高毒力肺炎克雷伯菌的致病机制研究进展
四综述四高毒力肺炎克雷伯菌的致病机制研究进展
王丽凤一沈定霞
100853北京,中国人民解放军总医院微生物科
通信作者:沈定霞,Email:shendx301@https://www.360docs.net/doc/c73009389.html,,电话:010-********
DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5101.2016.06.013
?摘要?一高毒力肺炎克雷伯菌(hypervirulent Klebsiella pneumoniae,hvKP)主要感染健康人群并
导致严重感染,包括肝脓肿二脑膜炎二坏死性筋膜炎二眼内炎和严重的肺炎等三研究发现hvKP的毒力
强于普通肺炎克雷伯菌,表现为产生较多的荚膜多糖二携带magA二rmpA和活性铁摄取系统等毒力因
子三hvKP在宿主体内存活能力和抗中性粒细胞吞噬能力较强,导致感染的扩散和转移三本文对
hvKP的毒力因子二hvKP的定植与感染以及机体对hvKP免疫力作一综述三
?关键词?一肺炎克雷伯菌;毒力;肝脓肿;免疫力
基金项目:国家自然科学基金(81472012)
Progress in pathogenic mechanism of hypervirulent Klebsiella pneumoniae一Wang Lifeng,Shen
Dingxia
Department of Microbiology,Chinese General Hospital of People?s Liberation Army,Beijing100853,China
Corresponding author:Shen Dingxia,Email:shendx301@https://www.360docs.net/doc/c73009389.html,
?Abstract?一Hypervirulent Klebsiella pneumoniae(hvKP)mainly infects healthy people and causes
serious infections,such as liver abscess,meningitis,necrotizing fasciitis,endophthalmitis and severe pneu-
monia.Studies have shown that hvKP is more virulent than classic Klebsiella pneumoniae characterized by ex-
pressing more capsular polysaccharide and carrying the virulence factors including magA,rmpA and iron ac-
quisition molecules.The greater survival and anti-phagocytosis abilities of hvKP strains contribute to the
spread and metastasis of hvKP infection.This review describes the virulence factors,colonization and infec-
tion of hvKP as well as the host immunity to hvKP.
?Key words?一Klebsiella pneumoniae;Virulent;Liver abscess;Immunity
Fund program:National Natural Science Foundation of China(81472012)
一一普通肺炎克雷伯菌(classic Klebsiella pneumoniae,cKP)是导致医院感染的常见病原菌,主要感染抵抗力较弱的人群三1986年我国台湾的学者报道了肺炎克雷伯菌导致的原发性侵袭性肝脓肿并伴有转移性眼内炎病例,引起临床医生和研究学者的关注三研究发现这种高侵袭性肺炎克雷伯菌的毒力显著强于cKP[1],将其命名为高毒力肺炎克雷伯菌(hyper-virulent Klebsiella pneumoniae,hvKP)三hvKP主要感染健康人群,导致社区获得性感染,包括肝脓肿二脑膜炎二坏死性筋膜炎二眼内炎和严重的肺炎,并可危及生命[2]三与cKP相比, hvKP所致感染的不同之处在于:(1)主要导致流动性二健康人群严重感染;(2)患者易于发生感染的远处转移和扩散,如眼内炎和脑膜炎;(3)肝脓肿患者通常无肝胆疾病病史[2]三近年来,我国hvKP感染病例报道逐年增加[3-4]三现对hvKP 的致病机制作一综述三
一二hvKP的毒力相关因素
