金黃色葡萄球菌的致病機(jī)制

孫建林，呂新翔

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院皮膚科，呼和浩特 010059)

金黃色葡萄球菌是一種重要的人畜共患病原體，可引起人和動(dòng)物的多種感染和疾病，包括皮膚感染、肺炎、感染性關(guān)節(jié)炎、心內(nèi)膜炎、中毒性休克綜合征(toxic shock syndrome,TSS)和膿毒癥。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA)是致病菌之一。自1961年報(bào)告MRSA以來(lái)，這種菌株的發(fā)病率已經(jīng)蔓延到世界各地。MRSA的流行病學(xué)具有遺傳多樣性，其主要特征是連續(xù)出現(xiàn)流行毒株。雖然近年來(lái)MRSA在一些地區(qū)的發(fā)病率有所下降，但其整體發(fā)病率和死亡率一直居高不下，仍對(duì)臨床構(gòu)成巨大威脅[1]。研究表明，與配對(duì)未感染住院患者相比，金黃色葡萄球菌感染患者的年病死率高20.2%[2]。金黃色葡萄球菌要入侵并在宿主體內(nèi)生存，需要產(chǎn)生不同的毒力因子，如與運(yùn)動(dòng)、黏附、毒素分泌和宿主防御逃避有關(guān)的基因產(chǎn)物[3]。一直以來(lái)，抗生素是對(duì)抗金黃色葡萄球菌感染的主要藥物。雖然這些抗生素最初非常有效，但它們的高選擇性壓力和不合理使用導(dǎo)致了耐藥細(xì)菌的出現(xiàn)、流行和蔓延。事實(shí)上，MRSA、萬(wàn)古霉素耐藥金黃色葡萄球菌和達(dá)托霉素耐藥金黃色葡萄球菌分別在甲氧西林、萬(wàn)古霉素和達(dá)托霉素臨床應(yīng)用后的短時(shí)間內(nèi)被報(bào)道。目前被廣泛報(bào)道用于治療金黃色葡萄球菌感染的替代策略包括抗毒力療法、光動(dòng)力療法、噬菌體療法和疫苗等[4]?？梢?jiàn)，干擾細(xì)菌毒力可能使宿主免疫系統(tǒng)抑制細(xì)菌入侵，從而減輕損傷?，F(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌常見(jiàn)的幾種毒力因子進(jìn)行綜述，以為今后臨床治療相關(guān)感染提供策略及思路。

1 金黃色葡萄球菌毒力因子概述

金黃色葡萄球菌作為病原體能夠成功致病部分源于其產(chǎn)生大量毒力因子的能力，這些毒力因子有助于細(xì)菌黏附、營(yíng)養(yǎng)獲取和宿主免疫逃逸[5]。這些因子包括結(jié)構(gòu)成分(膠原、纖維蛋白原、彈性蛋白結(jié)合蛋白、青霉素結(jié)合蛋白、磷壁酸、蛋白質(zhì)α，β-內(nèi)酰胺酶、蛋白酶、黏液)、酶(凝固酶、葡萄激酶、DNA、磷酸酶、脂肪酶、磷脂酶、透明質(zhì)酸酶)和毒素[殺白細(xì)胞素、葡萄球菌腸毒素(Staphylococcus enterotoxins,SEs)、TSS毒素-1(TSS toxin 1，TSST-1)、溶血素和脫落毒素]。此外，金黃色葡萄球菌能夠在表面附著，形成生物膜，并持續(xù)存在于宿主體內(nèi)，導(dǎo)致危及生命的感染[6]。因此，分析金黃色葡萄球菌毒力基因譜對(duì)預(yù)測(cè)感染有重要意義。

