肺炎克雷伯菌研究进展

孟风杰，康谊，曾艳丽

(郑州大学人民医院/河南省人民医院，河南 郑州 450000)

肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae，KP)是正常人类微生物群的组成部分，但在免疫功能低下、患有恶性肿瘤和合并基础病的人群中可成为致病菌引起机会性感染，是致使医院内感染和社区内感染的常见病原菌之一，可引起呼吸、泌尿等多系统的感染。目前，碳青霉烯类、β-内酰胺类、喹诺酮类及氨基糖苷类等药物是治疗肺炎克雷伯菌感染的常用抗生素，但近年来高毒力肺炎克雷伯菌(hypervirulent Klebsiella pneumoniae，hvKP)的出现使KP的感染范围扩大到健康人，大大增加了治疗的难度。本文就KP的流行病学、分类及病原学特点、感染类型及特点、致病机制、耐药机制进行论述。

1 肺炎克雷伯菌流行病学

克雷伯氏菌属是革兰阴性杆菌，属于肠杆菌科，可分为3个亚种：肺炎克雷伯氏菌(又称肺炎杆菌)、臭鼻克雷伯氏杆菌、鼻硬结克雷伯氏菌。1882年 Friedlander从大叶性肺炎患者痰液中首次分离出肺炎克雷伯氏菌，当时命名为 Friedlander杆菌，在1886年更名为KP[1]。KP有较厚荚膜，大多都有菌毛，无芽孢和鞭毛，不运动，广泛存在于土壤、地表水等自然环境中，更易定植在胃肠道和口咽部等人体黏膜表面以及人体其他部位。KP是人体正常微生物群的一部分，正常人群的带菌率为5%，但住院患者的带菌率可达到20%[2]。在一些亚洲国家，如马来西亚、新加坡、中国、日本、泰国和越南的健康成人粪便中，KP定植率分别为 87.7%、61.1%、75.0%、18.8%、52.9%、41.3%[3]。美国一项研究表明，242名健康志愿者中3.8%志愿者的粪便样本和9.5%志愿者的鼻腔样本中都检测出KP[4]。韩国的一项研究表明，在1 174名健康人中21.1%的粪便样本中也检测到KP[5]。在印度尼西亚，发现KP定植在15%的成年人鼻咽部(38/253)[6]。

2 肺炎克雷伯菌分类及病原学特点

2.1 经典肺炎克雷伯菌(classic Klebsiella pneumoniae, cKP)KP广泛存在于自然界，其感染率仅次于大肠杆菌成为第二大条件致病菌，在医院内感染的病原菌中，KP的临床检出率可达到6.69%[7]，而cKP是院内获得性感染的常见致病菌，常定植于口腔、皮肤、消化道黏膜和医疗设备的表面，在患有糖尿病和恶性肿瘤的免疫功能低下的人群中，可引起重症肺炎、泌尿系感染、呼吸道感染等。

2.2 高毒力肺炎克雷伯菌自20世纪90年代起，hvKP越来越受重视，参照Li等[8]的文献，将经过拉丝实验检测为阳性的KP菌株定义为hvKP。我国的一项研究表明，230株KP中37.8%是hvKP，并且不同的城市患病率也不同，武汉最高为73.9%，浙江最低为8.3%[9]。hvKP是引起社区获得性感染的常见病原体，病死率可达3%～32%[10]。该类菌株多属于高黏力型，高黏度是hvKP能在无侵入性治疗史的健康宿主中造成侵袭性感染的主要原因[11]。在韩国，从菌血症患者中分离出的KP菌株中42.2%具有高黏度表型[12]。与cKP相比，hvKP较易引起社区性感染，常见于健康的年轻个体，且较易引起侵袭性感染，如肝脓肿、眼内炎、脑脓肿、筋膜感染等。