1.荚膜多糖
肺炎克雷伯菌根据其荚膜多糖可分为78个血清型[5],至今报道的hvKP荚膜多糖血清型有K1二K2二K5二K16二K20二K54二K57和新的荚膜血清型KN1[6-8],其中K1和K2型最常见且毒力较强[9]三hvKP可产生大量荚膜多糖,使菌落常表现为高黏液表型三Siu等[2]研究认为引起肝脓肿的肺炎克雷伯菌几乎均来自K1和K2型三而吴华等[10]研究结果显示自肝脓肿患者分离的肺炎克雷伯菌53.9%为K1型,32.2%为K2型,87.5%表现为高黏液表型三大量荚膜多糖的存在使hvKP具有较强的抗中性粒细胞吞噬作用以及抵抗血清补体杀菌活性,从而促进炎症反应和感染播散[9,11]三中性粒细胞吞噬试验结果显示,hvKP无荚膜突变菌株的中性粒细胞吞噬率明显高于野生型hvKP[12]三Fung等[9]将系列稀释的细菌菌液注射至小鼠腹腔,观察并记录小鼠存活情况,计算半数致死量,结果显示K1型hvKP野生型菌株的半数致死量小于10CFU,而K1型hvKP的无荚膜突变株的半数致死量大于1?106CFU,证明了荚膜多糖的毒力作用三
2.毒力因子
(1)黏液相关基因A(mucoviscosity-associated gene A,
magA):magA基因与hvKP的荚膜合成有关,但magA基因仅存在于K1型菌株中,编码K1型特异性的聚合酶(wzy-K1)参与荚膜合成[13]三与无荚膜突变株类似,magA基因突变菌株使菌落失去高黏液表型三研究还发现与magA位于同一基因簇上的wcaG二rfbP等基因缺失,使菌落失去高黏液表型且菌株毒力下降[14]三在K1型肺炎克雷伯菌引起的感染中magA是重要的毒力因子[15],增强细菌致病性三(2)黏液表型调控基因A(regulator of mucoid phenotype gene A,rmpA):rmpA基因包括染色体或质粒编码的rmpA1基因和质粒编码的rmpA2基因,共同辅助荚膜合成三已经证实rmpA是调控荚膜多糖合成的基因[16],Yu等[17]认为致肝脓肿和其他部位脓肿的肺炎克雷伯菌株均为rmpA阳性,有研究者构建了rmpA基因缺陷菌株,该菌株的荚膜多糖合成减少,使菌落失去高黏液性并使荚膜分型的抗血清反应呈弱阳性三在小鼠腹膜炎模型中,野生型菌株的半数致死量为1?104CFU,rmpA基因缺陷菌株的半数致死量增加至5?105 CFU,该缺陷菌株的毒力显著降低[18]三但也有研究者认为rmpA基因不是导致肝脓肿的独立因素[19],Shen等[4]在研究来自101名肝脓肿患者的肺炎克雷伯菌株时发现rmpA基因阳性率为81%,提示其他毒力相关因子在肝脓肿中也起一定作用三
3.活性铁摄取系统
铁离子促进细菌的生长和繁殖,细菌通过铁载体来获取铁离子三铁载体是微生物在低铁条件下合成的一类低分子量化合物,研究发现肺炎克雷伯菌分泌气杆菌素二肠杆菌素二耶尔森杆菌素二沙门菌素等铁载体[20]三气杆菌素是肺炎克雷伯菌分泌的最重要的铁载体,也是其重要的毒力因子,可使肺炎克雷伯菌毒力增强100倍[21]三与cKP相比,hvKP分泌的铁载体更多且获取铁离子的能力更强[22],是hvKP保持毒力的必备条件之一三由于调控荚膜多糖生物合成的rmpA 基因和一些编码铁载体的基因位于同一质粒中,hvKP菌株含有这个毒力质粒,因此hvKP常表现为高黏液型菌落,同时又伴有气杆菌素的产生,协同增加细菌毒力[23],而cKP菌株一般不含该质粒[21,24-25],表现为非黏液型菌落三
二二hvKP的定植与感染
1.hvKP定植
研究显示胃肠道是hvKP定植的主要部位,口咽和皮肤也发现有hvKP定植,从肝脓肿和健康携带者肠道分离的肺炎克雷伯菌株具有相同的脉冲凝胶电泳条带二相同的毒力相关基因和相似的半数致死量,证实健康成人肠道中存在高毒力菌株定植三Fung等[26]研究显示43名肝脓肿患者中,35名患者的肠道存在hvKP定植,14名患者的鼻拭子和唾液中存在hvKP定植,评估的17例病例中,从患者肝脏穿刺液中分离到的hvKP与同一患者粪便或唾液样本中分离到的hvKP 脉冲凝胶电泳结果显示相同或非常相近三多位点序列分型发现ST23型与导致肝脓肿的K1型hvKP密切相关,Siu 等[27]研究指出肝脓肿分离的K1型hvKP主要为ST23序列型,并且ST23序列型也是非感染者粪便中分离的hvKP的主要序列型,这些研究提示hvKP肠道定植是感染的重要来源三2.hvKP感染
hvKP所致感染包括腹部疾病(社区获得性肝脓肿二脾脓肿二自发性细菌性腹膜炎)二胸部疾病(肺炎二脓胸)二眼内炎二中枢神经系统疾病(脑膜炎)二骨骼肌与软组织感染二尿道感染二混合感染二菌血症,其中最常见的是社区获得性肝脓肿三已知cKP和其他肠杆菌科进入感染部位的途径包括:从会阴部逆行进入膀胱,破坏肠壁使胃肠道定植菌进入腹腔,口咽定植菌进入呼吸道,皮肤屏障的破坏等三hvKP进入感染部位的机制尚未阐明三在肝脓肿患者中,hvKP入侵途径主要经肠黏膜入侵,当细菌经肠道上皮易位进入腹腔,在肝脏中繁殖就会导致肝脓肿,hvKP感染的小鼠模型已经证实hvKP 可以穿过肠黏膜屏障导致肝脓肿[28]三此外,吞噬了hvKP的中性粒细胞通过血液循环可将其内的hvKP带至机体的多个部位,导致皮下组织二肺二肝等形成脓肿[11]三
