比较传染病学——细菌性疾病

**章比较细菌传染病研究的医学意义 传染病是全球人类健康的重要威胁，平均每8个月就有新的传染病流行。过去，新发传染病多为细菌性疾病，如鼠疫、布鲁氏菌病、链球菌病等，近年来，新发传染病多为病毒性疾病，如严重急性呼吸综合征（severe acute respiratory syndrome，SARS）、流感、寨卡病毒感染等肆虐。随着社会的发展、技术的进步和人类活动范围的扩大，重大及新发再发传染病将是未来生物安全的重要威胁。 传染病的特性之一是由明确的病原感染引起发病致病，*常见的是细菌和病毒，其中致病细菌多数可以在人和动物间传播，通过动物实验进行替代研究，可以为医学研究提供有力的支持。医学上许多重大的发现均和动物实验紧密相关，如传染病病原发现、预防接种、抗生素发现等都离不开动物实验。1878年，德国科学家罗伯特 科赫（Robert Koch）通过对牛、羊疾病进行研究，发现了结核分枝杆菌（简称结核菌），指出了细菌与疾病的关系。1880年，法国微生物学家路易斯 巴斯德（Louis Pasteur）在家禽霍乱病的研究中首先用人工致弱的巴氏杆菌制造出禽霍乱疫苗，到1885年他又成功地研制出狂犬病弱毒疫苗，开辟了感染与免疫研究的新领域。 然而，动物实验与人类的临床试验还是有差异的。例如，MVA85A疫苗是一种表达分枝杆菌抗原85A的重组安卡拉病毒载体疫苗，是近年来*受瞩目的新型结核疫苗之一。利用动物模型研究证实该疫苗有良好的免疫保护作用，结果表明MVA85A疫苗在免疫功能健全者体内可诱导显著、持久的Th1细胞免疫反应，但是该疫苗不能在婴儿体内发挥有效的免疫保护作用，因此该研究认为，MVA85A疫苗不能加强卡介苗（bacillus Calmette-Guerin，BCG）的出生免疫对婴儿抵御结核病的能力。该研究的失败证明，从动物模型到成年感染者，MVA85A疫苗均可表现出较好的免疫保护力，但是对于婴幼儿，不能发挥有效的免疫保护力，说明婴儿与成年人有差异，也与动物模型存在种属差异有关。 另外一个著名的事件是药物TGN1412对类风湿性关节炎和多发性硬化等自身免疫性疾病及白血病的治疗，2006年3月13日，8名健康志愿者在伦敦NorthwickPark医院接受TGN1412药物的I期临床试验。结果发现：6名接受药物注射的志愿者在药物注射后90min内都出现严重的全身炎症反应，在输注药物后12～16h病情加重，出现多器官功能衰竭和弥散性血管内凝血，因而全部被转入重症监护病房（ICU）接受治疗。在接受药物注射的2h内，志愿者出现了意想不到的淋巴细胞和单核细胞耗竭。经抢救，6名志愿者无一例死亡，但反应*严重的病例，在ICU治疗3个多月后，因药物不良反应，脚趾和手指缺血坏死，从而接受全部足趾切除术和3个手指部分切除术。安慰剂组的2名志愿者没有出现任何不良反应。 经调查，TGN1412药物在生产、储存等过程中不存在任何问题。血清检测发现，志愿者在用药后1～4h，多种促炎性细胞因子水平显著上升。所有志愿者的外周血淋巴细胞在用药后8～16h几乎耗竭，这是典型的细胞因子释放综合征。随后来自英国的帝国理工医学院、伦敦国王学院和Babraham研究所的学者报道，人体的记忆T细胞可能是TGN1412药物I期临床试验出现悲剧的原因。大约50%的人体T淋巴细胞是记忆细胞，即它们在人的一生中因感染和疾病等因素曾经被激活。然而动物模型，如用于药物TGN1412临床前研究的动物，没有这么多数量的记忆T细胞，这是因为为了预防感染，这些动物一直被置于无菌环境下饲养。CD28是激发T淋巴细胞反应的重要分子，而药物TGN1412就具有强烈激发CD28的能力。研究者将由表面分子CD28激活的记忆T细胞注射到健康小鼠体内，这些细胞马上从血液游走到多个器官，包括肾、心脏和肠道，导致这些组织发生损伤。而在未感染的情况下，这些细胞不应该出现于这些部位。 以上的事例提示，细菌感染性动物模型研究与临床研究存在差异。