2 致病機(jī)制

2.1殺白細(xì)胞素 殺白細(xì)胞素是一種成孔的雙組分毒素，專門(mén)攻擊免疫細(xì)胞。目前有7種不同類型的殺白細(xì)胞素，其中潘頓-瓦倫丁殺白細(xì)胞素(Panton-Valentine leukocidin,PVL)是對(duì)免疫細(xì)胞作用最強(qiáng)的毒素，其他細(xì)胞毒素，如LukPQ和LukMF′也很重要，但只對(duì)有限的宿主物種有效，包括反芻動(dòng)物。PVL由2個(gè)相鄰和共轉(zhuǎn)錄的基因(Luks-PV和LukF-PV)編碼。PVL是協(xié)同膜親和性毒素家族中的一員，能在細(xì)胞膜上誘導(dǎo)孔隙形成。它存在于大多數(shù)社區(qū)相關(guān)的MRSA分離株中，在醫(yī)院分離株中很少出現(xiàn)，因此被認(rèn)為是社區(qū)獲得性菌株的標(biāo)志。流行病學(xué)數(shù)據(jù)表明，社區(qū)獲得性MRSA的高毒力與PVL基因有關(guān)[7]，但PVL與發(fā)病相關(guān)的直接證據(jù)有限。

第1例PVL陽(yáng)性的MRSA于1990年末被發(fā)現(xiàn)，這些菌株在近年已經(jīng)遍布全球。PVL通過(guò)壞死、加速多形核細(xì)胞、單核細(xì)胞的凋亡和破壞增加金黃色葡萄球菌的致病性，從而導(dǎo)致發(fā)病和死亡[8]。然而，關(guān)于其在提高金黃色葡萄球菌毒力及致病性方面的作用尚有爭(zhēng)議。

來(lái)自不同國(guó)家的報(bào)告顯示，MRSA分離株中PVL的患病率不斷上升。印度MRSA和甲氧西林敏感金黃色葡萄球菌(methicillin-sensitive Staphylococcus aureus,MSSA)中PVL的總患病率為62.85%(MRSA為85.1%、MSSA為48.8%)；世界其他地區(qū)報(bào)告的PVL患病率較低(法國(guó)5%、英國(guó)4.9%、沙特阿拉伯8.1%、孟加拉國(guó)14.3%)，反映出PVL的患病率因地理位置和人口的不同而有很大差異[9]。因此，了解其地區(qū)分布特點(diǎn)對(duì)防治感染意義重大。

2.2SEs SEs是引起人類食物中毒的主要原因，包括5種經(jīng)典血清學(xué)類型(SEA、SEB、SEC、SED和SEE)。據(jù)報(bào)道，這些經(jīng)典的SEs導(dǎo)致葡萄球菌食物中毒發(fā)生率高達(dá)95%。在過(guò)去的20年中，已經(jīng)報(bào)道了新型的SEs和SEl(SE-like)毒素(SEG～SEl、SElJ、SEK～SET、SElU、SElV、SElX和SElY)。在腸毒素中，SEA是導(dǎo)致全球葡萄球菌食物中毒的最主要腸毒素類型，其次為SED和SEB[10]。此外，SEs還與其他疾病有關(guān)，如過(guò)敏、哮喘、慢性阻塞性肺疾病、猩紅熱、腎小球腎炎和血管炎[11]。

SEs屬于超抗原家族，是強(qiáng)大的非特異性T細(xì)胞刺激物，可引起免疫反應(yīng)不受調(diào)控的激活。如果這種刺激持續(xù)，將產(chǎn)生大量的細(xì)胞因子超負(fù)荷，這是TSS的臨床標(biāo)志，其特征是迅速發(fā)熱、器官衰竭和死亡率高。與金黃色葡萄球菌產(chǎn)生的其他大多數(shù)分泌毒素不同，SEs僅需微量即可對(duì)人體產(chǎn)生毒性。此外，SEs對(duì)極端變性條件(如低pH值、加熱和蛋白水解消化)具有顯著的耐受性[12]。

