泌尿道微生物與尿路感染的研究進展

高 航, 劉春瑩

(1. 陜西中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院, 陜西 咸陽, 712046;2. 陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 腎病二科, 陜西 咸陽, 712000)

尿路感染(UTI)是臨床常見疾病之一，這種感染主要由細菌引起，病原體包括泌尿道致病性大腸桿菌(UPEC)(70%～80%)、克雷伯氏菌(6%)、葡萄球菌(6%)和腸球菌種(5%)以及其他病原體[1-2]。復(fù)發(fā)性尿路感染(rUTIs)是指12個月內(nèi)發(fā)生3次及以上UTI, 極大地升高了UTI的發(fā)病率。絕大多數(shù)UTI是由細菌引發(fā)的，所以抗生素是臨床治療UTI的主要藥物，能有效殺滅細菌和緩解臨床癥狀。盡管采用了抗生素治療，但超過30%的女性患者在最初癥狀消失后的12個月內(nèi)還會發(fā)生后續(xù)感染[3]。此外，抗生素濫用現(xiàn)象導(dǎo)致了抗生素耐藥性尿路病原體的出現(xiàn)和廣泛傳播。目前，關(guān)于人體微生物群落的研究已取得一定進展，但泌尿系統(tǒng)微生物組與宿主的關(guān)系和基本生物學(xué)原理尚未闡明，現(xiàn)就泌尿道微生物與UTI的研究進展綜述如下。

1 泌尿道微生物

人類微生物組是指人體內(nèi)常駐微生物群的所有基因組信息的總和，即在人體內(nèi)繁殖的非人類生命。多年研究[4-6]結(jié)果顯示，人體的不同解剖部位藏有不同的微生物種群。人體尿道內(nèi)存在著常駐微生物群落，相關(guān)研究[7-11]目前正在持續(xù)開展。這些人類泌尿道微生物群的較新數(shù)據(jù)，對此前幾十年來的泌尿生殖系統(tǒng)健康理論和臨床實踐結(jié)果提出了異議[8, 12]。下尿路以往被認(rèn)為是無菌環(huán)境，當(dāng)這個環(huán)境的細菌培養(yǎng)結(jié)果提示存在細菌，即說明有感染發(fā)生，然而較新的研究[7, 12-15]結(jié)果表明，在健康條件下，尿液中也存在著細菌和其他微生物。在身體的其他區(qū)域(如腸道和陰道)，常駐微生物在維持平衡方面具有關(guān)鍵作用，這些群落的失調(diào)與疾病的發(fā)生有關(guān)[16-17]。使用益生菌、益生元治療或微生物群移植來調(diào)節(jié)這些微生物群落，已被制定為一種治療相關(guān)疾病的策略[18]。同樣，闡明健康個體的泌尿道微生物群，并確定發(fā)生膀胱疾病期間的微生物組成的改變，可能會從根本上改變膀胱疾病的臨床治療方式[19-20]。關(guān)于腸道微生物群的研究[21-23]結(jié)果表明，過量使用、長期使用或不正確使用抗生素會改變微生物的組成，使宿主容易受到致病菌(如艱難梭菌)的侵襲。泌尿系統(tǒng)微生物群的臨床證據(jù)尚不充足，但類似現(xiàn)象的出現(xiàn)，可在一定程度上解釋采用抗生素治療無癥狀菌尿為何會明顯升高年輕女性的UTI復(fù)發(fā)風(fēng)險[24]。采用抗生素治療急性UTI和rUTIs, 可抑制病原菌的生長，并減少有益菌的數(shù)量。因此，了解正常泌尿系統(tǒng)微生物群可改變膀胱疾病的治療方式，使臨床更加注重重建有彈性的微生物群，以降低宿主對致病菌的敏感性，而非注重采用抗生素破壞致病菌，這不可避免地會對正常微生物群造成破壞[25]。相關(guān)研究[26]估計，女性和男性人體中分別有441 012個和381 012個微生物細胞集落。隨著新一代測序技術(shù)的出現(xiàn)，人類微生物組的研究已取得了重大進展[27]。

2 泌尿道微生物環(huán)境

影響微生物繁殖的因素包括pH值、氧張力、滲透壓、營養(yǎng)物質(zhì)的利用率、黏附部位和免疫相互作用等[28]。SHANNON M B等[29]報道，膀胱尿氧張力的變化與泌尿道微生物群組成的變化有關(guān)。重要的是，為了支持微生物的生長，泌尿道中必須含有可補充的營養(yǎng)源[30-31]。在健康排尿狀態(tài)下，泌尿道像一個恒化器，不斷地充盈和排泄尿液，據(jù)研究[32]推測，新尿液的流入為常駐微生物提供了營養(yǎng)。有趣的是，已知在泌尿道上定植的許多人類共生菌，如乳酸菌屬、雙歧桿菌屬和鏈球菌屬表達的酶可將各種細胞外葡萄糖聚胺降解為較小的可代謝糖類[33-35]。