三二机体对hvKP的免疫力
1.宿主易感性
流行病学资料表明,hvKP在亚洲人群中高发,这提示可能存在宿主基因易感性的差异或不同地域病原体暴露水平不同三已知高血糖抑制中性粒细胞的黏附二趋化二吞噬和杀菌等功能,从而增加感染风险[29-30],研究表明糖尿病是hvKP 肝脓肿的主要危险因素,糖尿病患者易并发眼内炎且视功能较差[31],严格控制血糖水平可阻止hvKP导致的转移性并发症的发生[32]三此外,恶性肿瘤二肾脏疾病和肺炎也为hvKP 感染的易感因素[2]三
2.hvKP在宿主体内的生长和存活能力
上述毒力相关因素使hvKP得以在宿主体内生长存活并突破机体的防御机制导致各种感染三Pomakova等[33]将1%巴豆油注射至大鼠皮下,6~8d后注射局部形成皮下脓肿,随后将从肝脓肿患者血液和脓肿液中分离的hvKP菌株和从普通住院患者血液中分离的cKP菌株分别注射至大鼠皮下脓肿部位,注射后的不同时间点测定脓肿液中的细菌浓度,结果显示hvKP菌株在脓肿液中的生长存活能力明显强于cKP菌株三另有研究发现静脉内注射hvKP菌株的小鼠死亡率高于同样经静脉注射cKP菌株的小鼠死亡率[23]三提示hvKP菌株在脓肿液和血液中的生长存活能力强于cKP,可引起正常机体发生严重感染三
3.中性粒细胞与hvKP相互作用
(1)中性粒细胞的吞噬与hvKP的抗吞噬作用:中性粒细胞是机体抗击病原微生物最重要的固有免疫细胞三病原体入侵机体后,中性粒细胞聚集至感染部位,一方面分泌颗粒抗菌蛋白发挥胞外杀菌作用,另一方面包裹并吞噬病原体,通过抗菌蛋白和活性氧物质发挥胞内杀菌作用三hvKP 菌体表面的厚荚膜,可抵抗吞噬细胞的吞噬作用,是hvKP的重要毒力机制之一三Lin等[12]研究证实肝脓肿患者中分离的K1/K2型肺炎克雷伯菌抗中性粒细胞吞噬作用明显强于非K1/K2型细菌三Chiu等[34]检测了中性粒细胞与细菌作用不同时间(2二5二10二30二60min)后中性粒细胞吞噬率,结果显
示不同年龄组来源的中性粒细胞吞噬K1/K2型肺炎克雷伯菌的能力不同,大于65岁老年组来源的中性粒细胞吞噬率最低,小于40岁的青年组中性粒细胞吞噬率最高,40~60岁中年组的吞噬率居二者之间,中性粒细胞吞噬率随年龄增加而下降的趋势在中性粒细胞与细菌作用10min时就很明显,并持续至60min,这个实验解释了hvKP所致感染在中老年人中发病率较高的原因三
(2)中性粒细胞胞外诱捕网:2004年Brinkmann等[35]首次报道了一种新的中性粒细胞胞外杀菌途径即中性粒细胞胞外诱捕网(neutrophil extraeelhdar traps,NETs)三NETs的主要组成成分包括DNA二组蛋白二抗菌肽以及各种酶,如弹性蛋白酶二组织蛋白酶G二髓过氧化物酶等三目前研究显示NETs 的形成及其杀菌作用不具有特异性,多种细菌二真菌二病毒和寄生虫等病原体可刺激NETs形成,例如金黄色葡萄球菌二福氏志贺菌二白念珠菌二HIV-1和刚地弓形虫等[36]三研究表明NETs主要通过以下过程限制病原体播散并发挥杀菌作用:①NETs纤维网状结构将病原体限制于感染局部,降低了全身播散的风险;②NETs含有大量的抗菌蛋白,包括弹性蛋白酶,组织蛋白酶G和过氧化物酶等,提高局部抗菌蛋白浓度,发挥杀菌作用[35]三研究已经证实hvKP具有抗中性粒细胞吞噬作用,但hvKP是否可以刺激中性粒细胞产生NETs以及NETs在hvKP感染中的作用尚未见报道三
4.血清对hvKP的杀菌作用
血清中的补体是阻止细菌繁殖和播散的重要成分,通过溶菌和调理吞噬发挥抗菌作用三Lin等[11]研究发现高浓度血清不能抑制K1型细菌的生长,能抑制非K1型肺炎克雷伯菌的生长,表明K1型肺炎克雷伯菌抵抗血清杀菌的能力明显强于非K1型细菌,未被血清杀灭的细菌可通过血流播散导致感染,这也是hvKP易于发生远处扩散和转移的原因三
四、小结
至今多个国家和地区报道了hvKP引起的感染性疾病并进行了相关研究三已经发现荚膜多糖二magA二rmpA和活性铁摄取系统是hvKP主要毒力因素,但hvKP的很多致病机制尚未完全阐明,如hvKP的感染途径二易于发生感染播散的机制二hvKP与机体免疫系统之间相互作用等,深入研究hvKP 的致病机制对于正确理解hvKP所致感染,降低hvKP的危害具有重要意义三
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(收稿日期:2016-03-08)