引起肝膿腫的肺炎克雷伯菌毒力因子研究進(jìn)展

管紅艷，劉 瑛

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院檢驗(yàn)科，上海 200092）

肺炎克雷伯菌是常見的條件致病菌，當(dāng)機(jī)體免疫力下降或長(zhǎng)期使用抗菌藥物導(dǎo)致菌群失調(diào)時(shí)，該菌可以引起嚴(yán)重感染，如膿毒血癥、肺炎、尿路感染以及軟組織炎等[1]。自1986年第1例肺炎克雷伯菌引起的肝膿腫（Klebsiella pneumoniae liver abscess，KLA）被報(bào)道以來，肺炎克雷伯菌逐漸成為亞洲地區(qū)社區(qū)獲得性肝膿腫的主要病原菌[2-3]。近年來，中國(guó)、北美和歐洲地區(qū)相繼出現(xiàn)關(guān)于KLA的報(bào)道[4-6]。KLA的常見特點(diǎn)有轉(zhuǎn)移性感染多見（9.5%～20.0%）、致死率高（6.0%～11.3%）以及常合并糖尿?。?6.8%～75.0%）[7]。引起肝膿腫的肺炎克雷伯菌多為高毒力肺炎克雷伯菌（hypervirulent Klebsiella pneumoniae，hvKP），hvKP培養(yǎng)后常表現(xiàn)為高黏液性菌落（拉絲試驗(yàn)＞5 mm），因此又被稱為高黏液性肺炎克雷伯菌[8]。hvKP易通過血流造成轉(zhuǎn)移性感染（如中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染及眼內(nèi)炎），已被視為全球性的公共健康問題[9]。肺炎克雷伯菌的致病力與其莢膜多糖、脂多糖、鐵攝取系統(tǒng)和菌毛等毒力因子關(guān)系密切，本文對(duì)KLA的主要毒力因子作一綜述。

1 莢膜多糖及其調(diào)控基因

1.1 莢膜多糖

莢膜多糖是肺炎克雷伯菌最重要的毒力因子，可使細(xì)菌呈現(xiàn)黏液性狀表型，并具有抗吞噬、抗血清殺菌（補(bǔ)體系統(tǒng)）的能力，與該菌在宿主體內(nèi)移居、黏附和生長(zhǎng)增殖有關(guān)[10]。hvKP可產(chǎn)生大量莢膜多糖，被中性粒細(xì)胞吞噬后，不僅能夠避免中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的殺菌作用，還可以借助中性粒細(xì)胞轉(zhuǎn)移到眼、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等部位，這可能與hvKP易導(dǎo)致KLA合并轉(zhuǎn)移性感染有關(guān)[8]。根據(jù)莢膜多糖（K抗原）分型，可將肺炎克雷伯菌分為77個(gè)K血清型[11]。LIN等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，K1和K2型菌株抵抗中性粒細(xì)胞的吞噬殺菌作用較其他血清型更強(qiáng)，形成肝膿腫的傾向更大。肺炎克雷伯菌對(duì)抗補(bǔ)體系統(tǒng)介導(dǎo)的殺菌作用因血清型而異，K2型莢膜可保護(hù)肺炎克雷伯菌逃避血清的殺菌作用，而K1型莢膜則沒有這種保護(hù)作用[11]。FUNG等[13]將分離自患肝膿腫小鼠的肺炎克雷伯菌，制成系列濃度梯度的菌液，注入小鼠體內(nèi)，用半數(shù)致死量（LD50）評(píng)估菌株毒力，結(jié)果顯示K1型野生型菌株LD50（＜10 CFU）遠(yuǎn)小于不產(chǎn)莢膜的K1型突變株LD50（＞1×106CFU），從而證實(shí)了莢膜多糖的毒力作用。

1.2 莢膜多糖調(diào)控基因

有研究結(jié)果顯示，在引起肝膿腫的hvKP中，黏液表型調(diào)節(jié)基因A（regulator of mucoid phenotype A，rmpA）和黏液相關(guān)基因A（mucoviscosity-associated gene A，magA）是參與調(diào)控莢膜多糖合成的重要毒力基因[9]。

