金黃色葡萄球菌的致病機制

孫建林，呂新翔

(內蒙古醫科大學附屬醫院皮膚科，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，可引起人和動物的多種感染和疾病，包括皮膚感染、肺炎、感染性關節炎、心內膜炎、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年報告MRSA以來，這種菌株的發病率已經蔓延到世界各地。MRSA的流行病學具有遺傳多樣性，其主要特征是連續出現流行毒株。雖然近年來MRSA在一些地區的發病率有所下降，但其整體發病率和死亡率一直居高不下，仍對臨床構成巨大威脅[1]。研究表明，與配對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生存，需要產生不同的毒力因子，如與運動、黏附、毒素分泌和宿主防御逃避有關的基因產物[3]。一直以來，抗生素是對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致了耐藥細菌的出現、流行和蔓延。事實上，MRSA、萬古霉素耐藥金黃色葡萄球菌和達托霉素耐藥金黃色葡萄球菌分別在甲氧西林、萬古霉素和達托霉素臨床應用后的短時間內被報道。目前被廣泛報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、光動力療法、噬菌體療法和疫苗等[4]。可見，干擾細菌毒力可能使宿主免疫系統抑制細菌入侵，從而減輕損傷。現對金黃色葡萄球菌常見的幾種毒力因子進行綜述，以為今后臨床治療相關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生大量毒力因子的能力，這些毒力因子有助于細菌黏附、營養獲取和宿主免疫逃逸[5]。這些因子包括結構成分(膠原、纖維蛋白原、彈性蛋白結合蛋白、青霉素結合蛋白、磷壁酸、蛋白質α，β-內酰胺酶、蛋白酶、黏液)、酶(凝固酶、葡萄激酶、DNA、磷酸酶、脂肪酶、磷脂酶、透明質酸酶)和毒素[殺白細胞素、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，并持續存在于宿主體內，導致危及生命的感染[6]。因此，分析金黃色葡萄球菌毒力基因譜對預測感染有重要意義。

2 致病機制

2.1殺白細胞素 殺白細胞素是一種成孔的雙組分毒素，專門攻擊免疫細胞。目前有7種不同類型的殺白細胞素，其中潘頓-瓦倫丁殺白細胞素(Panton-Valentine leukocidin,PVL)是對免疫細胞作用最強的毒素，其他細胞毒素，如LukPQ和LukMF′也很重要，但只對有限的宿主物種有效，包括反芻動物。PVL由2個相鄰和共轉錄的基因(Luks-PV和LukF-PV)編碼。PVL是協同膜親和性毒素家族中的一員，能在細胞膜上誘導孔隙形成。它存在于大多數社區相關的MRSA分離株中，在醫院分離株中很少出現，因此被認為是社區獲得性菌株的標志。流行病學數據表明，社區獲得性MRSA的高毒力與PVL基因有關[7]，但PVL與發病相關的直接證據有限。

第1例PVL陽性的MRSA于1990年末被發現，這些菌株在近年已經遍布全球。PVL通過壞死、加速多形核細胞、單核細胞的凋亡和破壞增加金黃色葡萄球菌的致病性，從而導致發病和死亡[8]。然而，關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議。

來自不同國家的報告顯示，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%)；世界其他地區報告的PVL患病率較低(法國5%、英國4.9%、沙特阿拉伯8.1%、孟加拉國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，了解其地區分布特點對防治感染意義重大。

2.2SEs SEs是引起人類食物中毒的主要原因，包括5種經典血清學類型(SEA、SEB、SEC、SED和SEE)。據報道，這些經典的SEs導致葡萄球菌食物中毒發生率高達95%。在過去的20年中，已經報道了新型的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，如過敏、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，是強大的非特異性T細胞刺激物，可引起免疫反應不受調控的激活。如果這種刺激持續，將產生大量的細胞因子超負荷，這是TSS的臨床標志，其特征是迅速發熱、器官衰竭和死亡率高。與金黃色葡萄球菌產生的其他大多數分泌毒素不同，SEs僅需微量即可對人體產生毒性。此外，SEs對極端變性條件(如低pH值、加熱和蛋白水解消化)具有顯著的耐受性[12]。

除了對宿主的毒性作用外，SEs還是一種強烈的誘發嘔吐的毒素。有關產腸毒素金黃色葡萄球菌參與葡萄球菌食物中毒的報道可以追溯到20世紀初。然而，直到20世紀30年代，才將兩者聯系起來。在健康人群中，葡萄球菌食物中毒是一種急性發作的疾病，主要表現為惡心、嘔吐、腹部痙攣、腹瀉等，通常在攝入被產生腸毒素的金黃色葡萄球菌污染的食物后3～9 h出現。葡萄球菌食物中毒通常是自限性的，癥狀發作后1～3 d即可恢復。但在年輕人、老年人和免疫力低下的患者中癥狀可能更嚴重。SEs能夠穿越腸道內的酸性環境到達腸道，表明在沒有活細菌的情況下，也可以發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-溶血性鏈球菌產生的蛋白質大家族[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，具有極強的耐熱、耐酸、耐蛋白水解、耐干燥等特性。這個家族產生的毒素能夠觸發過度和異常的T細胞激活和細胞因子的釋放，從而系統地干擾免疫系統的功能。超抗原的生物毒性使它們成為導致危及生命感染的關鍵因素。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、休克和多個器官系統的功能障礙。據報道，TSS主要發生在月經期的年輕女性，而TSST-1是幾乎所有經期TSS病例的主要致病因子[16]，這可能是由其獨特的穿越陰道黏膜表面的能力決定。