3 UTI與微生物變化

UTI是女性最常見的感染之一，泌尿道微生物的組成與UTI發(fā)病率之間的關(guān)系目前正受到臨床廣泛關(guān)注。識別觸發(fā)泌尿道內(nèi)持久性細菌種群重新出現(xiàn)的機制信號，對了解rUTI的發(fā)病機制至關(guān)重要。GILBERT N M等[36]研究顯示，短暫接觸陰道微生物群，特別是陰道加德納菌，可以喚醒靜止的尿路致病性大腸桿菌庫，導(dǎo)致膀胱腔的重新接種，上皮細胞死亡和脫落，以及腎臟損傷。迄今為止，很少有元基因組研究直接剖析UTI期間的泌尿道微生物組情況，因此目前仍不清楚感染期間和感染后的泌尿道微生物群落是如何變化的。先進的培養(yǎng)技術(shù)已被用于描述感染過程中尿道微生物群的組成情況，且目前已建立了用于研究和臨床實驗室的健全程序。PRICE T K等[37]報道, UTI患者與健康對照組的幾個物種的豐度存在差異，例如，與健康對照組比較, UTI組肺炎克雷伯菌、無乳鏈球菌、尿道氣球菌、糞腸球菌、大腸埃希氏桿菌、金黃葡萄球菌和咽峽炎鏈球菌富集。

MOUSTAFA A等[38]在121個無污染尿液樣本上同時使用16S rRNA擴增子測序和全基因組槍式元基因組測序法對泌尿生殖道(UGT)微生物組的細菌、病毒和真核成分進行分析，確定了患者尿液內(nèi)的3種微生物特征(有2種與UTI無關(guān)，以放線菌和厚壁菌門為主; UTI相關(guān)的微生物群以蛋白菌為主，包括許多尿路病原菌，如大腸桿菌、克雷伯菌、假單胞菌屬和腸桿菌屬; 檢測到幾個與感染相關(guān)的新菌群，如食酸菌屬、羅丹桿菌和寡源桿菌屬)，還檢測到哺乳動物病毒和芽孢桿菌，表明需進一步研究泌尿系統(tǒng)微生物組中的病毒成分，以充分描述生態(tài)系統(tǒng)的特征。2019年MULDER M等[39]應(yīng)用無污染尿液評估抗生素治療對老年人泌尿道微生物組組成的影響，發(fā)現(xiàn)抗生素治療與泌尿道微生物組組成的改變有關(guān)，且有益健康的UGT乳酸菌屬在近期有抗生素使用史的患者中明顯枯竭，而泌尿系病原菌種則明顯富集。相關(guān)研究[40]表明，陰道微生物組可能作為UTI和rUTI的保護性共生物種的儲備來支持UGT的健康。研究[41]發(fā)現(xiàn)，與采用安慰劑治療的患者相比，采用陰道卷曲乳桿菌治療的患者rUTI發(fā)生率有一定程度的降低。

4 新興療法

4.1 仿糖抗粘接劑

許多常見的尿路病原體通過各種策略黏附在宿主組織上，從而在特定的環(huán)境中定居并引起感染; 菌毛介導(dǎo)的UPEC和其他革蘭氏陰性細菌與糖蛋白上糖基的結(jié)合可以被糖類小分子的存在所抑制，這些糖類小分子通過占據(jù)菌毛黏附素的結(jié)合袋來競爭與受體的相互作用; 甘露糖甙是高親和力甘露糖類似物，與1型菌毛頂端的FimH黏附素結(jié)合，防止與膀胱和結(jié)腸中的甘露糖基糖蛋白黏附[42-45]。

臨床通過對結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系的闡明，開發(fā)出了抑制FimH功能的甘露糖甙，其效力比α-D-甘露糖高106倍，并大大提高了生物利用率和半衰期。甘露糖甙是口服生物制劑，在小鼠UTI模型中，治療6 h后就可使膀胱細菌減少4個對數(shù)單位[46-47]。胃腸道是UPEC的最終定植地，而FimH黏附素已被證明在維持小鼠此類定植方面具有關(guān)鍵作用; 某一宿主體內(nèi)的這一儲量的消耗預(yù)計將降低rUTIs的發(fā)生率; 小鼠口服甘露糖甙可以選擇性地從尿和胃腸道中同時清除UPEC; 與抗生素降低了腸道微生物群的復(fù)雜性不同的是，甘露糖甙在急性膀胱炎和胃腸道菌群小鼠模型中不改變原生微生物群的結(jié)構(gòu)[42]。

