細菌性腦膜炎概述

彭 忠，李春輝，陳煥春，王湘如

(1. 華中農業大學動物醫學院 農業微生物學國家重點實驗室 生豬健康養殖協同創新中心，湖北 武漢 430070； 2. 中南大學湘雅醫院醫院感染控制中心，湖南 長沙 410008)

細菌性腦膜炎(bacterial meningitis, BM)是指由于病原菌感染蛛網膜下腔從而導致宿主大腦皮層發生炎癥的一種在世界范圍內均具有較高發病率和病死率的感染性疾病[1]。BM每年在全球范圍內造成數十萬人死亡，并且30%～50%的存活者表現出不同程度的神經系統后遺癥[2]。在發達國家，BM每年人群發病率約為5/100 000(成年人)；而在次發達國家，這一比例約為發達國家的10倍[3]。BM也是獸醫臨床上常見的疾病之一，嚴重危害家畜、家禽及野生動物的健康安全和畜牧業的健康發展。

近年來，疫苗的大規模接種和醫療水平的大幅度提高較好地控制了BM在世界范圍內的大流行[1]，但社區獲得性BM(community-acquired bacterial meningitis，CA-BM)依然是世界各國尤其是低收入國家引起較高發病率和病死率的重要疾病[4]。近年來，隨著研究的不斷深入，人們對BM的發生機制已有較為清晰的認識。本文將重點圍繞BM的病原學和流行病學特點、發病機制及診斷治療現狀進行綜述，為進一步認識BM的發生發展及防控治療提供參考。

1 BM的病原學和流行病學

理論上，幾乎所有對人或者動物具有致病性的細菌均可引起腦膜炎[1]。歷史上，流感嗜血桿菌(Haemophilusinfluenzae)尤其是b型流感嗜血桿菌(Hib)、肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumoniae, SP)和腦膜炎奈瑟氏菌(Neisseriameningitidis, NM)是世界范圍內引起BM的三大致病菌[3]。然而隨著預防措施的持續加強，尤其是Hib疫苗在兒童中的大規模接種，使流感嗜血桿菌腦膜炎在發達國家幾乎被根除。取而代之的是SP成為引起非新生兒階段群體腦膜炎的最常見病原菌。近年的研究[5-6]表明，SP和NM已成為引起CA-BM的最常見病原菌，但是這兩種病原菌在不同的年齡群體以及不同地區間表現為不同的流行趨勢。通常情況下，SP腦膜炎多見于5歲以下的兒童以及65歲以上的老年群體[7]。需要特別注意的是，臨床上SP耐藥菌株尤其是耐青霉素SP的增加正在加重其感染的治療負擔。在美國部分地區，耐藥SP的流行高達50%～70%，已經對臨床治療造成重要影響[6]。NM腦膜炎則多見于年輕成人群體，并且多表現為散發[7]。NM腦膜炎一般在冬季和早春達到發病高峰，其在不同地區的發病率也不盡相同，小范圍暴發可見于學校學生宿舍等人口聚集的地方，而其大規模流行亦可周期性地發生于撒哈拉以南的非洲、歐洲、亞洲和南美洲的許多地方[8]。

在高收入國家，疫苗的廣泛接種使BM發病率持續下降。在過去10～20年，芬蘭、荷蘭、美國等歐美國家BM發病率從每年3%～4%下降至每年0.7/100 000～0.9/100 000[8]。與歐美發達國家形成強烈對比的是布基納法索、馬拉維等非洲國家，BM發病率仍以每年10/100 000～40/100 000的速度遞增[8-9]。