3 肺炎克雷伯菌感染类型及特点

3.1 肺炎克雷伯菌肺炎肺炎克雷伯菌肺炎分为社区获得性肺炎克雷伯菌肺炎(community-acquired kleibsiella pneumoniae，KP-CAP)和医院获得性肺炎克雷伯菌肺炎(hospital-acquired kleibsiella pneumoniae，KP-HAP)。KP在引起医院获得性肺炎的致病菌中占11.8%[13]。另有研究报道显示，在中国台湾，由KP引起的医院获得性肺炎占6.2%[14]，在中国大陆，由KP引起的医院获得性肺炎发病率达到5.8%[15]。KP引起的社区获得性肺炎往往发病迅速，具有较高的病死率(10%～60%)，典型的临床表现为“砖红色胶冻样痰”[16]。在北美、欧洲和澳大利亚，KP仅占社区获得性肺炎致病菌的3%～5%，而在亚洲和非洲，KP仅次于肺炎链球菌肺炎，占15%[17]。KP除引起肺炎外，还可以引起脓胸，在中国台湾，社区获得性脓胸的常见病原体是hvKp，死亡率高达32.4%[18]。KP也可引起胸腔积液，KP-CAP出现胸腔积液的概率为7.5%～53%[19]。

3.2 肺炎克雷伯菌肝脓肿细菌性肝脓肿是化脓性细菌入侵肝脏引起的肝内化脓性感染，往往合并有肝胆道和结肠疾病史。近年来有研究发现，KP已经取代大肠埃希菌成为细菌性肝脓肿的主要致病菌，其中3.0%～7.8%的肝脓肿患者能够经过血源途径播散到肺、眼、脑、中枢神经系统和筋膜等处形成侵袭性综合征，发病率和死亡率高达4%～8%[20]。有报告显示，引起化脓性肝脓肿的病原体90.9%是hvKP[21]。KP肝脓肿多见于老年男性，有文献报道，在亚洲以外的地区患病者中男性高达88%[22]。该疾病往往合并有糖尿病，且较易出现眼内炎、脑脓肿、筋膜炎等侵袭性感染，发病率为10%～45%[23]，其原因可能是糖尿病导致患者继发性的免疫功能低下甚至缺陷，以及长期高血糖状态导致的高糖毒性抑制白细胞的趋化、黏附和吞噬能力，为细菌提供了有利的生长繁殖环境[24]。但近年来，在东亚和东南亚新近出现一种hvKP引起的社区相关性肝脓肿(community-acquired pyogenic liver abscess, CA-PLA)，该病的特征是隐源性肝脓肿的形成，无肝胆道和结肠疾病史，且通过血液播散到其他部位，包括肺、眼睛和中枢系统等，该疾病死亡率较低(≤10%)[25]。

3.3 肺炎克雷伯菌尿路感染泌尿系感染又称尿路感染(urinary tract infection，UTI)， 是由病原微生物引起的泌尿系统各个部位感染的总称。UTI的病原菌通常为肠道正常菌群的移行异位引起的感染，故多为肠杆菌科细菌，一般认为引起UTI的KP由胃肠道中的KP播散而来。KP引起的UTI占医院内尿路感染的2%～6%，占社区获得性尿路感染的4.3%～7.0%[16]。

3.4 肺炎克雷伯菌菌血症肺炎克雷伯菌肺炎和肺炎克雷伯菌尿路感染发展严重时可导致KP播散入血液引起菌血症，在革兰阴性杆菌中KP仅次于大肠杆菌成为医院内和社区性菌血症的第二大致病菌，死亡率高达27.4%～37.0%[16]。肺炎克雷伯菌菌血症与许多因素有关，如重症监护病房住院时间长，患者年龄大于65岁，患有恶性肿瘤以及机械通气等。

