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沙門氏菌血清分型及耐藥機制研究進展

2024-04-01 11:31:04王賢文趙麗媛張瑞雪鄒明邵長軍劉剛
山東農業科學 2024年1期

王賢文 趙麗媛 張瑞雪 鄒明 邵長軍 劉剛

摘要:沙門氏菌(Salmonella)是常見的能引起食源性疾病的人畜共患病原菌,其抗生素耐藥性已成為全球公共衛生安全面臨的主要挑戰之一,嚴重危害公共健康和食品安全。 文章重點闡述了近年來常見的沙門氏菌血清型及血清型分型技術研究進展,并對獸醫臨床主要抗菌劑的耐藥機制進行綜述,為進一步了解我國沙門氏菌優勢血清型及其對各類藥物的耐藥機制、降低細菌耐藥性的發生和傳播、預防食源性污染提供理論支撐,也為沙門氏菌感染溯源及防控提供參考。

關鍵詞:沙門氏菌;血清型;分型方法;耐藥機制

中圖分類號:S852.61文獻標識號:A文章編號:1001-4942(2024)01-0174-07

沙門氏菌(Salmonella)是造成傷寒、副傷寒等食源性疾病的重要人畜共患病原菌,為革蘭氏陰性兼性厭氧菌,隸屬腸桿菌科。 沙門氏菌傳播廣泛,是導致食源性疾病暴發的主要原因,嚴重危害人類和動物健康。 人、畜禽感染沙門氏菌后出現的癥狀有一定差異,從輕微的無癥狀定植到自限性腹瀉病,嚴重的可導致全身感染甚至死亡,這些癥狀的差異取決于所感染的血清型的毒力和宿主的免疫狀態[1] 。 如腸炎沙門氏菌(S. Enteritidis)等非傷寒血清型會引起動物胃腸炎,主要臨床癥狀為腹瀉,然而在某些情況下,非傷寒血清型也可能引發嚴重的系統感染,尤其是對免疫功能低下的群體,易引發敗血癥甚至死亡[2] 。 傷寒血清型,如傷寒沙門氏菌(S. Typhi)、副傷寒沙門氏菌(S. Paratyphi)和雞沙門氏菌(S. Gallinarum),通常會在特定宿主或免疫能力較弱的個體中引起傷寒,如果沒有得到適當的治療,其全身感染可能是致命的。

沙門氏菌可通過動物或動物性食品傳播,引起人類感染發病。 據統計,鼠傷寒沙門氏菌(S.Typhimurium)和腸炎沙門氏菌作為食源性病原體,每年導致全球約9 400 萬人胃腸炎發病,死亡人數達15.5 萬人[3-4] 。 此外,據報道,以人類為宿主的特異性傷寒沙門氏菌每年可導致全球超過20 萬人死亡[5] 。 沙門氏菌病不僅嚴重危害人畜健康,同時造成巨大的經濟損失。 研究表明,美國每年因沙門氏菌相關疾病造成的經濟損失約為25 億美元[6] ;在加拿大,由包括沙門氏菌感染在內的食源性疾病每年造成約37 億加元的損失[7] 。在我國,約有70% ~80%的細菌性食物中毒是由沙門氏菌引起,危害十分嚴重[8] 。 由于監測系統不完整,因人類和動物感染沙門氏菌造成的經濟損失可能更大,特別是在非洲和東南亞等發展中國家,嚴重威脅全球公共健康[9] 。

沙門氏菌血清型眾多,隨著抗菌藥物的廣泛使用,沙門氏菌耐藥問題日趨嚴重,越來越多的耐藥基因被發現,不同血清型的耐藥性也有所差異[10] 。 因此,確定沙門氏菌的血清型,研究其對常用抗菌藥物的耐藥機制,能夠有效地防治沙門氏菌引起的疾病、減少耐藥性的發生,從而保障畜產品安全。 本文對常見的沙門氏菌血清型、血清型分型方法及沙門氏菌的耐藥機制進行綜述,以期為臨床用藥及風險評估提供基礎數據,以減少耐藥性的產生,同時為食源性疾病的預防提供科學依據。