1.2.1 rmpA基因

rmpA基因通常被認(rèn)為是促進(jìn)莢膜多糖合成的調(diào)控因子，其編碼的rmpA蛋白能夠激活莢膜多糖表達(dá)，使莢膜多糖的產(chǎn)量增加，賦予莢膜高黏液表型[14]。rmpA2基因和rmpA基因均為莢膜多糖合成調(diào)節(jié)基因，兩者同源性達(dá)71.4%，共同參與黏液性狀的調(diào)控[15]。HSU等[16]發(fā)現(xiàn)KLA患者K1型分離株NTUH-2044攜帶3種rmpA/A2基因：大質(zhì)粒攜帶基因（p-rmpA、p-rmpA2）和染色體攜帶基因（c-rmpA）。p-rmpA能夠促進(jìn)莢膜多糖合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄及黏液表型的表達(dá)，p-rmpA2作用與p-rmpA相反，而c-rmpA與p-rmpA雖有92%的DNA序列相同，但可能是由于編碼區(qū)的DNA序列不同，導(dǎo)致c-rmpA不能促進(jìn)莢膜多糖的合成。這表明，并非所有的rmpA/A2基因均為莢膜合成的正性調(diào)控因子。YU等[17]首次揭示了高黏液表型、rmpA基因與肝膿腫之間的臨床相關(guān)性，如果分離自臨床患者的肺炎克雷伯菌菌株表現(xiàn)為高黏液表型（拉絲試驗(yàn)＞5 mm），或檢測(cè)出菌株攜帶rmpA基因，則應(yīng)警惕該患者是否有肝膿腫。但有研究發(fā)現(xiàn)，超過40%的非致肝膿腫肺炎克雷伯菌臨床分離株也攜帶rmpA基因[18]，說明在導(dǎo)致肝膿腫的過程中，rmpA基因有可能是和其他因子共同發(fā)揮調(diào)控作用。有文獻(xiàn)報(bào)道，rmpA基因和TerW（亞碲酸鹽抗性因子）、SilS（銀抗性因子）及IutA（需氧素-鐵離子復(fù)合體受體）等毒力因子的編碼基因共同存在于大小為180～220 kb的毒力質(zhì)粒pLVPK上[19]。TANG等[18]認(rèn)為，TerW-IutA-RmpA-SilS可以作為獨(dú)立致病因子參與肺炎克雷伯菌致肝膿腫過程，而大多數(shù)低毒力肺炎克雷伯菌不存在pLVPK質(zhì)粒，因此，獲取這種毒力質(zhì)粒有可能是肺炎克雷伯菌毒力增強(qiáng)的重要原因。

1.2.2 magA基因

FANG等[20]在2002年研究引起肝膿腫的肺炎克雷伯菌時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)magA編碼一種含408個(gè)氨基酸的蛋白，這種蛋白可以促使菌體呈現(xiàn)高黏液表型，并參與莢膜多糖的產(chǎn)生。但后來的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，magA基因僅存在于K1型菌株，編碼產(chǎn)物為K-抗原聚合酶，即K1型肺炎克雷伯菌莢膜多聚酶[21]。K-抗原聚合酶可促進(jìn)莢膜多糖的合成及細(xì)菌表面保護(hù)性多糖黏附網(wǎng)絡(luò)的形成，從而使肺炎克雷伯菌能夠抵抗補(bǔ)體系統(tǒng)介導(dǎo)的殺菌作用，并隨血流轉(zhuǎn)移至肝臟及其他組織，導(dǎo)致原發(fā)性肝膿腫及轉(zhuǎn)移性膿毒性并發(fā)癥[21]。HSIEH等[22]研究證實(shí)，分離自KLA患者的K1型肺炎克雷伯菌magA基因發(fā)生突變后，莢膜多糖合成減少，菌株毒力顯著降低。magA基因是KLA的致病機(jī)制中極為重要的毒力基因，除肝膿腫外，它幾乎不存在于引起其他疾病的肺炎克雷伯菌中[17]。

2 脂多糖

脂多糖是細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分，對(duì)菌株的保護(hù)作用類似莢膜，可以引發(fā)宿主產(chǎn)生感染性休克[10]。脂多糖由3個(gè)結(jié)構(gòu)域組成：脂質(zhì)A、核心寡糖和O抗原。O抗原是脂多糖最外層的成分，由寡糖重復(fù)單元多聚物構(gòu)成，能保護(hù)細(xì)菌免受血清補(bǔ)體系統(tǒng)介導(dǎo)的殺菌作用，但與避免中性粒細(xì)胞的吞噬作用無關(guān)。目前已發(fā)現(xiàn)9種O抗原類型，分別為O1、O2a、O2ac、O3、O4、O5、O8、O9及O12[23]。其中，O1抗原是分離自肝膿腫患者的肺炎克雷伯菌中最常見的抗原類型。YEH等[11]研究證實(shí)，在具有相同O1抗原的K1型和K2型肺炎克雷伯菌中，前者O1抗原可通過抵抗肝細(xì)胞的清除作用，促進(jìn)肝膿腫的形成，后者的O1抗原則與這種抵抗作用無關(guān)。因此，K2型肺炎克雷伯菌的O1抗原不能通過抵抗肝細(xì)胞的清除作用而參與肝膿腫的形成。

