引起肝脓肿的肺炎克雷伯菌毒力因子研究进展

管红艳，刘 瑛

（上海交通大学医学院附属新华医院检验科，上海 200092）

肺炎克雷伯菌是常见的条件致病菌，当机体免疫力下降或长期使用抗菌药物导致菌群失调时，该菌可以引起严重感染，如脓毒血症、肺炎、尿路感染以及软组织炎等[1]。自1986年第1例肺炎克雷伯菌引起的肝脓肿（Klebsiella pneumoniae liver abscess，KLA）被报道以来，肺炎克雷伯菌逐渐成为亚洲地区社区获得性肝脓肿的主要病原菌[2-3]。近年来，中国、北美和欧洲地区相继出现关于KLA的报道[4-6]。KLA的常见特点有转移性感染多见（9.5%～20.0%）、致死率高（6.0%～11.3%）以及常合并糖尿病（56.8%～75.0%）[7]。引起肝脓肿的肺炎克雷伯菌多为高毒力肺炎克雷伯菌（hypervirulent Klebsiella pneumoniae，hvKP），hvKP培养后常表现为高黏液性菌落（拉丝试验＞5 mm），因此又被称为高黏液性肺炎克雷伯菌[8]。hvKP易通过血流造成转移性感染（如中枢神经系统感染及眼内炎），已被视为全球性的公共健康问题[9]。肺炎克雷伯菌的致病力与其荚膜多糖、脂多糖、铁摄取系统和菌毛等毒力因子关系密切，本文对KLA的主要毒力因子作一综述。

1 荚膜多糖及其调控基因

1.1 荚膜多糖

荚膜多糖是肺炎克雷伯菌最重要的毒力因子，可使细菌呈现黏液性状表型，并具有抗吞噬、抗血清杀菌（补体系统）的能力，与该菌在宿主体内移居、黏附和生长增殖有关[10]。hvKP可产生大量荚膜多糖，被中性粒细胞吞噬后，不仅能够避免中性粒细胞介导的杀菌作用，还可以借助中性粒细胞转移到眼、中枢神经系统等部位，这可能与hvKP易导致KLA合并转移性感染有关[8]。根据荚膜多糖（K抗原）分型，可将肺炎克雷伯菌分为77个K血清型[11]。LIN等[12]的研究发现，K1和K2型菌株抵抗中性粒细胞的吞噬杀菌作用较其他血清型更强，形成肝脓肿的倾向更大。肺炎克雷伯菌对抗补体系统介导的杀菌作用因血清型而异，K2型荚膜可保护肺炎克雷伯菌逃避血清的杀菌作用，而K1型荚膜则没有这种保护作用[11]。FUNG等[13]将分离自患肝脓肿小鼠的肺炎克雷伯菌，制成系列浓度梯度的菌液，注入小鼠体内，用半数致死量（LD50）评估菌株毒力，结果显示K1型野生型菌株LD50（＜10 CFU）远小于不产荚膜的K1型突变株LD50（＞1×106CFU），从而证实了荚膜多糖的毒力作用。

1.2 荚膜多糖调控基因

有研究结果显示，在引起肝脓肿的hvKP中，黏液表型调节基因A（regulator of mucoid phenotype A，rmpA）和黏液相关基因A（mucoviscosity-associated gene A，magA）是参与调控荚膜多糖合成的重要毒力基因[9]。

1.2.1 rmpA基因

rmpA基因通常被认为是促进荚膜多糖合成的调控因子，其编码的rmpA蛋白能够激活荚膜多糖表达，使荚膜多糖的产量增加，赋予荚膜高黏液表型[14]。rmpA2基因和rmpA基因均为荚膜多糖合成调节基因，两者同源性达71.4%，共同参与黏液性状的调控[15]。HSU等[16]发现KLA患者K1型分离株NTUH-2044携带3种rmpA/A2基因：大质粒携带基因（p-rmpA、p-rmpA2）和染色体携带基因（c-rmpA）。p-rmpA能够促进荚膜多糖合成相关基因的转录及黏液表型的表达，p-rmpA2作用与p-rmpA相反，而c-rmpA与p-rmpA虽有92%的DNA序列相同，但可能是由于编码区的DNA序列不同，导致c-rmpA不能促进荚膜多糖的合成。这表明，并非所有的rmpA/A2基因均为荚膜合成的正性调控因子。YU等[17]首次揭示了高黏液表型、rmpA基因与肝脓肿之间的临床相关性，如果分离自临床患者的肺炎克雷伯菌菌株表现为高黏液表型（拉丝试验＞5 mm），或检测出菌株携带rmpA基因，则应警惕该患者是否有肝脓肿。但有研究发现，超过40%的非致肝脓肿肺炎克雷伯菌临床分离株也携带rmpA基因[18]，说明在导致肝脓肿的过程中，rmpA基因有可能是和其他因子共同发挥调控作用。有文献报道，rmpA基因和TerW（亚碲酸盐抗性因子）、SilS（银抗性因子）及IutA（需氧素-铁离子复合体受体）等毒力因子的编码基因共同存在于大小为180～220 kb的毒力质粒pLVPK上[19]。TANG等[18]认为，TerW-IutA-RmpA-SilS可以作为独立致病因子参与肺炎克雷伯菌致肝脓肿过程，而大多数低毒力肺炎克雷伯菌不存在pLVPK质粒，因此，获取这种毒力质粒有可能是肺炎克雷伯菌毒力增强的重要原因。