1 沙門氏菌常見血清型及其流行情況

迄今為止,根據沙門氏菌菌體抗原(O 抗原)和鞭毛抗原(H 抗原)的不同,全世界已經鑒定出2 600 多種血清型[11] 。 沙門氏菌具有宿主偏嗜性,只對其適應的宿主具有致病性的稱為宿主適應性血清型,例如雞白痢沙門氏菌(S. Pollorum)、豬傷寒沙門氏菌(S. Typhisuis)、馬流產沙門氏菌(S. abortus equi)等;對多種宿主具有致病性的稱為非宿主適應性血清型,包括鼠傷寒沙門氏菌、阿貢納沙門氏菌(S. Agona)、腸炎沙門氏菌等[12] 。不同血清型可引起人類或動物不同的疾病,許多血清型對人、家畜和家禽等多種動物均有致病性[13] ,其中以腸炎沙門氏菌、鼠傷寒沙門氏菌、德爾卑沙門氏菌(S. Derby)和嬰兒沙門氏菌(S. in ̄fantis)最常見。

1.1 腸炎沙門氏菌(S. Enteritidis)

在一項對全球動物性食品中沙門氏菌血清型分布情況的研究中發現,腸炎沙門氏菌在亞洲、歐洲、非洲、拉丁美洲最為流行[14] 。 在我國,腸炎沙門氏菌和鼠傷寒沙門氏菌是流行性最高的血清型,其中腸炎沙門氏菌也是中國禽肉中檢測到的主要血清型之一[15] 。 導致腸炎沙門氏菌流行傳播的因素眾多,主要感染源是家禽和家禽產品,有研究表明,受腸炎沙門氏菌污染的雞蛋是感染人類的最主要途徑[16] 。 當沙門氏菌呈暴發狀態時,未煮熟的雞蛋和生雞蛋是重要污染源。 腸炎沙門氏菌會引起人和多種動物腸道感染,尤其是鳥類[17] 。 腸炎沙門氏菌較難控制可能與其難以從家禽中檢測到有關,其高度暴發通常集中于兩周齡內的雛雞[18] ,大多成年雞呈無癥狀感染,病原體隨糞便排到環境中傳播給雞群造成廣泛感染。另外,雞蛋中的沙門氏菌需達到一定濃度才能被檢測到。 因此,腸炎沙門氏菌是造成商品雞和雞蛋污染的重要源頭,人在食用未煮熟的雞產品時,有被沙門氏菌感染的嚴重風險。

1.2 鼠傷寒沙門氏菌( S. Typhimurium) 及其變體

1,4,[5],12∶i ∶-(S. 1,4,[5],12∶i ∶-)鼠傷寒沙門氏菌是最常見的血清型之一,在中國和美國,一直被列為引起人類沙門氏菌病的五大血清型之一[19] 。 在歐洲,鼠傷寒沙門氏菌亦是人類、豬和豬肉產品中最常見的血清型。 其中,血清型1,4,[5],12∶i ∶-是鼠傷寒沙門氏菌近年新報道的血清型,在世界范圍內快速傳播,因其缺乏fljB 基因,從而導致第Ⅱ相鞭毛抗原蛋白不表達[20] ,已成為造成人類感染的最主要血清型之一。 在一項對歐盟幾個成員國的調查中發現,在確診的人類病例中檢測到的豬源性血清型中,最主要的就是鼠傷寒沙門氏菌及其變體1,4,[5],12 ∶i ∶-[21] 。

1.3 德爾卑沙門氏菌(S. Derby)