除了對(duì)宿主的毒性作用外，SEs還是一種強(qiáng)烈的誘發(fā)嘔吐的毒素。有關(guān)產(chǎn)腸毒素金黃色葡萄球菌參與葡萄球菌食物中毒的報(bào)道可以追溯到20世紀(jì)初。然而，直到20世紀(jì)30年代，才將兩者聯(lián)系起來(lái)。在健康人群中，葡萄球菌食物中毒是一種急性發(fā)作的疾病，主要表現(xiàn)為惡心、嘔吐、腹部痙攣、腹瀉等，通常在攝入被產(chǎn)生腸毒素的金黃色葡萄球菌污染的食物后3～9 h出現(xiàn)。葡萄球菌食物中毒通常是自限性的，癥狀發(fā)作后1～3 d即可恢復(fù)。但在年輕人、老年人和免疫力低下的患者中癥狀可能更嚴(yán)重。SEs能夠穿越腸道內(nèi)的酸性環(huán)境到達(dá)腸道，表明在沒(méi)有活細(xì)菌的情況下，也可以發(fā)生葡萄球菌食物中毒[13]。這些綜合特性使SEs成為潛在的“生物恐怖分子”。

2.3TSST-1 超抗原是由葡萄球菌(主要是金黃色葡萄球菌)和β-溶血性鏈球菌產(chǎn)生的蛋白質(zhì)大家族[14]。金黃色葡萄球菌超抗原是一類非糖化的小分子外源蛋白家族，具有極強(qiáng)的耐熱、耐酸、耐蛋白水解、耐干燥等特性。這個(gè)家族產(chǎn)生的毒素能夠觸發(fā)過(guò)度和異常的T細(xì)胞激活和細(xì)胞因子的釋放，從而系統(tǒng)地干擾免疫系統(tǒng)的功能。超抗原的生物毒性使它們成為導(dǎo)致危及生命感染的關(guān)鍵因素。由tst基因編碼的TSST-1是超抗原的重要成員，在易感宿主中可導(dǎo)致葡萄球菌TSS[15]。TSS是一種潛在的危及生命的疾病，其特征是高熱、彌漫性紅斑疹、皮膚脫皮、休克和多個(gè)器官系統(tǒng)的功能障礙。據(jù)報(bào)道，TSS主要發(fā)生在月經(jīng)期的年輕女性，而TSST-1是幾乎所有經(jīng)期TSS病例的主要致病因子[16]，這可能是由其獨(dú)特的穿越陰道黏膜表面的能力決定。

20世紀(jì)80年代初，tst基因被發(fā)現(xiàn)在枯草芽孢桿菌中克隆和表達(dá)，并被證實(shí)與家兔的TSS有關(guān)，提示 tst基因在TSS的發(fā)病機(jī)制中起重要作用[17]。TSST-1能夠增強(qiáng)內(nèi)毒素誘導(dǎo)的金黃色葡萄球菌休克和免疫抑制反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，TSST-1在金黃色葡萄球菌感染性心內(nèi)膜炎發(fā)病過(guò)程中對(duì)細(xì)胞結(jié)合和分泌的內(nèi)皮細(xì)胞活化標(biāo)志物具有差異性調(diào)節(jié)作用，可能導(dǎo)致天然免疫應(yīng)答失調(diào)，提示TSST-1在金黃色葡萄球菌感染性心內(nèi)膜炎發(fā)病機(jī)制中起重要作用[18]。然而，金黃色葡萄球菌TSS的發(fā)病機(jī)制尚不清楚。

2.4溶血素 溶血素分為α溶血素、β溶血素、δ溶血素、γ溶血素及γ溶血素變異體(由hla、hlb、hld、hlg、hlg-2等基因編碼)，溶血素具有選擇性溶血作用，通過(guò)最初與靶細(xì)胞膜的結(jié)合而導(dǎo)致細(xì)胞損傷[19]。其中，α溶血素(Hla)是金黃色葡萄球菌常見(jiàn)的分泌型毒力蛋白，是一種能破壞紅細(xì)胞、血小板等宿主細(xì)胞膜的致孔毒素，這會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞溶解，然后導(dǎo)致溶血[20]。Hla在各種動(dòng)物模型中對(duì)金黃色葡萄球菌的毒力是必不可少的，包括皮膚和軟組織感染、肺炎和菌血癥。體外實(shí)驗(yàn)表明，Hla對(duì)許多哺乳動(dòng)物細(xì)胞(包括紅細(xì)胞、血小板)均有毒性。該毒素以水溶性單體的形式與易感靶細(xì)胞接觸時(shí)，會(huì)形成跨膜穩(wěn)定的七聚體通道，導(dǎo)致宿主細(xì)胞裂解或死亡[4]。此外，Hla是金黃色葡萄球菌逃避宿主免疫系統(tǒng)的主要毒力因子。