1.2.2 magA基因

FANG等[20]在2002年研究引起肝脓肿的肺炎克雷伯菌时，首次发现magA编码一种含408个氨基酸的蛋白，这种蛋白可以促使菌体呈现高黏液表型，并参与荚膜多糖的产生。但后来的实验发现，magA基因仅存在于K1型菌株，编码产物为K-抗原聚合酶，即K1型肺炎克雷伯菌荚膜多聚酶[21]。K-抗原聚合酶可促进荚膜多糖的合成及细菌表面保护性多糖黏附网络的形成，从而使肺炎克雷伯菌能够抵抗补体系统介导的杀菌作用，并随血流转移至肝脏及其他组织，导致原发性肝脓肿及转移性脓毒性并发症[21]。HSIEH等[22]研究证实，分离自KLA患者的K1型肺炎克雷伯菌magA基因发生突变后，荚膜多糖合成减少，菌株毒力显著降低。magA基因是KLA的致病机制中极为重要的毒力基因，除肝脓肿外，它几乎不存在于引起其他疾病的肺炎克雷伯菌中[17]。

2 脂多糖

脂多糖是细菌细胞壁的主要成分，对菌株的保护作用类似荚膜，可以引发宿主产生感染性休克[10]。脂多糖由3个结构域组成：脂质A、核心寡糖和O抗原。O抗原是脂多糖最外层的成分，由寡糖重复单元多聚物构成，能保护细菌免受血清补体系统介导的杀菌作用，但与避免中性粒细胞的吞噬作用无关。目前已发现9种O抗原类型，分别为O1、O2a、O2ac、O3、O4、O5、O8、O9及O12[23]。其中，O1抗原是分离自肝脓肿患者的肺炎克雷伯菌中最常见的抗原类型。YEH等[11]研究证实，在具有相同O1抗原的K1型和K2型肺炎克雷伯菌中，前者O1抗原可通过抵抗肝细胞的清除作用，促进肝脓肿的形成，后者的O1抗原则与这种抵抗作用无关。因此，K2型肺炎克雷伯菌的O1抗原不能通过抵抗肝细胞的清除作用而参与肝脓肿的形成。

3 铁摄取能力

铁在肺炎克雷伯菌的生长繁殖过程中发挥重要作用，主要是作为蛋白质的氧化还原催化剂，并参与菌体内氧和电子的转运。铁载体是细菌分泌的细胞外高亲和力铁离子螯合剂，可摄取由宿主铁结合蛋白（主要是铁蛋白及转铁蛋白） 释放的Fe3+，随后与细胞膜上的铁载体受体结合，介导Fe3+进入菌体[24]，使细胞内Fe3+富集，从而促进细菌的生长及繁殖，导致细菌在宿主体内扩散或加重感染。由于宿主体内的铁离子大多以螯合形式存在，本身存在的游离Fe3+极少，且不能被肺炎克雷伯菌直接利用，所以菌体需要通过分泌铁载体以克服游离Fe3+不足的限制。与致肝脓肿肺炎克雷伯菌摄取铁能力相关的铁载体主要有耶尔森菌素（yersiniabactin，Ybt）、气杆菌素（aerobactin，Aer）、沙门菌素，与介导铁离子进入菌体的相关基因有tonB基因、kfu基因等。

3.1 铁载体

3.1.1 Ybt Ybt属于混合型铁载体蛋白，编码基因位于高毒力基因岛（high-pathogenicity island，HPI）。同样位于HPI的fyuA基因，编码相对分子质量为71 000的fyuA蛋白，即Fe3+-Ybt受体，介导Ybt携带的铁离子进入菌体[25]。在缺铁的条件下，fyuA蛋白产量增加，不仅能够促进更多Fe3+进入菌体，利于菌株的繁殖，还可以促进细菌生物被膜的形成，增强细菌毒力[26]。HSIEH等[22]发现，与cKP相比，编码Ybt及其受体的基因簇在hvKP中分布更为普遍，并且在分离自KLA患者的肺炎克雷伯菌中，HPI相关基因的表达明显升高。

3.1.2 Aer Aer是一种异羟肟盐类的铁载体，可以竞争组织和血液中的Fe3+，其表达不受温度调节。Aer受体由基因簇iucABCD-iutA编码，常与rmpA共同位于毒力质粒pLVPK[19]。HSIEH等[22]发现，在分离自KLA患者的菌株内，iucABCD-iutA的表达明显升高。有研究发现肺炎克雷伯菌自身并不产生Aer，但可表达Aer的受体，夺取其他菌分泌的Aer，从而为自身获得游离铁[27]。而NASSIF等[28]认为，3%～6%的肺炎克雷伯菌可以产生Aer。Aer可以使肺炎克雷伯菌的毒力增强100倍，是hvKP最重要的铁载体，也是其重要的毒力因子。尽管目前hvKP中Aer含量增加的机制仍不清楚，但已经明确的是，在铁缺乏的条件下，Aer是hvKP铁载体总含量增加的主要原因[29]。

