肠杆菌科细菌对碳青霉烯类抗菌药物耐药的机制主要有四种：①碳青霉烯酶的产生；②外膜蛋白（outer member protein）的缺失或数量的减少，亲和力降低；③药物作用靶位的改变，主要是青霉素结合蛋白PBPs的改变；④外排泵的高表达。

碳青霉烯酶能水解几乎所有β-内酰胺类抗菌药物（包括碳青霉烯类），是碳青霉烯类耐药的主要机制。现已发现的碳青霉烯酶主要属于Ambler分子分类中的A、B、D类。A、D类为丝氨酸酶，B类为金属β-内酰胺酶（MBLs）。碳青霉烯酶可由染色体和质粒编码，通过质粒或转座子在不同菌种间传播。在肠杆菌科细菌中，主要是A类酶和B类酶。

属于Bush分类2f组，为丝氨酸碳青霉烯酶，包括IMI/NMC、SME、GES和KPC，可水解多种β-内酰胺类药物，包括碳青霉烯类、头孢菌素类、青霉素类药物和氨曲南，可导致细菌对碳青霉烯类抗菌药物的敏感性从降低到完全耐药。

这三组酶由染色体编码并水解广泛的底物，包括青霉素类、部分头孢菌素类、氨曲南和碳青霉烯类药物。 bla _SME基因位于染色体前噬菌体的基因岛内。SME-1与SHV和TEM超广谱酶同源性为40%，SME-1具有NMC-A特定位点的氨基酸如105位的组氨酸，238、239位的半胱氨酸，207位的酪氨酸。SME-2、SME-3是由SME-1点突变而来，生化特性与酶动力参数均相似于SME-1。SME的调控蛋白为Sme-R，其调控类似NMC-A、AmpC。

IMI碳青霉烯酶较少见，迄今仅报告了6种变体（IMI-1至IMI-6），大多数存在于肠杆菌科细菌特别是大肠埃希菌中。IMI生化特性和酶动力参数类似于NMC-A，但IMI易被他唑巴坦所抑制，水解头孢噻肟和头孢他啶能力较弱，也能被头孢菌素和碳青霉烯类抗菌药物所诱导，其正向调控蛋白ImiR与NmcR相似，同源性95%，属于Lys-R型家族调控蛋白。 bla _IMI基因的表达受LysR家族的 bla _IMI-R基因编码的转录调节子调节。上游和下游的复合体分别编码了IS2-like元件和转座酶基因，其可能参与了IMI的移动。

NMC-A与IMI-1、IMI-2有8个氨基酸不同。NMC-A的产生可被头孢菌素和碳青霉烯类抗菌药物所诱导，正性调节蛋白NmcR也属于LysR家族，编码序列位于开放阅读框的上游，其调控蛋白类似于AmpR。

GES酶最初被认为是超广谱β-内酰胺酶（ESBLs）的一种。目前报道的24种GES变体中，只有GES-2、GES-4、GES-5、GES-6、GES-11、GES-14和GES-18属碳青霉烯酶。GES-4、GES-5、GES-6来自肺炎克雷伯菌，有报道GES-5产自肺炎克雷伯菌、大肠埃希菌和阴沟肠杆菌。GES-4、GES-5、GES-6在170位点由天冬酰胺或丝氨酸替代，它们与亚胺培南的水解有关。 bla _GES基因通常编码在可转移质粒的Ⅰ类基因盒整合子上；然而，染色体编码的 bla _GES基因也发现于肠杆菌科细菌中。

KPC已确定了22种变体（KPC-1～KPC-22），最常见的是KPC-2和KPC-3（两者仅有一个氨基酸不同），我国主要为KPC-2。KPC主要存在于肺炎克雷伯菌中，大肠埃希菌、弗劳地枸橼酸杆菌、黏质沙雷菌、肠杆菌属和假单胞菌属也有报道。产KPC的肠杆菌科细菌对青霉素类和头孢菌素类高水平耐药，但对碳青霉烯类抗菌药物可低水平或中水平耐药。克拉维酸和相关的酶抑制剂对KPC的体外抑制作用低于其他A类酶。产KPC的肠杆菌科细菌常常也表达其他质粒介导的β-内酰胺酶。 bla _KPC基因通常嵌入转座子Tn 4401（一种基于Tn 3的转座子），能够高频率移动碳青霉烯酶编码基因。含有 bla _KPC的转座子位于可转移的质粒上，包括属于IncFII _K、IncA/C、IncN、IncI2、IncX、IncR和ColE不相容组的质粒。编码 bla _KPC的质粒通常还携带其他耐药基因，如喹诺酮类、氨基糖苷类、四环素类、甲氧苄啶磺胺类耐药基因，因此，这种产KPC的肺炎克雷伯菌常表现为多耐药甚至广泛耐药。

B类碳青霉烯酶，又称金属β-内酰胺酶（metallo-βlactamases，MBLs），属于Bush分类3组，水解除氨曲南外的所有β-内酰胺类抗菌药物，其活性位点Zn ²⁺能被EDTA所抑制，但不能被克拉维酸、舒巴坦、他唑巴坦抑制，编码基因位于有转移能力的整合元件上。此类酶基于水解底物和蛋白结构的不同分为B1、B2和B3亚类。B1和B3亚类水解广泛的β-内酰胺类，包括青霉素类、头孢菌素类和碳青霉烯类；B2亚类只水解碳青霉烯类抗菌药物。B1亚类包括IMP、VIM、NDM和SIM家族。B1亚类携带两个Zn ²⁺，紧密型和松散型互相配合；而B3亚类的两个Zn ²⁺具有相似的亲和力；B2亚类只需要一个Zn ²⁺就可达到最大的酶活性，另一个锌离子的同时结合反而导致酶活性的降低。