1923 年,德爾卑沙門氏菌首次在英國被發現,與一次豬肉相關的食源性疾病的暴發有關。20 世紀40 年代,德爾卑沙門氏菌開始在人身上分離到[22] 。 在歐洲26 個國家的豬源性沙門氏菌中,最主要的血清型除了鼠傷寒和腸炎沙門氏菌外,其次就是德爾卑沙門氏菌。 近年來,德爾卑沙門氏菌感染率不斷增長,有超過鼠傷寒沙門氏菌的趨勢,特別是在豬生產鏈的屠宰和銷售環節中,德爾卑沙門氏菌已成為優勢血清型之一[23] 。 在我國,德爾卑沙門氏菌也逐漸成為最優勢的血清型,豬感染德爾卑沙門氏菌后通常不表現臨床癥狀,往往以隱性感染混在豬群中[24-25] 。 當有其他病原菌存在時,通常會引起機體繼發感染,致使發病或死亡,給豬群造成嚴重威脅。 在導致禽副傷寒的沙門氏菌病中,最常見的血清型除鼠傷寒沙門氏菌外,也是德爾卑沙門氏菌。

1.4 嬰兒沙門氏菌(S. infantis)

在我國,關于嬰兒沙門氏菌的報道較少,但在歐洲國家,嬰兒沙門氏菌是僅次于腸炎沙門氏菌和鼠傷寒沙門氏菌的常見血清型之一[26] 。 在日本,感染嬰兒沙門氏菌的人數不斷增多,經調查發現,污染源很有可能與家禽及其產品有關[27] 。 在巴西,從家禽中分離到的沙門氏菌血清型中,嬰兒沙門氏菌排第二位[28] 。 隨著在家禽和人身上分離到的沙門氏菌不斷增多,嬰兒沙門氏菌的分離率也不斷增加,已成為人類沙門氏菌病的主要感染源之一。 因此,嬰兒沙門氏菌應該引起人們的關注。

2 沙門氏菌血清型分型方法

沙門氏菌不同血清型因遺傳結構、宿主類型存在一定差異,導致其流行特征、疾病的臨床癥狀、耐藥性以及治療方案也不同。 其血清型復雜多樣,與人類疾病類型密切相關,是沙門氏菌致病性及溯源分析的重要依據。 因此,正確鑒定沙門氏菌血清型對確定沙門氏菌病的感染源、控制其發病率具有重要意義。 現階段,常見的沙門氏菌血清分型技術主要有玻片凝集法、PCR/ Real-timePCR、液相芯片技術和全基因組測序等,為沙門氏菌的快速、準確分型提供了多種手段。

2.1 玻片凝集法

玻片凝集法是傳統的沙門氏菌血清型分型方法,通過細菌表面抗原與特定抗血清產生凝集反應來識別。 根據菌體抗原(O 抗原)、鞭毛抗原(H抗原)和莢膜抗原(Vi 抗原)的表達來定義血清型。 根據產生的凝集反應,參照血清分型序列表,通過常規公式來確定沙門氏菌的血清型,該公式的組成包括由冒號分隔的抗原O、H1 和H2 的順序列表[29] 。 目前沙門氏菌包括46 種O 抗原和114 種H 抗原[30] 。 編碼O 抗原的基因包括表面抗原合成基因rfb 基因簇、抗原轉位酶編碼基因wzx 和抗原聚合酶基因wzy。 編碼H 抗原的基因包括一相鞭毛基因fliC 和二相鞭毛基因fljB,大多數沙門氏菌均表達兩種H 抗原。 玻片凝集法因其結果直觀、準確性高,一直被認為是沙門氏菌血清分型的金標準,但缺點是工作量大、耗時長、價格昂貴,需準備上百種抗原依次進行反應,且基本上無法鑒定出所有的血清型[8] 。

2.2 PCR/ Real-time PCR

利用分子檢測技術可彌補傳統血清型檢測時間較長的不足,PCR 和Real-time PCR 是目前常用的沙門氏菌血清分型方法,該方法通過篩選基因靶點并設計引物,以分離純化的細菌DNA 為模板進行目的基因擴增,具有較高的敏感度和特異性。 根據編碼不同沙門氏菌O 抗原rfb 基因簇的差異性,建立了沙門氏菌血清型多重PCR 鑒定方法,將沙門氏菌血清型分為A—D 組[31] 。 除此之外,Tennant[32] 、劉華偉[33] 等還建立了以H 抗原為靶點的PCR 方法來進行多種沙門氏菌血清型的分型。