B群鏈球菌(group Bstreptococcus, GBS)和單核細胞增生李斯特菌(Listeriamonocytogenes, LM)也是引起腦膜炎的常見病原菌[6]。GBS可引起新生兒敗血癥和腦膜炎；而LM引起的腦膜炎則多見于新生兒和酗酒、免疫力低下或鐵過載的成年人以及妊娠婦女和老人群體。此外，盡管在常規接種Hib疫苗的國家流感嗜血桿菌腦膜炎已經變得極少見，但是在世界上的許多地區尤其是低收入地區，Hib依然是引起兒童腦膜炎的重要病原菌[8]。已報道的可以引起腦膜炎的病原菌還包括腦膜炎球菌、大腸埃希菌(Escherichiacoli)、多殺性巴氏桿菌(Pasteurellamultocida)、結核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis)[2, 10-12]。我國曾在1938—1977年發生過5次A群腦膜炎球菌病(MenA)暴發，發病高峰出現在1967年，達403/100 000；然而在20世紀80年代，由于MenA多糖疫苗的接種使該病的發病率大幅下降。20世紀50～80年代，我國以MenA為主，流行菌株的序列型(sequence type，ST型)ST5、ST3和ST7；2003年C群腦膜炎球菌(ST4821)開始出現并流行；2006年，W135群腦膜炎球菌(ST11)開始出現并流行；2015年開始出現MenB(ST4821)的流行；2016年，從我國天津一例患者體內分離出NM血清群Y，但之后在我國并未出現MenY本土病例的報道[10]。在部分養豬業比較發達的亞洲國家如中國、越南和泰國，R群產溶血素鏈球菌(鏈球菌2型)也是導致腦膜炎的主要病原菌[13]。

2 BM發生的風險因素及機制

BM發生的風險因素包括年齡、免疫功能、遺傳因素以及不良的生活習慣[6]。一般而言，新生兒和老年人是BM的多發群體；而免疫功能缺陷群體易暴露在某些病原菌如SP和LM引起腦膜炎的風險中；有某些免疫抑制性病原體如人類免疫缺陷病毒(HIV)引起的T細胞缺失患者也容易患該病；遺傳性因素如先天補體成分缺失或者無脾以及不良的生活和社交習慣如吸煙等也會增加BM的發生風險[14-15]。此外，特定的種族也被發現具有更高的BM發病率，如印第安土著居民相對于美國普通群體而言具有更高的Hib腦膜炎發病率[16]。

目前，關于BM的發生機制尚不完全清楚。致腦膜炎病原菌可通過血流或者經由與大腦鄰近的部位如鼻旁竇、內耳乳突等感染到達蛛網膜下腔。病原菌隨血流入侵一般被認為是其進入蛛網膜下腔的主要途徑，涉及到病原菌的黏膜定植、侵入血液、在血液中生存和復制以及最終穿過血腦屏障(blood-brain barrier, BBB)等多個過程[2, 6, 17]，見圖1。其中病原菌在血液中生存、復制并形成高滴度的菌血癥有助于病原菌隨著血流到達BBB[17-18]。然而并非所有的個體在病原菌侵入血液后都會發生血流感染。盡管對其中的相關機制還不十分清楚，但是已有研究表明這可能涉及到環境因素以及宿主和病原先天因素的相互作用。例如細菌血流感染多見于某些病毒如流感病毒感染之后的患者或者有不良生活習慣如吸煙、酗酒的患者[14, 19]。此外，先天性無脾、補體缺失、接受過免疫抑制劑治療以及抗體缺陷的患者也易發生血流感染[20]。某些遺傳因素如核轉錄因子κB抑制因子α(IκBα)發生突變的個體或者是免疫相關受體分子如Toll樣受體9分子發生基因突變的個體也容易發生SP或者腦膜炎球菌感染[21-22]。

進入血流后，致腦膜炎病原菌可以在多種細菌表面成分如多糖莢膜以及表面蛋白(例如外膜蛋白A、SP表面蛋白PspA、PspC和溶血素蛋白Ply；NM的外膜蛋白H綁定蛋白fHbp、表面蛋白NspA、孔蛋白B以及自動轉運單白Na1P等)的幫助下抵抗細胞吞噬或膜攻擊復合物(MAC)誘導的溶解作用從而實現生存和復制[6]，進而保證病原菌隨血流到達BBB。到達BBB后，致腦膜炎病原菌一般通過三種途徑突破血腦屏障，即跨細胞途徑(transcellular)、細胞旁路途經(paracellular)和木馬途徑(trojan-horse)[11]。在跨細胞途徑中，病原菌直接通過內化侵入和穿過腦微血管內皮細胞(brain microvascular endothelial cell, BMEC)，不破壞細胞間的緊密連接；細胞旁路途經則是通過破壞細胞間的連接以及誘導細胞損傷來實現的；木馬途徑主要借助于感染的吞噬細胞實現，見圖2。跨細胞途徑是絕大多數致腦膜炎病原菌突破BBB的常見方式[18]。當病原菌黏附到BMEC時會介導其在細胞中的內化，這一過程中病原菌會被細胞膜形成的膜結合液泡包裹，形成閉合的液泡并以該方式穿過BMEC單層細胞；在這一過程中病原菌既不會進入胞質，也不會在胞內增殖，同時也不會影響BMEC的可塑性和完整性以及BBB的滲透性[18, 23]。

