引起肝膿腫的肺炎克雷伯菌毒力因子研究進展

管紅艷，劉 瑛

（上海交通大學醫學院附屬新華醫院檢驗科，上海 200092）

肺炎克雷伯菌是常見的條件致病菌，當機體免疫力下降或長期使用抗菌藥物導致菌群失調時，該菌可以引起嚴重感染，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）被報道以來，肺炎克雷伯菌逐漸成為亞洲地區社區獲得性肝膿腫的主要病原菌[2-3]。近年來，中國、北美和歐洲地區相繼出現關于KLA的報道[4-6]。KLA的常見特點有轉移性感染多見（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培養后常表現為高黏液性菌落（拉絲試驗＞5 mm），因此又被稱為高黏液性肺炎克雷伯菌[8]。hvKP易通過血流造成轉移性感染（如中樞神經系統感染及眼內炎），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、鐵攝取系統和菌毛等毒力因子關系密切，本文對KLA的主要毒力因子作一綜述。

1 莢膜多糖及其調控基因

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，可使細菌呈現黏液性狀表型，并具有抗吞噬、抗血清殺菌（補體系統）的能力，與該菌在宿主體內移居、黏附和生長增殖有關[10]。hvKP可產生大量莢膜多糖，被中性粒細胞吞噬后，不僅能夠避免中性粒細胞介導的殺菌作用，還可以借助中性粒細胞轉移到眼、中樞神經系統等部位，這可能與hvKP易導致KLA合并轉移性感染有關[8]。根據莢膜多糖（K抗原）分型，可將肺炎克雷伯菌分為77個K血清型[11]。LIN等[12]的研究發現，K1和K2型菌株抵抗中性粒細胞的吞噬殺菌作用較其他血清型更強，形成肝膿腫的傾向更大。肺炎克雷伯菌對抗補體系統介導的殺菌作用因血清型而異，K2型莢膜可保護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，用半數致死量（LD50）評估菌株毒力，結果顯示K1型野生型菌株LD50（＜10 CFU）遠小于不產莢膜的K1型突變株LD50（＞1×106CFU），從而證實了莢膜多糖的毒力作用。

1.2 莢膜多糖調控基因

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

1.2.1 rmpA基因

rmpA基因通常被認為是促進莢膜多糖合成的調控因子，其編碼的rmpA蛋白能夠激活莢膜多糖表達，使莢膜多糖的產量增加，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節基因，兩者同源性達71.4%，共同參與黏液性狀的調控[15]。HSU等[16]發現KLA患者K1型分離株NTUH-2044攜帶3種rmpA/A2基因：大質粒攜帶基因（p-rmpA、p-rmpA2）和染色體攜帶基因（c-rmpA）。p-rmpA能夠促進莢膜多糖合成相關基因的轉錄及黏液表型的表達，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的DNA序列不同，導致c-rmpA不能促進莢膜多糖的合成。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性，如果分離自臨床患者的肺炎克雷伯菌菌株表現為高黏液表型（拉絲試驗＞5 mm），或檢測出菌株攜帶rmpA基因，則應警惕該患者是否有肝膿腫。但有研究發現，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]，說明在導致肝膿腫的過程中，rmpA基因有可能是和其他因子共同發揮調控作用。有文獻報道，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的毒力質粒pLVPK上[19]。TANG等[18]認為，TerW-IutA-RmpA-SilS可以作為獨立致病因子參與肺炎克雷伯菌致肝膿腫過程，而大多數低毒力肺炎克雷伯菌不存在pLVPK質粒，因此，獲取這種毒力質粒有可能是肺炎克雷伯菌毒力增強的重要原因。

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，首次發現magA編碼一種含408個氨基酸的蛋白，這種蛋白可以促使菌體呈現高黏液表型，并參與莢膜多糖的產生。但后來的實驗發現，magA基因僅存在于K1型菌株，編碼產物為K-抗原聚合酶，即K1型肺炎克雷伯菌莢膜多聚酶[21]。K-抗原聚合酶可促進莢膜多糖的合成及細菌表面保護性多糖黏附網絡的形成，從而使肺炎克雷伯菌能夠抵抗補體系統介導的殺菌作用，并隨血流轉移至肝臟及其他組織，導致原發性肝膿腫及轉移性膿毒性并發癥[21]。HSIEH等[22]研究證實，分離自KLA患者的K1型肺炎克雷伯菌magA基因發生突變后，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