4 肺炎克雷伯菌致病机制

4.1 荚膜多糖(capsular polysaccharide，CPS)CPS是一种覆盖在细胞表面的酸性脂多糖。cKP的荚膜和hvKP的荚膜都是由被称为K抗原的特异性荚膜多糖组成，如K1、K2-K78[26]。在前面提到的韩国研究中，在粪便携带KP的21.1%的健康成年人中，K1血清型占23%，K1血清型的携带率在25岁以上的成年人中为5.6%，而在16～25岁的人群中为0(P=0.007)，与居住在其他国家的人群分离株相比，K1在居住在韩国的朝鲜族人中的分离株中携带率更高(5.6%比24.1%)[5]。这些研究表明，在KP的流行病学差异中，环境起着重要的作用。hvKP常见的荚膜类型是 K1、K2、K5、K20、K54、K57，其中K1和K2约占hvKP分离株的70%[27]，而K57型KP是我国除K1、K2型以外又一具有高毒力、高黏液表型以及高致病性的KP[28]。在我国，包括化脓性肝脓肿在内的各种类型的侵袭性感染相关的高黏度KP临床分离株中，42.9%为 K2血清型，23.8%为K1血清型[29]。我国的另一项研究表明，68.75%的高黏度KP分离株具有K2血清型[30]。荚膜主要是通过免疫细胞抑制吞噬作用，防止早期免疫反应的激活，抵抗抗菌肽和补体的消除溶解，抑制树突细胞的成熟使细菌免于人体的免疫反应。

4.2 脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)LPS也称为内毒素，是革兰阴性菌细胞壁重要的组成部分。LPS具有抗吞噬、抗血清杀菌(即补体系统)、引发宿主产生败血性休克的免疫反应的作用，可作用于体内的巨噬细胞等，使之产生白细胞介素-1、白细胞介素-6和肿瘤坏死因子-α等细胞因子，引起发热反应，诱导中性细胞释放因子刺激骨髓释放其中的中性粒细胞进入血流引发白细胞反应。LPS通常由O抗原、细胞膜外的疏水脂质A、核心多糖3部分组成，各部分具有不同的作用[31]。O抗原有补体杀伤作用，在肺炎克雷伯菌株中有9种不同的O抗原，最常见的是O1。核心多糖的减少使KP的定植能力大大减小，且有助于KP抵抗肺泡巨噬细胞的吞噬作用。脂质A为LPS主要的毒性成分，有助于KP抵抗宿主天然免疫，尤其是抵抗抗菌肽的作用，也有助于KP抵抗肺泡巨噬细胞的吞噬作用。

4.3 菌毛黏附素是KP定植的重要因素，分为菌毛和非菌毛型。目前发现的主要有1型菌毛、3型菌毛、Kpc菌毛、KPF-28菌毛、ECP和CF29K等，1型菌毛和3型菌毛是主要的黏附结构。1型菌毛是细菌表面的细线样突起，为甘露糖敏感型，可介导细菌与宿主细胞中含甘露糖的受体结合，在肺炎克雷伯菌尿道感染时有助于KP侵入膀胱细胞，并形成生物膜，但其在肠道和肺部环境中受到限制，对KP的肠道和肺部定植无明显作用。3型菌毛为螺旋状，为甘露糖抵抗型，与肺部感染相关。3型菌毛由mrkABCD簇编码：亚单位蛋白MrkA主要与非生物表面(如医疗设备)结合；黏附因子MrkD位于顶尖端，主要与细胞外基质(如受损的组织表面)结合；MrkB、C、E与菌毛表达的组装和调节有关；MrkE与菌毛表面的稳定性有关。

4.4 铁载体系统铁是细菌生长所必需的，KP和许多其他细菌性病原体一样，必须从宿主获取铁以便在感染期间生存和繁殖。目前推断KP有12个铁摄取系统，分为4大类：Fe2+转运体FeO、ABC转运体、血红素载体系统和铁载体系统，研究较多的为铁载体系统。KP主要有4种铁载体[16]：肠杆菌素(enterobactin)在cKP和hvKP中均表达，被认为是KP主要的铁载体；沙门菌素(salmochelin)与化脓性肝脓肿密切相关，在cKP存在率为2%～4%，而在hvKP中达90%以上；耶尔森杆菌(yersiniabactin)最初是在革兰阴性细菌耶尔森菌中发现的，cKP中耶尔森菌素的存在率<18%，而在hvKP中达90%；气杆菌素(aerobactin)往往与高毒力荚膜有关，cKP中气杆菌素的存在率约为6%，而在hvKP中达93%～100%。台湾的一项研究还表明，在K1和 K2分离株中，aerobactin 的流行率为100%，在非 K1/K2 分离株中为86%。