2.5脫落毒素 脫落毒素又稱表皮溶解性毒素，是金黃色葡萄球菌分泌的一種極具特異性的絲氨酸蛋白酶。這些蛋白酶能夠識(shí)別并水解皮膚淺層中的橋粒鈣黏附素。脫落毒素是一種外毒素，與宿主表皮角質(zhì)形成細(xì)胞之間連接的裂解和細(xì)胞與細(xì)胞的黏附有關(guān)，可導(dǎo)致皮膚脫落和水皰形成[21]。目前已知的主要脫落毒素是脫落毒素A、脫落毒素B、脫落毒素C、脫落毒素D。脫落毒素A和脫落毒素B對(duì)人類皮膚損傷的影響最大，而脫落毒素C只能從馬感染中分離出來(lái)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與人類疾病相關(guān)。脫落毒素D于2002年從金黃色葡萄球菌的臨床樣本中發(fā)現(xiàn)[22]。這些脫落毒素由大約5%的金黃色葡萄球菌菌株產(chǎn)生，脫落毒素A在歐洲、非洲和美洲最為流行，脫落毒素B在日本更為常見(jiàn)。某些金黃色葡萄球菌脫落毒素的產(chǎn)生與局部表皮感染(如大皰性膿皰病)和全身性疾病(如葡萄球菌燙傷樣皮膚綜合征)有關(guān)[23]。

然而，有研究報(bào)道了一種新的脫落毒素，即脫落毒素E，常與綿羊金黃色葡萄球菌分離株相關(guān)。值得注意的是，以前在與綿羊輕度乳腺炎相關(guān)的金黃色葡萄球菌菌株中發(fā)現(xiàn)了ete基因。因此，脫落毒素E可能是母羊乳腺炎中金黃色葡萄球菌毒力的標(biāo)志。它是否以及如何為金黃色葡萄球菌在乳房?jī)?nèi)的定植和滯留提供選擇優(yōu)勢(shì)仍有待闡明[24]，但這可能對(duì)乳腺炎的診斷和控制有重要價(jià)值。

2.6生物膜 生物膜被定義為附著在表面上的細(xì)菌細(xì)胞的有序組合，并嵌入由DNA、多糖和(或)蛋白質(zhì)組成的細(xì)胞外基質(zhì)中，這種基質(zhì)提供了一種保護(hù)性的物理屏障，以抵御環(huán)境條件的劇烈變化[25]。葡萄球菌生物膜出現(xiàn)在植入式醫(yī)療設(shè)備(導(dǎo)管、假肢關(guān)節(jié)、植入物等)上，也出現(xiàn)在慢性傷口、心內(nèi)膜炎或骨髓炎的生物膜樣感染的宿主組織中[26]。

金黃色葡萄球菌生物膜的發(fā)育經(jīng)歷了附著、積累和擴(kuò)散3個(gè)階段。生物膜的形成始于金黃色葡萄球菌細(xì)胞最初附著在未涂層的或血漿和宿主細(xì)胞外基質(zhì)蛋白涂層的導(dǎo)管和生物膜樣組織上，隨后形成細(xì)菌聚集體[27]。生物膜多層結(jié)構(gòu)的發(fā)展需要增殖細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行細(xì)胞間聚集。一般來(lái)說(shuō)，金黃色葡萄球菌中的細(xì)胞外基質(zhì)由多糖、磷壁酸、環(huán)境DNA和金黃色葡萄球菌的幾種表面蛋白組成，但不同的金黃色葡萄球菌分離株生物膜內(nèi)存在的單個(gè)成分的數(shù)量有所不同[28]。最終，當(dāng)生物膜足夠成熟時(shí)，被困在生物膜結(jié)構(gòu)中的細(xì)菌可以在特定條件下釋放和擴(kuò)散，如壓力因素的減少。因此，新的游離細(xì)菌能夠在新的表面上定植，以發(fā)現(xiàn)新的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如通過(guò)造血的方式。而被稱為群體感應(yīng)的細(xì)菌通信模式對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一步尤為重要。金黃色葡萄球菌中最著名的群體感應(yīng)系統(tǒng)是Agr(輔助基因調(diào)節(jié)器)。它的調(diào)節(jié)以細(xì)胞密度為基礎(chǔ)，根據(jù)生物膜的狀態(tài)，控制細(xì)胞表面蛋白、表面黏附素或毒力因子的分泌，從而參與生物膜的成熟和細(xì)菌擴(kuò)散[29]。生物膜對(duì)宿主免疫系統(tǒng)和抗生素具有抵抗力，導(dǎo)致葡萄球菌性疾病的持久性和難治性。