20世紀80年代初，tst基因被發現在枯草芽孢桿菌中克隆和表達，并被證實與家兔的TSS有關，提示 tst基因在TSS的發病機制中起重要作用[17]。TSST-1能夠增強內毒素誘導的金黃色葡萄球菌休克和免疫抑制反應。研究發現，TSST-1在金黃色葡萄球菌感染性心內膜炎發病過程中對細胞結合和分泌的內皮細胞活化標志物具有差異性調節作用，可能導致天然免疫應答失調，提示TSST-1在金黃色葡萄球菌感染性心內膜炎發病機制中起重要作用[18]。然而，金黃色葡萄球菌TSS的發病機制尚不清楚。

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，通過最初與靶細胞膜的結合而導致細胞損傷[19]。其中，α溶血素(Hla)是金黃色葡萄球菌常見的分泌型毒力蛋白，是一種能破壞紅細胞、血小板等宿主細胞膜的致孔毒素，這會導致細胞溶解，然后導致溶血[20]。Hla在各種動物模型中對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。體外實驗表明，Hla對許多哺乳動物細胞(包括紅細胞、血小板)均有毒性。該毒素以水溶性單體的形式與易感靶細胞接觸時，會形成跨膜穩定的七聚體通道，導致宿主細胞裂解或死亡[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，與宿主表皮角質形成細胞之間連接的裂解和細胞與細胞的黏附有關，可導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，沒有發現與人類疾病相關。脫落毒素D于2002年從金黃色葡萄球菌的臨床樣本中發現[22]。這些脫落毒素由大約5%的金黃色葡萄球菌菌株產生，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。某些金黃色葡萄球菌脫落毒素的產生與局部表皮感染(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[23]。

然而，有研究報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。值得注意的是，以前在與綿羊輕度乳腺炎相關的金黃色葡萄球菌菌株中發現了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志。它是否以及如何為金黃色葡萄球菌在乳房內的定植和滯留提供選擇優勢仍有待闡明[24]，但這可能對乳腺炎的診斷和控制有重要價值。

2.6生物膜 生物膜被定義為附著在表面上的細菌細胞的有序組合，并嵌入由DNA、多糖和(或)蛋白質組成的細胞外基質中，這種基質提供了一種保護性的物理屏障，以抵御環境條件的劇烈變化[25]。葡萄球菌生物膜出現在植入式醫療設備(導管、假肢關節、植入物等)上，也出現在慢性傷口、心內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育經歷了附著、積累和擴散3個階段。生物膜的形成始于金黃色葡萄球菌細胞最初附著在未涂層的或血漿和宿主細胞外基質蛋白涂層的導管和生物膜樣組織上，隨后形成細菌聚集體[27]。生物膜多層結構的發展需要增殖細胞通過產生細胞外基質進行細胞間聚集。一般來說，金黃色葡萄球菌中的細胞外基質由多糖、磷壁酸、環境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存在的單個成分的數量有所不同[28]。最終，當生物膜足夠成熟時，被困在生物膜結構中的細菌可以在特定條件下釋放和擴散，如壓力因素的減少。因此，新的游離細菌能夠在新的表面上定植，以發現新的營養物質，如通過造血的方式。而被稱為群體感應的細菌通信模式對于實現這一步尤為重要。金黃色葡萄球菌中最著名的群體感應系統是Agr(輔助基因調節器)。它的調節以細胞密度為基礎，根據生物膜的狀態，控制細胞表面蛋白、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菌擴散[29]。生物膜對宿主免疫系統和抗生素具有抵抗力，導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被稱為“識別黏附基質分子的微生物表面成分”，介導細菌在宿主細胞中的定植、入侵和繁殖。凝集因子是識別黏附基質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已被證明在嚴重的血液感染中起重要作用。凝集因子A可特異性結合纖維蛋白原，并促進細菌對纖維蛋白原的黏附和細菌聚集，這兩個都是金黃色葡萄球菌血流感染發生的關鍵特征[30]。凝集因子A通過與損傷部位的纖維蛋白或纖維蛋白原結合，或涂覆在留置裝置上，可以促進細菌定植和細菌聚集，進而增強細菌的侵襲性。據報道，凝集因子A也會損害調理吞噬作用所需的補體沉積[31]。

2.8纖維連接蛋白結合蛋白(fibronectin-binding proteins,FnBPs) 金黃色葡萄球菌的致病機制還與表面FnBPs的表達有關。金黃色葡萄球菌有2個主要的FnBPs：FnBPA和FnBPB，它們分別由2個緊密連鎖的基因fnbA和fnbB編碼。金黃色葡萄球菌菌株均含有至少1個fnb基因，而許多菌株有2個fnb基因[32]。其中，FnBPA蛋白廣泛存在于體液、血液凝塊和細胞外基質中，其主要功能與大多數真核細胞蛋白介導的黏附能力有關，但它也與金黃色葡萄球菌細胞結合，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展邁出了關鍵的一步。

3 小 結

目前，傳統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，這些抗生素的長期使用增加了細菌的生存壓力，導致抗藥性細菌變種的選擇和存活，抗生素對耐藥細菌感染的療效降低，甚至沒有效果。因此，通過了解金黃色葡萄球菌的致病機制，分析常見的毒力因子，可為將來針對基因靶點預防及治療金黃色葡萄球菌感染提供可能，這對于指導臨床醫師合理用藥，進一步減少耐藥菌株的產生起著至關重要的作用。