大肠杆菌毒力因子及耐药机制研究进展

赫鸣睿

(黑龙江八一农垦大学动物科技学院，黑龙江 大庆 163319)

大肠埃希氏菌(Escherichia coli)通常被称为大肠杆菌，是德国科学家Theodor Escherich于1885年发现，在相当长的时间内，被认为是肠道内微生物的正常组成部分，而且是不引起致病作用的[1]。直到20世纪中期，科学家才发现有一部分血清型比较特殊的大肠杆菌可以对人和动物产生致病性，这类大肠杆菌常引起幼龄动物发生严重腹泻和败血症等疾病。现在根据不同的生物学特性将致病性大肠杆菌主要分成6类：肠致病性大肠杆菌(EPEC)、产肠毒素性大肠杆菌(ETEC)、肠侵袭性大肠杆菌(EIEC)、肠出血性大肠杆菌(EHEC)、肠黏附性大肠杆菌(EAEC)和弥散黏附性大肠杆菌(DAEC)。这些可致病的大肠杆菌能够在不引起动物发病的情况下，长期生活在健康动物的肠道内，并且这类具有致病性的大肠杆菌还能在不同种动物之间进行传播，给我国的畜牧业发展带来巨大威胁[2]。

1 大肠杆菌毒力因子研究进展

1.1 黏附素

大肠杆菌侵入动物体内后，首先要保证菌体在宿主体内定植，这样才可以有利于细菌的生长繁殖，大肠杆菌的黏附作用是作为其肠道内生存的必备定植条件。因此称这种起到黏附作用的菌体成分为定植因子也叫作黏附素。黏附素是分布在菌体表面的一种结构成分，这些表面结构复杂，种类众多，不同的黏附素对肠表面细胞黏附作用程度也不同。大肠杆菌利用其特殊的黏附素紧密附着在在肠上皮细胞表面，以免受到肠蠕动而脱落。根据黏附素的形态结构差异一般分为菌毛黏附素和非菌毛黏附素两种。菌毛黏附素包括I型菌毛黏附素、P菌毛黏附素和卷曲菌毛黏附素；非菌毛黏附素包括菌体表面蛋白、血凝素、纤毛样物质等。由于每种菌毛黏附素只能黏附于具有相应受体的细胞表面，所以细菌的黏附具有细胞特异性和宿主特异性。例如，含F4菌毛的大肠杆菌只定植于宿主的小肠前段，含F5菌毛的大肠杆菌则可以定植于空肠、回肠段。

1.2 肠毒素

大肠杆菌肠毒素是一种细菌外毒素，是由产肠毒素性大肠杆菌生长繁殖过程中在菌体内产生的，并且可以释放到菌体外。根据肠毒素对高温条件的不同耐受程度分为两类，一类为耐热型肠毒素(ST)，另一类为不耐热肠毒素(LT)。ST是由18～19个氨基酸形成的一种多肽小分子， ST是细菌外毒素，具有和其他细菌外毒素一样的活性，可以对动物肠道产生毒性，由于ST分子量小且基本没有免疫原性，所以对ST的研究程度较低。LT是由一个A亚单位和5个B亚单位组合构成的大分子。与ST不同，LT具有良好的免疫原性，因此LT在预防动物疾病方面受到广泛研究。

1.2.1 耐热肠毒素(ST)

ST在100 ℃加热30 min都不会失活。ST蛋白的分子量约在2 Kda左右，一个ST分子具有3个分子内二硫键，二硫键是保证ST分子结构稳定的重要因素，原因是二硫键有较高的键能。ST不仅耐热，还耐强酸强碱和多种有机溶剂。研究表明通过特殊方法处理可以使ST表现出免疫原性。J.C.Frantz报道称，将ST与载体蛋白相连，再加入弗氏佐剂后，作为疫苗对动物进行免疫可使动物产生高水平的抗ST抗体，这对易感动物抵抗ETEC感染具有良好的效果。

1.2.2 不耐热肠毒素(LT)

LT在65℃温度下加热30min就能够完全灭活，LT具有很好地免疫原性，是由于LT中的B亚单位这一特殊结构，不仅LT具有免疫原性，单独的B亚单位自身也具有良好的免疫原性。这使得LT在作为黏膜免疫原，以及黏膜免疫佐剂这两项研究方面得到极大重视。研究发现可以把无毒LT或者单独B亚单位作为黏膜免疫原，也可以将LT作为黏膜免疫佐剂，与其他免疫蛋白一同进行免疫，都能够有效刺激动物机体产生免疫反应。

1.3 HPI毒力岛

HPI又称强毒力岛，在大肠杆菌致病过程中发挥很大的作用，HPI首次发现于耶尔森菌属，之后在其他肠道致病菌的染色体中也检测出HPI毒力岛。在HPI毒力岛中，有一个被称作irp2-fyuA的基因簇，它是由irp2-irp1-irp3-irp4-irp5-fyuA这5段基因联合组成的，被认为是HPI的核心功能区，其中irp2基因与铁调节蛋白有很大关系。irp2和fyuA是HPI中非常重要的两个功能基因，用于检测大肠杆菌基因组中是否存在HPI毒力岛的标志基因。

1.4 LEE毒力岛

LEE称为致病性肠细胞脱落位点毒力岛，它发现于肠致病性大肠杆菌(EPEC)的染色体中，EPEC在入侵机体后，首先会黏附在宿主细胞表面部位，之后对宿主组织造成严重病理损伤，这种损伤叫作黏附与脱落(A/E)。eaeA和ler是LEE毒力岛中最重要的两个功能基因。在所有能够导致A/E损伤的大肠杆菌全基因组中，都能检测到eaeA基因。