熒光定量PCR(Real-time PCR)是美國PE(Perkin Elmer)公司1995 年研制出來的一種新的核酸定量技術,在常規PCR 基礎上加入熒光標記探針實現由定性到定量的分析,特異性更強、自動化程度更高、結果更直觀。 Naberhaus 等[34] 以基因fliA、fljB 和invA 等為靶標基因開發了一套多重熒光定量PCR 方法,可快速區分致病性較高的沙門氏菌血清型(S. Typhimurium 和S. 4,[5],12∶i ∶-)與致病性較低的沙門氏菌血清型(S. Agona 和S.Derby)。 多重熒光定量PCR 可快速確定沙門氏菌的血清型,根據所使用的熒光PCR 儀的通道數量實現一管雙檢或多檢。

2.3 液相芯片技術

Luminex 液相懸浮芯片技術以微球檢測原理為依據,通過采用帶有熒光編碼的聚苯乙烯微球、表面包被針對目的物的特異性抗體進行檢測。 當其與待檢樣本預混孵育時,目標物可被生物素標記的特異性檢測抗體識別,通過檢測微球的顏色來確定反應類型,并對微球進行檢測和定量分析。該方法整合了多重PCR、磁珠分選、血清學分析等多項技術,是具備高通量、高速度、高靈活性的沙門氏菌血清型檢測技術。 有研究證實[35] ,Lu ̄minex 對沙門氏菌血清型的檢出率可達96%以上,即使在菌株的抗原和基因缺失的情況下,也可鑒定出其血清型。 Fitzgerald 等[36] 報道了一種基于微珠的多重懸浮陣列檢測方法,并用于美國6種最常見血清群(B、C1、C2、D、E 和O13)以及副傷寒A 型血清型的鑒別。 該方法利用參與O 抗原生物合成的rfb 基因靶點設計PCR 引物和探針,可以高通量快速檢測常見的沙門氏菌血清群,與傳統的PCR 相比,更簡便、快速,可用于批量檢測。 在疫病暴發時,可在短時間內快速獲得檢測結果以應對突發的疫情。 Luminex 液相懸浮芯片技術在沙門氏菌血清型鑒定中起著重要作用,被廣泛應用于基礎和臨床研究[37] 。

2.4 全基因組測序

隨著基因測序技術的不斷發展,全基因組測序(WGS) 成為沙門氏菌血清分型的新型方法。生物信息學和比較基因組學的不斷開發,使得序列組裝和數據分析日益便捷,測序成本也隨之下降。 因WGS 有著超高的基因組分辨率,通常用來研究菌株之間的遺傳進化關系,在進行沙門氏菌血清分型時,只需將高通量基因組測序數據導入專有的血清型數據庫與之進行比對,即可獲得被測樣品的血清型信息。 目前,基于WGS 的血清型預測工具主要有SeqSero、SeqSero2 和SISTR 3 種。研究表明,利用SISTR 預測沙門氏菌血清型準確度高達94%, 高于SeqSero2 ( 87%) 和SeqSero(81%)[38] 。 這種快速高效的方法,有著傳統分型方法不可比擬的優勢,正逐漸成為在實驗室進行沙門氏菌血清分型的重要手段,很有可能將逐步替代傳統的血清分型方法。

3 沙門氏菌耐藥機制

沙門氏菌的預防和治療主要依賴于抗菌藥物,但抗菌藥物的頻繁使用,導致了沙門氏菌耐藥性的持續上升,多重耐藥菌株不斷出現。 目前,細菌耐藥性已經成為全球共同關注的問題,嚴重威脅人類和動物健康, 并造成了巨大的經濟損失[39] 。 多重耐藥的出現限制了治療中抗菌藥物的選擇,若再不加以制止,隨著細菌耐藥性的持續加重,人類將進入“后抗生素時代”。 動物生產中抗生素的過度使用,是導致食源性病原體耐藥性增加的重要原因。 抗生素耐藥性可在菌株之間通過質粒、轉座子和基因盒等可移動遺傳元件廣泛傳播[40] 。 動物生產和人類醫學中使用的抗菌劑非常相似[41] ,而耐藥菌株又可沿著“農場-餐桌”鏈傳遞給人類,因此細菌耐藥性的傳播正威脅公共衛生的安全。 沙門氏菌對不同類型抗菌素的耐藥機制不同,主要的耐藥機制包括酶解作用、外排泵、基因突變和生物膜改變等。