4.5 其他毒力因子除了研究较为明确的CPS、LPS、菌毛和铁载体系统之外，还有一些尚未被彻底研究的毒力因子，如外膜蛋白、孔蛋白和尿囊素代谢等。KP常见的外膜蛋白包括外膜蛋白A(outer membrane protein A，OmpA)、肽聚糖相关脂蛋白(peptidoglycan-associated lipoprotein，PLA)和胞壁质脂蛋白(braun,s lipoprotein，Lpp)。有研究发现，PAL和Lpp合成基因缺失会降低细菌的适应性[31]。包括KP在内的许多肠道细菌可产生尿素酶，尿素酶除可降解尿素为氮和二氧化碳，为细菌生长提供氮，还可催化尿素水解，增减局部环境的pH值。研究认为，尿素酶与尿路感染密切相关，尿素水解使局部pH值升高，无机盐沉淀，导致感染性结石形成，但其致病机制有待进一步研究。

5 肺炎克雷伯菌耐药机制

5.1 β-内酰胺酶β-内酰胺酶分为染色体介导酶和耐药质粒介导酶，以其水解对象可分为青霉素酶、头孢菌素酶、广谱酶和超广谱酶。超广谱β-内酰胺酶(extended spectrum β-lactamases，ESBLs)的产生是肺炎克雷伯菌β-内酰胺酶中最重要的机制，ESBLs是由革兰阴性杆菌产生的，质粒介导的，可以水解头孢菌素类、单酰胺类以及青霉素类的抗生素。尽管抗生素的耐药性和cKP密切相关，但有许多报道表明，hvKP也携带超广谱β-内酰胺酶和碳青霉烯酶。最近在我国进行的一项研究发现，cKP菌株中的ESBLs 携带率为56%，而hvKP菌株的ESBLs携带率为17%[8]。这与我国的另外一项研究高度一致，该研究发现cKP菌株中的ESBLs携带率为42%，而hvKP菌株的ESBLs 携带率为12.6%[9]。根据2015年CHINET细菌耐药性监测数据显示，KP在革兰阴性杆菌中排名第二，占临床分离革兰阴性杆菌菌株的19.8%，产ESBLs的肺炎克雷伯分离菌株比例由2007年的16.35%上升到2015的27.4%[32]，说明KP的耐药率越来越高。头孢菌素酶(AmpC)是革兰阴性杆菌产生的又一类重要的β-内酰胺酶，不仅由染色体介导还可以由质粒介导，耐质粒介导的AmpC酶的革兰阴性杆菌对第一至三代头孢菌素、头霉素、氨曲南等耐药，而且不受β-内酰胺酶抑制剂的抑制[33]。

5.2 碳青霉烯酶KP对碳青霉烯类抗生素耐药率逐年上升。2017年CHINET细菌耐药性监测数据显示，肺炎克雷伯菌对亚胺培南和美罗培南的耐药率分别从2005年的3.0% 和2.9%上升至2017年的20.9%和24.0%[34]。碳青霉烯酶是碳青霉烯类抗生素的主要耐药机制，碳青霉烯酶是指能够明显水解亚胺培南或美罗培南的一类β内酰胺酶，KP常见的有Ambler分类法中的A、C、D类酶。A类酶最为重要的是肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶(Klebsiella pneumoniae carbapenemase，KPC)，世界上第一株产碳青霉烯酶的KP于1996年在美国北卡罗来纳州被发现，并将此种酶命名为KPC[35]。我国的第一个KPC阳性的肺炎克雷伯菌分离株于2004年在浙江省一名75岁的ICU患者中发现[36]，KPC-2是我国最常见的碳青霉烯酶，并且以KP作为最主要的宿主。B类的金属酶有新德里(NDM-1)、次黄嘌呤核苷酸酶(IMP)、波形蛋白酶(VIM)。D类的有苯唑西林酶(OXA)，现如今已发现有200多种苯唑西林酶，而KP中最常见的是OXA-48。