VIM型碳青霉烯酶目前已报道43型。这种类型的酶已经成为世界上最流行的质粒介导的MBLs。VIM主要由铜绿假单胞菌产生，其次是大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌，阴沟肠杆菌较少。 bla _VIM主要嵌入在转座子的Ⅰ类整合子基因盒中，整合结构有100多种不同的排列，包括编码氨基糖苷类、氯霉素和磺酰胺类的抗性基因。最初发现 bla _VIM整合子位于IncN质粒型，然而，最近也发现它们也可位于大的不兼容的可转移质粒上，如IncA/C、IncR、IncHI2、IncI1和IncW，也可被整合到细菌染色体。携带 bla _VIM的大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌主要是多克隆传播。

NDM：NDM主要存在于肠杆菌科细菌特别是大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌中，在不动杆菌属也有报道。NDM能够水解青霉素类、碳青霉烯类和头孢菌素类药物。携带NDM的细菌常表现为多耐药或泛耐药。目前，已报道了17型NDM（NDM-1～NDM-17）。在肠杆菌科细菌中， bla _NDM主要由不同大小的质粒携带，包括IncL/M、IncA/C、IncX、IncF和IncHI1。这些质粒可在不同肠杆菌科细菌间传播。菌株携带质粒编码的 bla _NDM和其他β-内酰胺酶基因，如编码OXA酶（OXA-1、OXA-10）、质粒介导的AmpCs（CMY型，DHA型）、ESBLs（CTX-M型、SHV型）、其他碳青霉烯酶（VIM型、OXA-48）以及其他非β-内酰胺类（氨基糖苷类、大环内酯类、喹诺酮类）耐药基因，这些元件编码在相同或不同的质粒上。肠杆菌科细菌的 bla _NDM周围遗传结构主要由上游的IS Aba125插入序列与下游的 ble _MBL（博来霉素抗性编码基因）共同构成完整的或截短的结构。 bla _NDM和 ble _MBL由位于IS Aba125 3′端的启动子控制下共同表达。 bla _NDM基因的起源仍未清楚，目前假定它最初被整合到存在于环境物种中的鲍曼不动杆菌，然后转座到肠杆菌科细菌的可复制的质粒上。

IMP现已有48种变体被证实。已报道的IMP型β-内酰胺酶主要存在于铜绿假单胞菌、不动杆菌属、大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、产酸克雷伯菌、阴沟肠杆菌和枸橼酸杆菌属。与 bla _VIM一样， bla _IMP作为基因盒也被整合在携带多种抗性基因的Ⅰ类整合子和Ⅲ类整合子上。这些整合子通常位于可水平转移的转座子和接合质粒上。携带 bla _IMP的质粒属于不同的不相容组，包括IncL/M、IncN和IncHI2。染色体编码的 bla _IMP基因主要在非发酵菌中，但并不常见。

属于Bush分类2d组，包括一些苯唑西林酶（OXA），在质粒和染色体均可编码，和其他碳青霉烯酶相比对碳青霉烯类药物的水解力较低。产OXA的碳青霉烯耐药菌株通常还有其他耐药机制（膜孔蛋白的缺失）。与A类碳青霉烯酶和C类β-内酰胺酶相反，D类酶导致高水平的替莫西林（temocillin）耐药。有关OXA酶的分型请参见本章第三部分及本书第十三章相关内容。

经典的外膜孔蛋白为大肠埃希菌三聚体的孔道蛋白OmpF、OmpC和PhoE。OmpF和OmpC更偏向于微小的阳离子通过，而PhoE更偏向于阴离子通过，OmpF允许通过的溶质分子比OmpC略大。在肠杆菌科细菌中许多药物如β-内酰胺类、四环素类、氯霉素、喹诺酮类主要通过高通透性的孔蛋白通道进入。最早报道的孔蛋白缺失的菌株是黏质沙雷菌，由于 ompF基因突变，从而使OmpF丢失，引起对氨基糖苷类和β-内酰胺类抗菌药物耐药。当广谱的头孢菌素如头孢噻肟被用于临床后，发现在阴沟肠杆菌中有AmpC酶的产量升高同时伴有孔蛋白表达的降低，从而大大提高了耐药性。

肠杆菌科细菌外膜蛋白的缺失或数量的减少，伴有质粒或染色体介导的AmpC酶的高水平表达，是细菌对碳青霉烯类抗菌药物耐药的机制之一，主要见于肺炎克雷伯菌、产气肠杆菌、阴沟肠杆菌中。而这些高水平表达的酶可以是AmpC酶、ESBLs，也可以是碳青霉烯酶。缺失或数量减少的孔蛋白主要是OmpC、OmpF、OmpK35、OmpK36、OmpK37蛋白，且通常是在碳青霉烯类抗菌药物的选择压力下造成的。

细菌外排泵可将细胞内的抗菌药物主动泵出，使细胞内抗菌药物浓度下降，从而产生耐药。研究表明，肠杆科细菌中外排泵AcrAB-TolC高表达同时伴OmpK35和OmpK36孔蛋白的缺失与碳青霉烯类耐药相关。

碳青霉烯类抗菌药物能与革兰氏阴性菌的PBPs结合，导致细菌细胞壁缺失和溶解。如PBP发生改变致抗菌药物不能结合或亲和力下降，则产生耐药。在肠杆菌科中，通过此途径造成对亚胺培南等耐药的较少见。目前只发现在产气肠杆菌和奇异变形杆菌中由于PBP2a的改变造成亲和力下降，以致对碳青霉烯类抗菌药物耐药。