3.1.3 沙门菌素 沙门菌素是一种邻苯二酚盐型铁载体蛋白，具有较高的铁亲和力。在肺炎克雷伯菌感染机体的过程中，沙门菌素可以发挥其抗氧化作用，催化羟基自由基的生成，增强菌株的毒力，从而加重对宿主组织的损伤[30]。沙门菌素及其受体IroN均由基因簇iroA（iroBCDN）编码合成，有研究发现iroA（iroBCDN）与iucABCD-iutA共同位于1个大小约200 kb的毒力质粒，获得该质粒的肺炎克雷伯菌表现为高毒力并具有高黏液表型，更易引起肝脓肿伴严重的转移性感染[31]。

3.2 介导铁离子进入菌体的相关基因

3.2.1 tonB基因 tonB基因编码蛋白的N-末端疏水序列固定于菌体细胞膜，铁载体受体与该段疏水序列紧密连接，沙门菌素及Aer携带的游离铁，均需要依赖tonB编码蛋白进入菌体[32]。HSIEH等[22]的研究发现，分离自KLA的NTUH-2044菌株tonB基因突变后，无论在缺铁或铁充足的条件下，肺炎克雷伯菌摄取铁的能力均受到抑制，毒力明显降低。这表明，tonB基因在介导铁吸收和调节菌株毒力方面发挥了重要作用。

3.2.2 kfu基因 kfu基因编码的kfu蛋白能够通过螯合作用介导Fe3+的吸收并调节肺炎克雷伯菌毒力[22]。过去以为该基因仅存在于K1型肺炎克雷伯菌中，但LUO等[14]发现，一些K2型小的序列分型（如ST375，ST380）菌株也携带有kfu基因。LEE等[33]的研究结果显示，14株分离自KLA患者的K2型肺炎克雷伯菌中有5株携带kfu基因。

4 其他毒力因子及毒力基因

4.1 alls基因

alls基因位于大小约22 kb的染色体片段，相比非致肝脓肿的肺炎克雷伯菌，此染色体片段更多地存在于KLA患者分离株中。alls基因编码产物参与嘌呤分解代谢及尿囊素的同化作用，有助于肺炎克雷伯菌在宿主体内的定植。无论在厌氧或需氧条件下，尿囊素都是肺炎克雷伯菌碳、氮、能量的唯一来源。在非胰岛素依赖型糖尿病患者体内，尿囊素水平升高，从而有利于肺炎克雷伯菌获取氮，这可能与KLA患者常合并糖尿病有关[34]。K1型比非K1型KLA患者更易合并转移性眼部感染和中枢神经系统感染，而kfu和alls基因又常常同时存在于K1型肺炎克雷伯菌中，因此，同时携带这2个基因是否更容易导致肝脓肿合并转移性感染有待进一步研究[35]。

4.2 wcaG基因

wcaG基因编码产物为胞外多糖中的岩藻糖，能够保护肺炎克雷伯菌避免巨噬细胞的吞噬作用。WU等[36]分别检测了分离自尿路感染和肝脓肿患者的肺炎克雷伯菌，前者未发现携带wcaG基因的菌株，但后者中有72%的菌株携带wcaG基因。

4.3 菌毛

肺炎克雷伯菌的菌毛主要分为2种：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组织器官，使菌体得以定植，这是hvKP使机体致病的首要前提[37]。目前，关于菌毛作为毒力因子参与hvKP致病过程的研究较少，但LIN等[38]发现肺炎克雷伯菌在高糖条件下，可以通过抑制CRP-cAMP机制而促进Ⅲ型菌毛编码基因的表达，促使菌株生物膜的合成，增强肺炎克雷伯菌的致病力。因此，糖尿病患者更易患肝脓肿的原因可能与此有关，但仍需进一步的研究证实。

5 总结

肺炎克雷伯菌是社区获得性及医院获得性感染的常见病原体，可引起肺炎、脓毒症等多种感染，近年来逐渐成为肝脓肿的主要病原菌。hvKP引起的肝脓肿，常合并肝外转移病灶，如眼内炎、脑膜炎等，其中并发脑膜炎患者的致死率较高。多种毒力因子在肺炎克雷伯菌引起肝脓肿的过程中发挥了重要作用，例如荚膜多糖、脂多糖、铁摄取系统和菌毛等，但目前仍对某些毒力因子在致病过程中所起的作用不明确。因此，对肺炎克雷伯菌的毒力因子进行深入研究有利于了解并阻断其致病过程，从而减少肝脓肿的发生，提高人群健康水平，减少社会医疗支出。随着对肺炎克雷伯菌毒力因子作用的进一步明确，有望实现早期检出hvkP，帮助临床医生早发现、早诊断肝脓肿，并及早给予治疗。