5.3 孔蛋白KP的细胞外膜脂多层中的孔道是由微孔蛋白组成的，它是一种非特导性的、能跨越细胞膜的水溶性通道，抗生素可通过微孔蛋白进入细菌内发挥杀菌作用，一旦外膜孔蛋白缺失或减少就会引起细胞膜的通透率下降，导致进入细胞内的抗菌药物的减少，导致细菌的耐药。与KP耐药性有关的孔蛋白主要是OMPK36和OMPK35[37]，在耐碳青霉烯肺炎克雷伯菌株中，OMPK35或OMPK36表达的恢复显著降低了细菌的耐药性。

5.4 细菌生物膜细菌生物膜是细菌在生长过程中为适应生存环境而在固体表面生长的一种与游走态细胞相对应的存在形式，指附着于有生命或无生命物体表面的细菌群体，是细菌的一种保护模式。细菌生物膜由许多细菌吸附在机体腔道黏膜表面形成，表面被多聚糖基质包被，内部包含众多输送养料的管道，细菌生物膜的形成在抗菌药物的耐药性的产生、逃避宿主免疫防御系统以及持续性感染中都起到非常重要的作用。有研究发现，以生物膜的形式存在的细菌在自然界中占99%，65%的人类细菌感染与生物膜形成有关[33]。

5.5 主动外排系统主动外排系统能主动将进入细菌体内的抗菌药物泵出体外，由于这种系统是非专一性的，转运底物大多非常广泛，而且同一株细菌可存在多种主动外排系统，因此可导致细菌产生对各种结构完全不同的抗菌药物的耐药即多重耐药。有研究表明，AcrAB-TolC是细菌的主要外排系统，且在KP中广泛存在，是KP产生多重耐药的重要原因[38]。

5.6 其他耐药机制目前研究较多的且清楚的有产β-内酰胺酶、碳青霉烯酶、外膜蛋白的缺失、生物膜的形成、外排泵等耐药机制。除此之外，还有一些研究尚不明确的耐药机制，黏菌素的使用已作为多耐药KP最后的治疗方案之一，然而越来越多的耐黏菌素被报道，在巴西耐药率高达27%[39]，但有关耐药机制尚不明确。整合子作为一种可移动的基因元件，不仅可利用位点特异性重组系统在细菌之间传播，且具有捕获耐药基因盒的功能，最常见的整合子类型是Ⅰ类整合子，包含了大部分的耐药基因，但其耐药机制也有待进一步研究[40]。

6 总结

KP是机会性致病菌，在患恶性肿瘤、糖尿病等机体免疫功能低下的人群中通过CPS、LPS、菌毛、铁摄取系统等多种毒力因子引起人体呼吸道、消化道、泌尿系统等多部位的感染。目前，治疗肺炎克雷伯菌感染的常用药物有碳青霉烯类(亚胺培南，美罗培南)、β-内酰胺类、喹诺酮类及氨基糖苷类，但近年来随着多耐药菌(multidrug-resistant，MDR)，甚或泛耐药菌(extensively drug-resistant， XDR)的出现，耐药率也逐渐升高。此外，近年来hvKP发病率和死亡率呈持续上升趋势，给临床治疗也带来了极大的挑战。hvKP虽然对抗生素的耐药性低，但致病性强，多引起健康的青年人发病，但关于高毒力与低耐药性的作用机制目前尚不清楚。能够发现耐药性和致病机制之间的关联，既能有效地对KP引起的各种部位的感染进行治疗，尤其是多耐药菌和泛耐药菌，也能有效地改善抗生素的滥用情况，减少耐药菌株的产生。