炎癥反應是致腦膜炎病原菌感染過程中引起BBB通透性破壞的重要因素之一。在BM發生過程中，為了應對菌血癥(有時也會伴隨敗血癥性休克)和中樞神經系統感染，內皮細胞、小膠質細胞、星形膠質細胞、室管膜細胞甚至是巨噬細胞等會產生多種促炎因子如TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8的釋放，啟動炎癥級聯反應和免疫細胞招募，促進基質蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)產生；MMP的產生會降解細胞外基質，增加BBB的通透性，而炎癥級聯反應會促進內皮細胞表面的黏附分子如P-Selectin 和E-Selectin、細胞間黏附分子ICAM-1、血管細胞黏附蛋白VCAM-1 等表達，這些黏附分子會招募多種白細胞遷移并黏附到BMEC細胞，產生對BMEC的毒性并引起BMEC凋亡，導致BBB通透性改變和破壞，隨后多形核中性粒細胞(polymorphonuclear neutrophils, PMN)進入腦部，最終引起顱內壓升高、中樞炎癥風暴、神經元損傷以及中樞神經系統機能紊亂甚至死亡[18, 23]。此外，在急性腦膜炎病例中，腦血管內皮細胞還會產生內皮縮血管肽，內皮細胞和小膠質細胞還會產生活性氧(ROS)以及活性氮(RNS)，這些分子均能加重腦部血管的損傷[23]。

BM發生過程中促炎因子的釋放、炎癥級聯反應的啟動以及免疫細胞招募與多種信號通路如NF-κB信號、Toll樣受體信號(TLRs)、胞嘧啶結合寡聚結構域樣受體信號(NLRs)的激活有關，其中以NF-κB信號的激活尤為重要[6, 24]。已有研究發現，當致腦膜炎病原菌黏附到BMEC時，其某些毒力因子(如E. coli K1的IbeA蛋白和FimH蛋白等)與細胞膜上的受體蛋白結合后會激活IκB激酶(IKK)復合物(α/β/γ)。IKK反過來使NF-κB的抑制分子IκBα磷酸化，進而導致IκBα 和NF-κB 的分離并最終導致IκBα的降解。隨后，活化的NF-κB進入細胞核調控炎癥因子、免疫受體及細胞黏附分子等的表達和嗜中性粒細胞以及單核細胞的招募，進而引發BBB通透性破壞等一系列反應；病原菌黏附入侵BMEC、BMEC中NF-κB激活以及PMN穿過BBB被認為是BM發生的三個重要的標志性事件，其中NF-κB的激活與BBB的破壞及PMN突破BBB引起炎癥風暴直接相關[24]。

3 BM的診斷、預防及治療

BM作為一種需要被緊急救治的疾病，快速、準確的診斷和及時治療尤為重要[6]。臨床癥狀可以幫助診斷BM，但是最終結果應以實驗室診斷為準。不同年齡階段的患者可表現出不同的臨床癥狀。一般而言，新生兒患者多表現出食欲減退、狂躁易怒、肌張力過高或張力減退、呼吸困難等非典型癥狀；此外有40%以內的新生兒患者會出現發熱，而有35%以內的新生兒患者會出現癲癇。非新生兒患者則可表現為頭痛(83%)、頸部強直(74%)、發熱(74%患者體溫>38℃)、恐光、惡心及嘔吐等癥狀；部分成人患者還可見失語、輕偏癱、癲癇、腦神經麻痹等局部性神經癥狀。需要注意的是，瘀斑皮疹常被作為腦膜炎球菌感染的一個標志，但也可見于SP感染的病例中。