动物模型研究与临床研究存在差异的主要原因：①物种差异，相同的病原菌感染后宿主的疾病表现、病变特征等会有差异。如果不重视这种差异，直接将动物实验的结果类推到人类身上，会导致临床研究的失败。通过比较动物模型和人类疾病的特点，可以总结出两者之间的异同点，相同点可以类推该疾病在人群中的特点，而相异点可提示物种间差异对发病有影响，以便研究疾病机制，同时，认识到相异点对于提高抗菌药物和疫苗研究的临床转化率有帮助。②动物实验的结论是在特定条件下获得的，所得到的结果和结论是有限条件下的结论，不能盲目类推到人类，否则，临床前研究结果很难在临床试验中重现。③动物实验多为单因素作用研究，干预因素可能在某些方面对模型动物有积极作用，但是也常常造成其他严重损害，因此特定的动物实验只关注单因素对动物的特定影响，而人群中临床试验多为复杂因素研究，影响也会涉及多方面。 因此，比较传染病学中的细菌性疾病研究显得很有意义。比较传染病学中细菌性传染病学与常规的传染病学中病原菌学的研究内容不同，病原菌学主要关注病原本身的生物学特性及致病特性等，即使涉及病原与宿主间相互作用，也多从细胞和分子水平上去阐述机制。比较传染病学中细菌性疾病学亦不同于人兽共患病学，人兽共患病学主要关注人与动物之间的传播致病问题。比较传染病学中细菌疾病学主要对细菌感染的动物模型和对应的患者进行多方面的比较，包括从病原的角度和宿主的角度比较分析疾病的特点，形成比较医学的新知识体系。从病原学、宿主易感基因、临床表现、病理学、免疫学、影像学等方面，比较同一疾病的不同动物模型之间以及动物模型与人类相应疾病之间的异同，总结动物模型的特点和病变规律，用于指导疾病机制、药物和疫苗评价研究。 第二章细菌性传染病概论 **节细菌的分类 细菌分类学是一个古老的学科，细菌的分类原则上分为传统分类和系统发育分类两种。前者以细菌的生物学性状为依据，后者以细菌的发育进化关系为基础。具体的细菌鉴定和分类方法包括表型分类、分析分类和基因型分类。基于16SrRNA序列分析，将微生物分为古生菌、细菌和真核生物三个域，其中古生菌和细菌为原核生物。医学相关的常见重要细菌如表2-1所示。 细菌学分类中常用的层次是属和种。种是分类的基本单位，同一菌种的细菌在某些方面存在较明显差异称亚种，差异小的称为型。如按抗原结构不同可分为不同血清型（serotype），如按对噬菌体和细菌素敏感性不同可分为不同噬菌体型（phage-type）和细菌素型（bacteriocin-type），如按生化反应和其他性状不同可分为不同生物型（biotype）。 不同来源的同一菌种的细菌称为菌株（strain）。具有某种细菌典型特征的菌株称为标准菌株（standard strain）或模式菌株（typestrain）。 第二节细菌的致病作用 细菌对宿主的感染致病能力称为致病性（pathogenicity）。细菌致病性的强弱程度一般用毒力表示，常采用半数致死剂量（median lethal dose，LD5。）作为衡量毒力的指标。半数致死剂量指在一定条件下能引起50%实验动物死亡的微生物数量或毒素剂量。微生物毒力越强，LD5。数值越低。细菌的致病性是相对宿主而言的，与细菌本身的毒力、侵入数量、侵入部位及机体免疫水平密切相关。一种细菌在某种宿主体内可能是强致病性的，但在另一种宿主体内则可能是弱致病性甚至是无致病性的。 病原菌的毒力由多种基因决定，这些致病性相关基因在基因组内可能是散在存在的，也可能是成簇存在的。成簇存在的毒力基因称为致病岛或毒力岛（pathogenicity island）。毒力岛的GC平均含量往往偏离细菌基因组的平均GC含量。 一、细菌的侵袭力 侵袭力（invasiveness）是指致病菌突破宿主皮肤、黏膜等生理屏障进入机体并在体内定植和播散的能力。细菌的侵袭力包括黏附、定植和产生侵袭性相关物质的能力。与侵袭力相关的物质主要有黏附素、荚膜、侵袭性酶类、侵袭素和细菌生物膜等。 1.