相關(guān)研究[48]使用小分子受體類似物來抑制Fml菌毛介導(dǎo)的對腎臟上皮和慢性感染膀胱中表達的含有N2乙酰半乳糖胺受體的黏附。這些高親和力的半乳糖苷對FmlH黏附素的親和力比N2乙酰半乳糖胺高2 000倍，可使感染小鼠膀胱和腎臟的細菌滴度降低約1.5個對數(shù)單位; 與單用半乳糖苷或甘露糖甙相比，半乳糖苷與甘露糖甙聯(lián)合應(yīng)用于小鼠時，可將腎臟負(fù)擔(dān)降低到檢測極限以下，并能大大減輕膀胱負(fù)擔(dān)[49]。以上研究表明，糖類化合物有望成為預(yù)防和治療UPEC引起的急性、慢性和復(fù)發(fā)性UTI的抗生素節(jié)約型療法。

4.2 益生菌

使用無癥狀菌株對尿路進行定植，有希望成為預(yù)防UTI的新方法，一項旨在使大腸桿菌菌株工程化以包含CsgA融合蛋白的研究[50]顯示，生物活性分子與CsgA卷曲亞基的融合可以增強細菌與腸道黏蛋白的相互作用，并提升其持久性。由此表明，定向生物工程加上對有益宿主微生物群現(xiàn)有成員的微生物學(xué)表征的研究，可能會開發(fā)出具有增強益生菌活性作用的治療菌株，用于預(yù)防UTI。益生菌的額外潛力還延伸到了陰道微生物群方面，相關(guān)研究[51]顯示，含有乳酸菌種的益生菌可與陰道雌激素霜配合用于UTI的預(yù)防。

4.3 免疫調(diào)節(jié)療法

持續(xù)菌尿癥和rUTIs患者活檢結(jié)果顯示, B細胞和漿細胞遷移，并在黏膜下層發(fā)育淋巴結(jié)[52]。非特異性環(huán)氧化酶(COX)——COX1和COX2負(fù)責(zé)合成促炎性前列腺素，是非甾體抗炎藥(NSAID)的靶點，包括萘普生、布洛芬、阿司匹林和吲哚美辛等藥物[53]。COX2的活性在炎癥部位占主導(dǎo)地位，在急性膀胱炎期間，人和小鼠膀胱中的中性粒細胞和尿道細胞中的COX2活性增強，對慢性膀胱炎的進展具有很強的預(yù)測性。塞來昔布可選擇性抑制COX2, 以避免非特異性抑制COX1引起的胃腸道潰瘍，在小鼠膀胱炎模型中，抑制COX2, 可通過防止黏膜損傷和使膀胱上皮再生，降低急性膀胱炎的嚴(yán)重程度和慢性感染的發(fā)生率[54]。人體試驗[55]結(jié)果也表明，口服NSAID對UTI患者具有一定的療效。雖然單獨使用NSAID治療的女性患者往往癥狀持續(xù)時間較長，有些患者隨后還需使用抗生素，但對于希望避免使用抗生素的女性患者來說，NSAID似乎是一種可行的對癥治療選擇[56-57]。遺憾的是，包括慢性間質(zhì)性腎炎和胃腸道潰瘍在內(nèi)的副作用可能會限制非選擇性NSAID治療在慢性rUTIs女性患者中的應(yīng)用。

5 展 望

有癥狀的UTI患者通常采用廣譜抗生素進行治療，然而，抗生素耐藥性的增強和其對腸道微生物群的影響，提高了患者對可替代抗生素療法的UTI治療方法的需求。詳細了解UTI的發(fā)病機制，是臨床開發(fā)有效治療UTI的新型抗菌藥物的關(guān)鍵。通過對代謝組學(xué)和基因表達的研究，人們開始了解細菌毒力在整個感染周期中的動態(tài)調(diào)控情況，從而能準(zhǔn)確地確定細菌毒力的決定因素，并將其作為適當(dāng)?shù)难芯磕繕?biāo)。隨著臨床對泌尿系微生物組有了更深入的研究，許多UTI和rUTIs患者期待著新型療法的出現(xiàn)，從而實現(xiàn)生活質(zhì)量的改善。