3 鐵攝取能力

鐵在肺炎克雷伯菌的生長(zhǎng)繁殖過程中發(fā)揮重要作用，主要是作為蛋白質(zhì)的氧化還原催化劑，并參與菌體內(nèi)氧和電子的轉(zhuǎn)運(yùn)。鐵載體是細(xì)菌分泌的細(xì)胞外高親和力鐵離子螯合劑，可攝取由宿主鐵結(jié)合蛋白（主要是鐵蛋白及轉(zhuǎn)鐵蛋白） 釋放的Fe3+，隨后與細(xì)胞膜上的鐵載體受體結(jié)合，介導(dǎo)Fe3+進(jìn)入菌體[24]，使細(xì)胞內(nèi)Fe3+富集，從而促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)及繁殖，導(dǎo)致細(xì)菌在宿主體內(nèi)擴(kuò)散或加重感染。由于宿主體內(nèi)的鐵離子大多以螯合形式存在，本身存在的游離Fe3+極少，且不能被肺炎克雷伯菌直接利用，所以菌體需要通過分泌鐵載體以克服游離Fe3+不足的限制。與致肝膿腫肺炎克雷伯菌攝取鐵能力相關(guān)的鐵載體主要有耶爾森菌素（yersiniabactin，Ybt）、氣桿菌素（aerobactin，Aer）、沙門菌素，與介導(dǎo)鐵離子進(jìn)入菌體的相關(guān)基因有tonB基因、kfu基因等。

3.1 鐵載體

3.1.1 Ybt Ybt屬于混合型鐵載體蛋白，編碼基因位于高毒力基因島（high-pathogenicity island，HPI）。同樣位于HPI的fyuA基因，編碼相對(duì)分子質(zhì)量為71 000的fyuA蛋白，即Fe3+-Ybt受體，介導(dǎo)Ybt攜帶的鐵離子進(jìn)入菌體[25]。在缺鐵的條件下，fyuA蛋白產(chǎn)量增加，不僅能夠促進(jìn)更多Fe3+進(jìn)入菌體，利于菌株的繁殖，還可以促進(jìn)細(xì)菌生物被膜的形成，增強(qiáng)細(xì)菌毒力[26]。HSIEH等[22]發(fā)現(xiàn)，與cKP相比，編碼Ybt及其受體的基因簇在hvKP中分布更為普遍，并且在分離自KLA患者的肺炎克雷伯菌中，HPI相關(guān)基因的表達(dá)明顯升高。

3.1.2 Aer Aer是一種異羥肟鹽類的鐵載體，可以競(jìng)爭(zhēng)組織和血液中的Fe3+，其表達(dá)不受溫度調(diào)節(jié)。Aer受體由基因簇iucABCD-iutA編碼，常與rmpA共同位于毒力質(zhì)粒pLVPK[19]。HSIEH等[22]發(fā)現(xiàn)，在分離自KLA患者的菌株內(nèi)，iucABCD-iutA的表達(dá)明顯升高。有研究發(fā)現(xiàn)肺炎克雷伯菌自身并不產(chǎn)生Aer，但可表達(dá)Aer的受體，奪取其他菌分泌的Aer，從而為自身獲得游離鐵[27]。而NASSIF等[28]認(rèn)為，3%～6%的肺炎克雷伯菌可以產(chǎn)生Aer。Aer可以使肺炎克雷伯菌的毒力增強(qiáng)100倍，是hvKP最重要的鐵載體，也是其重要的毒力因子。盡管目前hvKP中Aer含量增加的機(jī)制仍不清楚，但已經(jīng)明確的是，在鐵缺乏的條件下，Aer是hvKP鐵載體總含量增加的主要原因[29]。

3.1.3 沙門菌素 沙門菌素是一種鄰苯二酚鹽型鐵載體蛋白，具有較高的鐵親和力。在肺炎克雷伯菌感染機(jī)體的過程中，沙門菌素可以發(fā)揮其抗氧化作用，催化羥基自由基的生成，增強(qiáng)菌株的毒力，從而加重對(duì)宿主組織的損傷[30]。沙門菌素及其受體IroN均由基因簇iroA（iroBCDN）編碼合成，有研究發(fā)現(xiàn)iroA（iroBCDN）與iucABCD-iutA共同位于1個(gè)大小約200 kb的毒力質(zhì)粒，獲得該質(zhì)粒的肺炎克雷伯菌表現(xiàn)為高毒力并具有高黏液表型，更易引起肝膿腫伴嚴(yán)重的轉(zhuǎn)移性感染[31]。