3.1 β-內酰胺類藥物

近年來,不斷從畜禽養殖場和動物產品中檢出對第三代和第四代β-內酰胺類藥物的抗性基因,特別值得關注的是第四代β-內酰胺類抗生素,它是人類醫學中至關重要的抗生素。 β-內酰胺酶(ESBLs)的產生是革蘭陰性菌對β-內酰胺類藥物產生抗性的主要機制。 ESBLs 能夠水解青霉素、頭孢菌素,由位于細菌染色體或移動遺傳元件(如質粒、轉座子或整合子)上的基因編碼,這些可移動遺傳元件可在菌株間水平轉移,主要產生由blaSHV,blaTEM,blaCTX,blaCMY 和blaOXA基因介導的沙門氏菌耐藥性。 迄今為止,沙門氏菌中已經檢出至少13 種不同類型的ESABLs 耐藥基因,包括blaSHV,blaTEM,blaCTX -M,blaC ̄MY, blaPSE, blaOXA, blaPER, blaACC, blaDHA,blaKPC,blaSCO,blaNDM 和blaVIM[42] 。 其中,bla ̄TEM 和blaCTX-M 已經在1,4,[5],12∶i ∶-分離株中檢測到[43] 。 對從養殖動物、動物產品和人類中獲得的沙門氏菌的抗性基因進行遺傳分析發現,它們之間存在著高度相似的遺傳特征[33] ,證實了ESBLs 編碼基因、移動遺傳元件和抗性菌株可通過食物鏈傳播給人類。

3.2 氨基糖苷類藥物

氨基糖苷類藥物的耐藥機制有多種,包括藥物積聚減少、核糖體結合位點改變、酶促滅活等。沙門氏菌對于氨基糖苷類藥物的耐藥性主要取決于酰轉移酶(AAC)、腺苷酸轉移酶(ANT)和磷酸轉移酶(APH),它們可導致藥物的酶促失活或修飾[44] 。 報道最多的基因主要是aad 和ant,它們是決定鏈霉素、卡那霉素和阿米卡星抗性的基因,通常位于可移動的遺傳元件(質粒和轉座子)上,因此能夠在細菌之間傳播。 目前,導致沙門氏菌對鏈霉素和壯觀霉素等氨基糖苷類抗生素產生抗性的基因主要涉及10 種氨基葡糖苷腺苷轉移酶基因aadA,包括addA1、addA2、addA5、addA6、ad ̄dA7、addA12、addA21、addA22、addA23、addA24、ad ̄dA26 和addA27[45] 。 其中,addA2 已在鼠傷寒沙門氏菌血清型1,4,[5],12∶i ∶-中被檢測到。 此外,鏈霉素磷酸轉移酶基因strA 和strB 也經常在S. 1,4,[5],12∶i ∶-的染色體DNA 或質粒中被發現[46] 。 氨基糖苷類藥物的另一種耐藥機制是通過16S rRNA A 位點上特定核苷酸的酶促甲基化對核糖體的保護,從而阻止藥物與30s 核糖體亞基的結合[47] 。 16S rRNA 甲基化酶包括armA、rm ̄tA、rmtB、rmtC、rmtD 和npmA,它們可賦予宿主對氨基糖苷類藥物高水平的抗性[48] 。

3.3 四環素

四環素是廣譜抗生素,這類藥物的耐藥機制主要是主動外排和核糖體結合位點的改變。 主動外排主要依賴于從細菌細胞內部去除抗生素的泵,編碼沙門氏菌外排泵的遺傳決定因素主要是tetA、tetB、tetC、tetD 和tetG[49] 。 核糖體結合位點的改變主要通過阻止tRNA 與30S 核糖體亞基的A位點結合并抑制蛋白質合成來發揮作用。 其抗性基因位于質粒和染色體上,由于它們位于可移動的遺傳元件中,很容易在菌株之間傳播。

