带共定位毒力基因的多重耐药菌株。因此，消费受污染的即食（RTE）肉、奶制品和海鲜仍是人类李斯特菌病的主要原因。单核细胞增生李斯特菌对不同抗生素类别的频繁耐药对李斯特菌病的临床管理构成重大挑战。
耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）
根据流行病学特征，MRSA可分为三大类：社区相关（CA-）MRSA、医疗保健相关（HA-）MRSA和牲畜相关（LA-）MRSA。欧盟已通过实施决定引入对育肥猪的强制性MRSA监测。2022-2023年间，火鸡肉记录了最高的MRSA污染率。对于肉鸡，零售肉中流行率从1.1%（西班牙）到9.7%（荷兰）不等。在猪中，2023年斯洛伐克（15.4%）和奥地利（14.4%）报告了最高发生率。在牛中，荷兰报告加工厂中的流行率高于零售肉样本。
益生菌微生物作为ARGs携带者的潜在作用
联合国粮农组织（FAO）和WHO将益生菌定义为“当摄入足够数量时，能给宿主带来健康益处的活微生物”。然而，近年研究表明，不同的益生菌微生物可能含有ARGs。人类肠道是益生菌细菌基因垂直转移至共生菌和病原体的“热点”。益生菌细菌，如乳杆菌和双歧杆菌，可作为ARGs的储存库。对益生菌产品的鸟枪法宏基因组分析鉴定出70多种不同类型的ARGs。另一项研究发现，从商业产品分离的益生菌菌株对多种抗生素表现出高水平耐药。值得注意的是，移动遗传元件（MGEs）的存在增加了ARGs从一种物种传播到另一种物种的风险。大多数在益生菌中检测到的ARGs具有高水平转移的内在潜力。致病共生菌也能作为ARGs的储存库并通过水平基因转移促进其传播。
食源性细菌物种的AMR分子机制
主要的耐药模式基于药物与细胞结合/进入减少、药物外排增加、药物酶解增强、替代代谢途径激活、药物靶点的遗传修饰等。最近一篇综述强调，可从NCBI病原体检测数据库中检索到近150,000个从食物链分离的AMR食源性病原体基因组。沙门氏菌、弯曲杆菌、大肠杆菌和李斯特菌的基因组占大部分。例如，从肉/禽分离的沙门氏菌被发现携带与四环素、β-内酰胺类、喹诺酮类和磺胺类相关的多种耐药类别的ARGs。大肠杆菌和沙门氏菌中的AcrAB-TolC系统、弯曲杆菌中的CmeABC系统是典型的通过主动运输降低四环素、大环内酯类和氟喹诺酮类药物细胞内浓度的外排泵。药物酶解的典型例子是β-内酰胺酶。QRDR区域中gyrA和parC靶位点的修饰也存在于对氟喹诺酮类耐药的沙门氏菌和弯曲杆菌中。粘菌素耐药依赖于由mcr基因编码的磷酸乙醇胺转移酶对脂质A的修饰。这些特征可能是固有的、获得性的或适应性的。
固有耐药性
固有耐药性是指微生物对某些抗生素类别的天然抵抗能力。这种特性依赖于细菌已存在的染色体基因。固有耐药模型依赖于药物与细菌靶点之间缺乏亲和力、药物无法进入细菌细胞、染色体编码的外排泵排出药物以及存在药物降解酶。例如，大肠杆菌对万古霉素的固有耐药性源于其结构生理特性，如膜通透性降低和有效外排。弯曲杆菌物种对多种抗生素（如青霉素、头孢菌素和万古霉素）具有耐药性。支原体对靶向细胞壁的抗生素具有天然耐药性。
获得性耐药
获得性耐药本质上是一个进化过程，以前敏感的细菌通过获得染色体基因突变或获得外源遗传物质而对一种或多种抗菌药物产生耐药性。少数获得性耐药情况取决于细菌染色体的突变。第二种情况是通过水平基因转移（HGT）发生。移动遗传元件（MGEs）可携带耐药基因并在各种细菌菌株（包括共生菌和致病菌）之间转移这些基因。通过MGE，AMR很容易传播，甚至导致MDR特征。
水平基因转移