脂多糖是細菌細胞壁的主要成分，對菌株的保護作用類似莢膜，可以引發宿主產生感染性休克[10]。脂多糖由3個結構域組成：脂質A、核心寡糖和O抗原。O抗原是脂多糖最外層的成分，由寡糖重復單元多聚物構成，能保護細菌免受血清補體系統介導的殺菌作用，但與避免中性粒細胞的吞噬作用無關。目前已發現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，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胞的清除作用，促進肝膿腫的形成，后者的O1抗原則與這種抵抗作用無關。因此，K2型肺炎克雷伯菌的O1抗原不能通過抵抗肝細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繁殖過程中發揮重要作用，主要是作為蛋白質的氧化還原催化劑，并參與菌體內氧和電子的轉運。鐵載體是細菌分泌的細胞外高親和力鐵離子螯合劑，可攝取由宿主鐵結合蛋白（主要是鐵蛋白及轉鐵蛋白） 釋放的Fe3+，隨后與細胞膜上的鐵載體受體結合，介導Fe3+進入菌體[24]，使細胞內Fe3+富集，從而促進細菌的生長及繁殖，導致細菌在宿主體內擴散或加重感染。由于宿主體內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，與介導鐵離子進入菌體的相關基因有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，編碼相對分子質量為71 000的fyuA蛋白，即Fe3+-Ybt受體，介導Ybt攜帶的鐵離子進入菌體[25]。在缺鐵的條件下，fyuA蛋白產量增加，不僅能夠促進更多Fe3+進入菌體，利于菌株的繁殖，還可以促進細菌生物被膜的形成，增強細菌毒力[26]。HSIEH等[22]發現，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相關基因的表達明顯升高。

3.1.2 Aer Aer是一種異羥肟鹽類的鐵載體，可以競爭組織和血液中的Fe3+，其表達不受溫度調節。Aer受體由基因簇iucABCD-iutA編碼，常與rmpA共同位于毒力質粒pLVPK[19]。HSIEH等[22]發現，在分離自KLA患者的菌株內，iucABCD-iutA的表達明顯升高。有研究發現肺炎克雷伯菌自身并不產生Aer，但可表達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]認為，3%～6%的肺炎克雷伯菌可以產生Aer。Aer可以使肺炎克雷伯菌的毒力增強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含量增加的機制仍不清楚，但已經明確的是，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體的過程中，沙門菌素可以發揮其抗氧化作用，催化羥基自由基的生成，增強菌株的毒力，從而加重對宿主組織的損傷[30]。沙門菌素及其受體IroN均由基因簇iroA（iroBCDN）編碼合成，有研究發現iroA（iroBCDN）與iucABCD-iutA共同位于1個大小約200 kb的毒力質粒，獲得該質粒的肺炎克雷伯菌表現為高毒力并具有高黏液表型，更易引起肝膿腫伴嚴重的轉移性感染[31]。

3.2 介導鐵離子進入菌體的相關基因

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編碼蛋白進入菌體[32]。HSIEH等[22]的研究發現，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基因在介導鐵吸收和調節菌株毒力方面發揮了重要作用。

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Fe3+的吸收并調節肺炎克雷伯菌毒力[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]發現，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，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[34]。K1型比非K1型KLA患者更易合并轉移性眼部感染和中樞神經系統感染，而kfu和alls基因又常常同時存在于K1型肺炎克雷伯菌中，因此，同時攜帶這2個基因是否更容易導致肝膿腫合并轉移性感染有待進一步研究[35]。

4.2 wcaG基因

wcaG基因編碼產物為胞外多糖中的巖藻糖，能夠保護肺炎克雷伯菌避免巨噬細胞的吞噬作用。WU等[36]分別檢測了分離自尿路感染和肝膿腫患者的肺炎克雷伯菌，前者未發現攜帶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使機體致病的首要前提[37]。目前，關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]發現肺炎克雷伯菌在高糖條件下，可以通過抑制CRP-cAMP機制而促進Ⅲ型菌毛編碼基因的表達，促使菌株生物膜的合成，增強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，但仍需進一步的研究證實。

5 總結

肺炎克雷伯菌是社區獲得性及醫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，常合并肝外轉移病灶，如眼內炎、腦膜炎等，其中并發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揮了重要作用，例如莢膜多糖、脂多糖、鐵攝取系統和菌毛等，但目前仍對某些毒力因子在致病過程中所起的作用不明確。因此，對肺炎克雷伯菌的毒力因子進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生，提高人群健康水平，減少社會醫療支出。隨著對肺炎克雷伯菌毒力因子作用的進一步明確，有望實現早期檢出hvkP，幫助臨床醫生早發現、早診斷肝膿腫，并及早給予治療。