3.4 磺胺類藥物

磺胺類藥物是第一類以治療劑量用于獸醫學的藥物,其過度使用對細菌造成了廣泛的選擇壓力[50] 。 沙門氏菌對該類藥物的耐藥性由質粒傳播的sul 基因介導,這類基因主要編碼目標酶(二氫蝶呤合酶或二氫葉酸還原酶)基因的突變或修飾。 到目前為止,已鑒定出的磺胺類耐藥基因有sul1、sul2 和sul3 和sul4[51] 。 磺胺類藥物與甲氧芐啶合用時具有殺菌的作用。 甲氧芐啶通過與細菌中必需葉酸途徑的底物競爭并抑制二氫葉酸還原酶起作用,其抗藥性則是由編碼對其不敏感的二氫葉酸還原酶變體的基因(dfr)介導的,此抗性基因可分為dfrA 和dfrB 兩類,可使細菌對甲氧芐啶的親和力降低,導致葉酸的合成。

3.5 喹諾酮類藥物

沙門氏菌對喹諾酮類藥物的耐藥性尤其令人擔憂,此類藥物在人醫臨床上可用來治療那些危及生命的多重耐藥性沙門氏菌的感染,而這類抗生素的濫用導致耐該類藥物的沙門氏菌不斷出現,使得對人和動物的沙門氏菌病的治療愈加困難。 喹諾酮類藥物的耐藥機制與喹諾酮類耐藥決定區(QRDR)的點突變有關,突變引起修飾靶標旋轉酶( gyrA, gyrB) 和拓撲異構酶IV ( parC,parE)的氨基酸取代,并使它們較不易受喹諾酮結合的影響,因此能夠賦予對喹諾酮類的高水平抗性[52] 。 另外,由質粒介導的喹諾酮類耐藥基因(PMQR)(qnrA、qnrB、qnrC、qnrD 和qnrS)也不斷被檢出,但PMQR 元件僅賦予喹諾酮類低水平抗性[53] 。

3.6 粘菌素

粘菌素是人類治療耐多藥革蘭氏陰性菌的最后一種抗菌劑,被稱為抗微生物藥物治療的最后手段。 畜牧業中粘菌素的過度使用增加了抗菌素耐藥性的選擇壓力,導致質粒介導的粘菌素耐藥性基因mcr 的出現,mcr 基因位于質粒DNA 的移動遺傳元件上,所以具有快速水平傳播的能力,攜帶mcr 的陽性沙門氏菌菌株目前在全球范圍內占主導地位[54] 。 沙門氏菌對粘菌素的耐藥性由mcr基因介導,由mcr 基因編碼的磷酸乙醇胺轉移酶能夠催化磷酸乙醇胺與脂質A 的磷酸基團結合,從而減少了粘菌素的結合位點[55] 。 現如今仍缺乏有效的能對抗沙門氏菌的新型藥物,因此需要重視粘菌素耐藥性的快速傳播對動物和人類健康的影響。

4 展望

目前,全球已有多個國家建立了細菌耐藥監測系統,用以追蹤沙門氏菌的污染并阻止相關疫病的傳播。 精準的沙門氏菌血清型鑒定是確定沙門氏菌病發展趨勢、預測潛在暴發的重要方法,每種分型技術都有其優勢與不足,通過不同分型方法的有效組合,能夠達到更為理想的分型效果。因此,實際應用中應根據菌株特性、分型目的等選擇合理的分型方案。 近年來,抗生素的不合理使用導致細菌耐藥現象日趨嚴重,耐藥機制也趨于復雜,多重耐藥性對人和動物產生了嚴重的威脅。沙門氏菌的抗性基因通常位于可移動遺傳元件(整合子、轉座子、插入序列),促進了其抗性決定簇的快速傳播,使得對其耐藥性機制研究和對抗菌藥物的敏感性監測變得尤為重要。 因此,需要持續地了解耐藥菌株的進化機制和耐藥情況,uir?b/g_提前建立防控策略及合理的用藥方案,以降低細菌耐藥性的風險,減少公共衛生問題的發生。

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