负责耐药特征的遗传物质可通过不同过程在细菌细胞间水平传递。转化、转导和接合是获得ARGs的基本传播途径。与AMR传播相关的MGE最常见的是质粒，也包括整合子、基因盒、转座子等。可转移耐药性早在几十年前就被发现。质粒可携带和转移多个耐药基因。ARGs传播可发生在种内或种间。转座子被称为“跳跃基因”。1类整合子常见于动物和食品来源的沙门氏菌和大肠杆菌中，通常与MDR相关。插入序列是DNA转座子的一个子集。转座子也可以通过噬菌体在细菌物种间传播。转化发生在游离遗传物质（通常来自死亡的细菌细胞）被其他感受态细菌摄取时。最近有研究报告了从养猪场、屠宰场到零售市场的整个猪肉生产链中的HGT。
适应性耐药
适应性耐药是对环境变化的表型适应，通常在暴露于亚抑制浓度的抗生素以及其他环境压力后产生。在大多数情况下，适应性耐药是暂时的，在诱导条件消除后会恢复。微环境的作用在生物膜中已得到表征，AMR因其特殊的生理状态而得到促进。食品加工环境（FPEs）中形成的细菌生物膜构成了促进AMR传播的微环境。此外，在FPEs中，消毒剂的使用和/或环境污染物的存在进一步促进了AMR的选择压力。
环境抗性组
抗性组被定义为与食品及相关环境中的微生物群落（包括致病菌和非致病菌）相关的完整ARGs集合。除了与传统食品相关的细菌物种，食品加工厂中的环境微生物也可作为AMR基因的携带者和传播者。抗性组表征对于理解AMR流行病学和传播至关重要。然而，尽管大多数研究集中于特定的病原体-耐药性关联，但食品生产系统中耐药细菌和ARGs的多样性仍未得到充分表征。最近一项调查强调，通过更好地理解不同部门FPE和最终食品产品中循环细菌的ARGs多样性，将有助于预防AMR在食物链中的传播。宏基因组学分析是提供食物链多个储存库中细菌群落组成和相关抗性组最佳表征的研究工具。然而，宏基因组分析也存在一些局限性，例如检测到沉默的ARGs。最近一项全面的研究分析了来自许多食品加工设施的大量原材料、最终产品和表面样品，结果表明，大多数已知的ARGs（>70%）每天在各种食品生产链中循环。同一研究获得了特定部门抗性组的证据，特别是在肉类和乳制品部门，并且最高的ARGs载量和多样性来自生产接触表面。因此，建议在国际协调系统中持续监测食品加工环境抗性组。
公共卫生影响及缓解与控制的综合策略
AMR和携带新耐药机制的MDR、泛耐药（PDR）和广泛耐药（XDR）病原体的出现，对人类和动物健康构成日益增长的全球威胁。AMR已被WHO定义为卫生系统的优先挑战之一。由AMR微生物引起的感染与标准治疗方案有效性显著降低相关，导致进展为严重疾病、治疗失败、并发症和死亡的风险增加。ECDC估计，仅在欧洲联盟，AMR每年导致33,000例死亡和约880,000例残疾病例。AMR已达到令人震惊的水平。在日益互联的全球背景下，AMR可在人类、动物、植物和环境之间迅速传播。多项研究强调了从食品/动物/环境分离的AMR微生物与人类分离株之间密切的遗传相关性和重叠的抗生素耐药谱，表明不同储存库之间存在可能的传播动态。因此，仅限于单一部门的战略不足以有效预防和控制AMR。为应对这一紧急情况，WHO在2015年推广了《抗菌素耐药性全球行动计划》。根据该计划，如此复杂的问题需要通过符合“同一健康”方法的协调多部门干预来解决。同一健康方法涉及汇集相关利益攸关方，共同制定、实施和监测旨在缓解AMR的计划、政策、立法和研究。世界卫生大会还敦促所有成员国在2017年前制定和实施国家行动计划。截至2023年11月，已有178个国家制定了AMR国家行动计划。其中，抗菌药物管理是需实施的各种行动的核心。需要加强促进明智和适当使用抗生素的努力。很大一部分抗菌药物用于动物生产，因此在兽医学中，有必要提高兽医对AMR问题的认识、培训和意识水平。