對于疑似BM患者應進行腰椎穿刺，收集腦脊液(CSF)標本進行實驗室檢測。50%～80%的患者也可通過血培養出病原菌。CSF中白細胞的數量以及蛋白和葡萄糖的含量均可以作為診斷BM的重要指標。一般而言，對于BM患者，其往往表現為腰椎穿刺時壓力升高，CSF白細胞計數>1 000個/μL、中性粒細胞計數增多、CSF中蛋白含量升高(>100 mg/dL)、葡萄糖含量下降(<30 mg/dL)[25]。需要注意的是，臨床上有大約0.2%的SP腦膜炎患者和10%的腦膜炎球菌感染者不會表現出CSF細胞增多[26]。因此，即便是對于白細胞計數正常的疑似患者，依然需要進行CSF細菌培養和CSF革蘭染色檢查。需要特別指出的是，臨床上還應注意BM和病毒性腦膜炎、結核性腦膜炎的鑒別診斷。

隨著分子生物技術的發展，近年來下一代測序技術(next-generation sequencing, NGS)也被應用于BM的快速診斷[27-29]。相對于傳統的診斷方法而言，NGS診斷具備更高的敏感性、準確性和診斷效率[30-31]。例如，在最近的一篇報道[27]中，NGS技術幫助1例臨床癥狀疑似結核性腦膜炎，但最終確診為LM感染的患者大大節約了診斷時間，為及時治療提供了保證。此外，NGS技術在快速診斷由新病原菌引起的腦膜炎病例以及開展病原菌溯源等方面也具備優勢。在一項報道中，利用NGS技術發現導致日本一家農場工人腦膜炎的鏈球菌2型ST28與分離自豬體的鏈球菌親緣關系較高，表明該型菌株可能來源于豬[29]。

對于確診患者應當及時給予抗菌藥物治療，但治療早期抗菌藥物的選擇應基于患者的年齡、臨床表現以及病原菌的藥敏試驗結果作出綜合判斷。在病原學未明確之前也可結合感染流行病學特點給予經驗性抗感染治療。不同感染病原菌BM患者抗菌藥物治療給藥方案推薦[6]見表1。另外，在使用抗菌藥物治療的過程中應充分考慮細菌的耐藥性問題，從而作出最佳的用藥方案。

表1 不同感染病原菌腦膜炎患者抗菌藥物治療給藥方案

除了抗菌藥物治療外，接種疫苗也是預防BM發生的有效方法。第一代腦膜炎球菌、SP以及Hib疫苗主要基于純化的莢膜多糖研發，這些疫苗在2歲以下幼兒中的效果有限。目前使用的商業化疫苗多為包含莢膜多糖和載體蛋白等多種成分的疫苗，這類蛋白-多糖疫苗能夠有效激發不同人群甚至是新生兒的T細胞免疫應答；此外，還有基于蛋白抗原的B群NM疫苗[15]。見表2。這些疫苗的擴大接種可有效降低BM在世界范圍內的發病率和病死率。

表2 用于預防主要致腦膜炎病原菌的疫苗

4 展望

BM依然是在世界范圍內流行并且具有較高病死率的傳染病之一，尤其是在非洲和亞洲等經濟落后的國家和地區，BM的流行和發病依然十分嚴重。提前預防、快速準確診斷和及時給予疑似或者確診BM患者合適的治療是有效降低該病發病率和病死率的關鍵。盡管現代醫學在針對BM的疫苗研發、科學管理和合理治療等方面已經取得了長足的進步，但是隨著細菌耐藥性的產生和廣泛傳播以及不斷有新血清群的致腦膜炎病原菌的發生與流行，研發新的治療型抗菌藥物以及開發新的疫苗在未來十分必要。此外，防控BM的流行還應加強醫療公共衛生領域的投入，提升醫療硬件設施和水平，同時也需要強化對公眾的公共衛生宣傳和教育培訓，使得傳染病防控的觀念深入人心。