2 大肠杆菌耐药机制

有研究显示，大肠杆菌极非常容易产生耐药性，而且各类耐药菌株其耐药谱广泛，菌株变异速度增加，导致现在临床常用的抗生素治疗效果不佳甚至无效。常清利等报道[3]，对河南部分地区分离得到的215株大肠杆菌进行耐药基因检测，其中，对氨苄西林的耐药率最高，可以达到84.8%，对庆大霉素、阿莫西林、头孢呋辛等也高达70%左右的耐药率。方雨玲等报道[4]，对湖北地区231株大肠杆菌临床分离株进行药敏试验，其中，大肠杆菌对强力霉素、氨苄青霉素、卡那霉素等药物具有较高耐药性，对四环素类药物已经完全耐药。目前多重耐药株十分普遍，这使得临床使用抗生素治疗大肠杆菌病的困难加大，细菌性疾病严重影响畜禽的生产性能，所以必须要加强畜牧业生产中对抗生素使用的管制措施。

2.1 大肠杆菌对磺胺类药物的耐药机制

叶酸对蛋白质、核酸的合成及各种氨基酸的代谢具有重要作用，缺乏叶酸可使细菌由于代谢功能紊乱而造成死亡。磺胺类药物结构与对氨基苯甲酸结构相似，当前者浓度在菌体内远大于后者时，可在二氢叶酸合成中取代对氨基苯甲酸的位置而阻断二氢叶酸的合成，这导致大肠杆菌的叶酸合成受阻造成细菌死亡。之所以革兰氏阴性菌能够产生耐药性，主要与sul 1、sul 2和sul 3这三种耐药基因有关，这三种耐药基因的主要作用就是编码二氢叶酸合成酶的蛋白结构，使其能够不受磺胺类药物的干扰与正常的对氨基苯甲酸结合，产生二氢叶酸，从而介导细菌产生耐药性[5-6]。研究显示，sul族类基因能够定位在Tn21家族的转座子中，同时与其他一些耐药基因连接导致耐药性[7]。

2.2 大肠杆菌对β-内酰胺类药物的耐药机制

大肠杆菌对β-内酰胺类药物耐药机制主要有两种方式，一是主动外排泵，二是产生β-内酰胺水解酶，其中最主要的机制是产生β-内酰胺水解酶。这种酶能够水解β-内酰胺类抗生素，破坏抗生素的分子结构，使其不能发挥作用。

2.3 大肠杆菌对氨基糖苷类药物的耐药机制

大肠杆菌对氨基糖苷类药物有三种耐药机制，一是改变细胞壁的通透性，这使得少量药物能进入菌体，无法达到足够杀灭病原体的药量，导致细菌出现耐药；二是改变作用靶位点，氨基糖苷类药物的结合位点在细菌30S核糖体亚单位的16S rRNA解码区的A部位，影响细菌蛋白质的合成，大肠杆菌能够使16S rRNA发生甲基化，从而改变解码区A部位的结构和位置，使得氨基糖苷类药物不能结合作用位点而失去效果；三是氨基糖苷类钝化酶的产生[8-9]，产生钝化酶是细菌最主要的耐药机制，细菌可以产生3种钝化酶，分别是氨基糖苷磷酸转移酶；氨基糖苷核苷转移酶；氨基糖苷乙酞转移酶，经过钝化酶对抗生素的修饰和水解作用破坏氨基糖苷类药物活性[9]。

2.4 大肠杆菌对四环素类药物的耐药机制

大肠杆菌对四环素类药物的耐药机制为主动外排作用。大肠杆菌基因组中含有tet外排泵基因，它能够编码一种大小为46 ku的膜结合外排泵蛋白，该蛋白是外排系统的主要功能蛋白，外排系统将扩散进细菌中的抗菌药物泵出菌体外，导致大肠杆菌产生耐药性。

2.5 大肠杆菌对喹诺酮类药物的耐药机制

喹诺酮类药物作用于细菌的DNA旋转酶和拓扑异构酶，进而阻断细菌DNA复制，引起细菌死亡。大肠杆菌基因突变导致DNA旋转酶和拓扑异构酶的结构和功能也发生改变，还会改变药物作用的靶位点，使喹诺酮类药物不能结合DNA旋转酶和拓扑异构酶，就不会对细菌生长起到抑制作用。

3 小结

预防家畜发生大肠杆菌病，首先要加强环境的管理工作，及时清理畜舍粪便、做好消毒工作、保持通风、维持舍内温度，确保饲养舍干燥与清洁。现在已开发出众多可用于治疗家畜大肠杆菌病的商品抗体。其中，商品化鸡卵黄抗体因其化学性质稳定、特异性强、易规模化生产等特点充分凸显其应用价值而备受养殖户欢迎，研究表明鸡卵黄抗体对于家畜大肠杆菌病有很高的治愈率。大肠杆菌自家灭活疫苗用于预防本场常年流行的大肠杆菌病效果显著，因为这是用本场中引起发病的大肠杆菌株制备的灭活疫苗，具有安全性高、价格低廉等优点，而且制苗菌株的抗原性和发病菌株的抗原性高度一致，可以发挥良好的保护作用。养殖户必须及时做好疫苗免疫工作，一方面做好流动人员的防护和消毒工作，防止外源性致病菌的侵入，另一方面要经常观察家畜状态，提供家畜新鲜的水源和饲料，保持家畜的机体健康，不要给内源性病原大量繁殖提供便利，全面做到以上工作才能降低养殖场中大肠杆菌病的发病率，为养殖场创造更大的经济效益。