全球AMR应对中的差距与加强行动的必要性
尽管有WHO等国际机构推广的建议和全球战略，且许多国家实施了具体的AMR国家行动计划，但AMR仍是全球主要威胁之一。管理人类、动物和环境中的AMR面临的主要挑战和困难包括：AMR微生物和耐药基因的无处不在传播、全球化导致的快速跨境传播、这些微生物的高适应能力、现有诊断测试的局限性、监测系统的差距以及针对优先病原体的新的有效治疗方案的有限可用性。各种环境中抗生素的不当使用继续有利于耐药菌株的不断传播。同时，分散或不够及时的监测系统降低了早期发现新耐药模式和实施有效控制措施的能力。此外，如“同一健康”方法所设想的人类、兽医和环境部门之间的有效整合仍然有限。迄今为止，只有一小部分AMR研究资金（约6%）被用于采用真正多部门方法的项目。此外，对研发、预防和控制的投资仍然不足。需要采取进一步行动来加强应对AMR的战略，包括改进微生物学诊断（特别是通过实施快速和分子检测），以实现及时和有针对性的治疗，并减少不适当的经验性治疗的使用。同时，开发新的治疗策略至关重要。自2017年以来，已有13种针对细菌优先病原体的新抗生素获得监管批准。尽管如此，AMR仍在继续发展，出现了越来越复杂的耐药谱。鉴于动物生产中使用的抗生素数量巨大，兽医学和畜牧学中有效的抗菌药物管理干预措施是减少总体选择压力和打击AMR传播的关键杠杆。在此背景下，应优先加强良好养殖规范、减少集约化养殖、提高卫生标准、加强生物安全措施、优化动物福利以及实施抗菌药物管理计划。这些计划应基于核心原则。如果兽医具备高水平的知识、培训和意识，兽医学中的抗菌药物管理就可以成功实施。此外，加强和扩展对AMR微生物感染的监测系统也很重要，以指导选择和评估干预措施的影响。通过采用最新技术进步，如人工智能（AI）和机器学习，监测系统可以得到显著改善。基于AI的工具已成为能够分析来自临床记录、实验室数据、基因组测序和流行病学监测系统的大型数据集的强大技术。这些模型可以为重新利用现有药物、识别新的抗菌剂以及通过分析其分子结构设计联合疗法提供有价值的见解。此外，它们还能预测耐药模式、早期检测AMR暴发，并通过临床决策支持系统加强抗菌药物管理。最后，将AI与新一代测序（NGS）和宏基因组学方法相结合，可以改进抗菌素耐药基因的识别，并监测人类、动物和环境储存库中的抗性组。整合各部门的结果将提供关于AMR如何发展、传播和可被抗击的全面概述。最后，不应忽视的是，除了细菌耐药性，抗真菌耐药性也正在成为一个重要且常被低估的公共卫生威胁。环境暴露于农业用唑类和其他杀真菌剂已被确定为选择耐药菌株的关键驱动因素。抗真菌耐药病原真菌不仅在临床环境中被检测到，也在环境和食品基质中被发现，这凸显了农业实践、食品生产系统和人类健康之间的连续性。这强调了将抗真菌耐药性评估纳入现有AMR监测系统的重要性，以确保真正全面的“同一健康”应对。
结论
食物供应链中的抗菌素耐药性（AMR）代表着一个复杂且不断演变的公共卫生挑战，其驱动力主要是畜牧业中抗菌药物的广泛使用，同时也包括农业和水产养殖中的使用。食品及相关环境不仅是人类暴露的载体，也是AMR的活跃储存库和放大器。尽管监管有所进步且意识不断提高，但在知情使用抗菌药物、协调监测、诊断能力以及跨部门有效整合方面仍存在显著差距。应对食物供应链中的AMR，如同其他部门一样，需要协调和持续的“同一健康”行动，结合审慎使用抗生素、加强监测、改善卫生和生物安全实践，并投资于创新的诊断和治疗替代方案。