黏附素 细菌首先要黏附并定植在宿主皮肤、黏膜上皮细胞表面等后才能侵入机体。这一过程包括两个必要条件，即黏附素（adhesm）和宿主细胞表面的相应受体。黏附素可分为菌毛黏附素和非菌毛黏附素两大类。菌毛黏附素存在于细菌菌毛顶端，如大肠杆菌的菌毛黏附素和淋病奈瑟菌的菌毛黏附素。非菌毛黏附素存在于菌毛之外，如鼠疫耶尔森菌的外膜蛋白、A群链球菌细胞壁的脂磷壁酸（LTA）-M蛋白复合物及F蛋白、肺炎支原体的P1蛋白等。 黏附素能与宿主细胞表面的相关受体发生特异性结合，介导细菌进入宿主组织细胞中生长繁殖，形成细菌群体，这称为定植（colonization）。黏附素的受体多为靶细胞表面的糖类或糖蛋白。例如，大肠杆菌I型菌毛黏附素的受体是肠黏膜上皮细胞表面的一种D-甘露糖；衣原体的表面凝集素的受体是靶细胞的一种#-乙酰葡糖胺。细菌的黏附作用与其致病性密切相关。 2.荚膜 荚膜具有抗宿主吞噬细胞和体液中杀菌物质的作用，有利于病原菌在体内的存活、繁殖和播散。荚膜在细菌的免疫逃逸过程中起着重要作用。此外，A群链球菌的M蛋白、伤寒沙门菌的Vi抗原及大肠杆菌的K抗原等位于细胞壁外层结构，称为微荚膜，作用类似于荚膜。 3.侵袭性酶类 许多在组织中繁殖的细菌可释放侵袭性胞外酶，有利于提高病原菌的抗吞噬作用及促进其向周围组织扩散。例如，致病性葡萄球菌凝固酶能使血浆中的可溶性纤维蛋白原转变为固态的纤维蛋白包绕在菌体表面，有利于抵抗宿主吞噬细胞的吞噬。A群链球菌产生的透明质酸酶可分解细胞间质的透明质酸，有利于细菌及其毒素的扩散。淋病奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌、血链球菌、口腔链球菌、流感嗜血杆菌等可产生sIgA蛋白酶，以分解免疫球蛋白IgA，破坏黏膜的特异性防御功能。 4.侵袭素 细菌的黏附是感染过程的**步，有些细菌只需定植在组织细胞表面即可引起局部感染，而有些细菌还会侵入细胞内繁殖并播散到其他组织器官引起侵袭性感染。细菌的这一侵袭能力受侵袭基因所控制，可产生侵袭素介导细菌侵入邻近的上皮细胞尤其是黏膜上皮细胞内。常见的具有侵袭能力的病原菌包括鼠伤寒沙门菌、福氏志贺菌、肠侵袭性大肠杆菌、空肠弯曲菌、假结核耶尔森菌、淋病奈瑟菌等。 5.细菌生物膜 细菌生物膜（biofilm）是指细菌黏附于接触表面，分泌多糖基质、纤维蛋白、脂质蛋白等，将其自身包绕其中而形成的大量细菌聚集膜样物，是细菌的群体结构。生物膜是细菌在生长过程中为了适应周围环境而形成的一种保护性生存形态。与游离细菌相比，生物膜的形成不仅有利于细菌附着在一些支持物表面上，而且可阻挡抗生素的渗入和机体免疫的杀伤作用。此外，生物膜内的细菌彼此之间还容易进行信号传递、耐药基因和毒力基因的捕获与转移。铜绿假单胞菌、表皮葡萄球菌等极易形成生物膜，是引起感染的常见致病菌。 二、细菌的毒素 细菌毒素按其来源、性质和作用特点可分为外毒素和内毒素两种。 （一）外毒素 外毒素是细菌合成并分泌的毒性蛋白。革兰氏阳性菌中的破伤风梭菌、肉毒梭菌、白喉棒状杆菌、产气荚膜梭菌、A群链球菌、金黄色葡萄球菌等，以及革兰氏阴性菌中的痢疾志贺菌、霍乱弧菌、肠产毒性大肠杆菌、铜绿假单胞菌、鼠疫耶尔森菌等均能产生外毒素。多数外毒素在胞内合成后分泌至胞外，也有的在菌体破坏后释放，如痢疾志贺菌和肠产毒性大肠杆菌。 1.外毒素的主要特性 （1）大多数外毒素是蛋白，由决定其毒性效应的活性亚基（active subunit）和结合靶细胞表面特异性受体的结合亚基（binding subunit）构成。 （2）毒性作用强且对组织器官有高度选择性。例如，肉毒毒素能阻断胆碱能神经末梢释放乙酰胆碱，引起骨骼肌麻痹而致病；白喉毒素对外周神经末梢、心肌细胞等有亲和性，通过抑制靶细胞蛋白合成而致病。 （3）绝大多数外毒素不耐热，如白喉毒素在58～60°C经1～2h处理、破伤风毒素在60°C经20min处理即可被破坏。但葡萄球菌肠毒素例外，可