3.2 介導(dǎo)鐵離子進(jìn)入菌體的相關(guān)基因

3.2.1 tonB基因 tonB基因編碼蛋白的N-末端疏水序列固定于菌體細(xì)胞膜，鐵載體受體與該段疏水序列緊密連接，沙門菌素及Aer攜帶的游離鐵，均需要依賴tonB編碼蛋白進(jìn)入菌體[32]。HSIEH等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，分離自KLA的NTUH-2044菌株tonB基因突變后，無論在缺鐵或鐵充足的條件下，肺炎克雷伯菌攝取鐵的能力均受到抑制，毒力明顯降低。這表明，tonB基因在介導(dǎo)鐵吸收和調(diào)節(jié)菌株毒力方面發(fā)揮了重要作用。

3.2.2 kfu基因 kfu基因編碼的kfu蛋白能夠通過螯合作用介導(dǎo)Fe3+的吸收并調(diào)節(jié)肺炎克雷伯菌毒力[22]。過去以為該基因僅存在于K1型肺炎克雷伯菌中，但LUO等[14]發(fā)現(xiàn)，一些K2型小的序列分型（如ST375，ST380）菌株也攜帶有kfu基因。LEE等[33]的研究結(jié)果顯示，14株分離自KLA患者的K2型肺炎克雷伯菌中有5株攜帶kfu基因。

4 其他毒力因子及毒力基因

4.1 alls基因

alls基因位于大小約22 kb的染色體片段，相比非致肝膿腫的肺炎克雷伯菌，此染色體片段更多地存在于KLA患者分離株中。alls基因編碼產(chǎn)物參與嘌呤分解代謝及尿囊素的同化作用，有助于肺炎克雷伯菌在宿主體內(nèi)的定植。無論在厭氧或需氧條件下，尿囊素都是肺炎克雷伯菌碳、氮、能量的唯一來源。在非胰島素依賴型糖尿病患者體內(nèi)，尿囊素水平升高，從而有利于肺炎克雷伯菌獲取氮，這可能與KLA患者常合并糖尿病有關(guān)[34]。K1型比非K1型KLA患者更易合并轉(zhuǎn)移性眼部感染和中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染，而kfu和alls基因又常常同時(shí)存在于K1型肺炎克雷伯菌中，因此，同時(shí)攜帶這2個(gè)基因是否更容易導(dǎo)致肝膿腫合并轉(zhuǎn)移性感染有待進(jìn)一步研究[35]。

4.2 wcaG基因

wcaG基因編碼產(chǎn)物為胞外多糖中的巖藻糖，能夠保護(hù)肺炎克雷伯菌避免巨噬細(xì)胞的吞噬作用。WU等[36]分別檢測(cè)了分離自尿路感染和肝膿腫患者的肺炎克雷伯菌，前者未發(fā)現(xiàn)攜帶wcaG基因的菌株，但后者中有72%的菌株攜帶wcaG基因。

4.3 菌毛

肺炎克雷伯菌的菌毛主要分為2種：Ⅰ型和Ⅲ型菌毛，菌毛尖端的黏附素有助于肺炎克雷伯菌黏附于宿主組織器官，使菌體得以定植，這是hvKP使機(jī)體致病的首要前提[37]。目前，關(guān)于菌毛作為毒力因子參與hvKP致病過程的研究較少，但LIN等[38]發(fā)現(xiàn)肺炎克雷伯菌在高糖條件下，可以通過抑制CRP-cAMP機(jī)制而促進(jìn)Ⅲ型菌毛編碼基因的表達(dá)，促使菌株生物膜的合成，增強(qiáng)肺炎克雷伯菌的致病力。因此，糖尿病患者更易患肝膿腫的原因可能與此有關(guān)，但仍需進(jìn)一步的研究證實(shí)。

5 總結(jié)

肺炎克雷伯菌是社區(qū)獲得性及醫(yī)院獲得性感染的常見病原體，可引起肺炎、膿毒癥等多種感染，近年來逐漸成為肝膿腫的主要病原菌。hvKP引起的肝膿腫，常合并肝外轉(zhuǎn)移病灶，如眼內(nèi)炎、腦膜炎等，其中并發(fā)腦膜炎患者的致死率較高。多種毒力因子在肺炎克雷伯菌引起肝膿腫的過程中發(fā)揮了重要作用，例如莢膜多糖、脂多糖、鐵攝取系統(tǒng)和菌毛等，但目前仍對(duì)某些毒力因子在致病過程中所起的作用不明確。因此，對(duì)肺炎克雷伯菌的毒力因子進(jìn)行深入研究有利于了解并阻斷其致病過程，從而減少肝膿腫的發(fā)生，提高人群健康水平，減少社會(huì)醫(yī)療支出。隨著對(duì)肺炎克雷伯菌毒力因子作用的進(jìn)一步明確，有望實(shí)現(xiàn)早期檢出hvkP，幫助臨床醫(yī)生早發(fā)現(xiàn)、早診斷肝膿腫，并及早給予治療。