2.7凝集因子 金黃色葡萄球菌表面有許多暴露的蛋白質(zhì)被稱為“識(shí)別黏附基質(zhì)分子的微生物表面成分”，介導(dǎo)細(xì)菌在宿主細(xì)胞中的定植、入侵和繁殖。凝集因子是識(shí)別黏附基質(zhì)分子的微生物表面成分家族的微生物表面成分之一。凝集因子A和凝集因子B是金黃色葡萄球菌重要的黏附毒素，它們有助于引發(fā)感染。在眾多金黃色葡萄球菌表面黏附素中，凝集因子A已被證明在嚴(yán)重的血液感染中起重要作用。凝集因子A可特異性結(jié)合纖維蛋白原，并促進(jìn)細(xì)菌對(duì)纖維蛋白原的黏附和細(xì)菌聚集，這兩個(gè)都是金黃色葡萄球菌血流感染發(fā)生的關(guān)鍵特征[30]。凝集因子A通過(guò)與損傷部位的纖維蛋白或纖維蛋白原結(jié)合，或涂覆在留置裝置上，可以促進(jìn)細(xì)菌定植和細(xì)菌聚集，進(jìn)而增強(qiáng)細(xì)菌的侵襲性。據(jù)報(bào)道，凝集因子A也會(huì)損害調(diào)理吞噬作用所需的補(bǔ)體沉積[31]。

2.8纖維連接蛋白結(jié)合蛋白(fibronectin-binding proteins,FnBPs) 金黃色葡萄球菌的致病機(jī)制還與表面FnBPs的表達(dá)有關(guān)。金黃色葡萄球菌有2個(gè)主要的FnBPs：FnBPA和FnBPB，它們分別由2個(gè)緊密連鎖的基因fnbA和fnbB編碼。金黃色葡萄球菌菌株均含有至少1個(gè)fnb基因，而許多菌株有2個(gè)fnb基因[32]。其中，F(xiàn)nBPA蛋白廣泛存在于體液、血液凝塊和細(xì)胞外基質(zhì)中，其主要功能與大多數(shù)真核細(xì)胞蛋白介導(dǎo)的黏附能力有關(guān)，但它也與金黃色葡萄球菌細(xì)胞結(jié)合，并作為各種微生物的黏附底物[33]。這代表著金黃色葡萄球菌在宿主組織的定植和感染的發(fā)展邁出了關(guān)鍵的一步。

3 小 結(jié)

目前，傳統(tǒng)的抗生素仍是治療金黃色葡萄球菌感染最常用的方法。然而，這些抗生素的長(zhǎng)期使用增加了細(xì)菌的生存壓力，導(dǎo)致抗藥性細(xì)菌變種的選擇和存活，抗生素對(duì)耐藥細(xì)菌感染的療效降低，甚至沒(méi)有效果。因此，通過(guò)了解金黃色葡萄球菌的致病機(jī)制，分析常見(jiàn)的毒力因子，可為將來(lái)針對(duì)基因靶點(diǎn)預(yù)防及治療金黃色葡萄球菌感染提供可能，這對(duì)于指導(dǎo)臨床醫(yī)師合理用藥，進(jìn)一步減少耐藥菌株的產(chǎn)生起著至關(guān)重要的作用。