泌尿道微生物与尿路感染的研究进展

高 航, 刘春莹

(1. 陕西中医药大学第一临床医学院, 陕西 咸阳, 712046;2. 陕西中医药大学附属医院 肾病二科, 陕西 咸阳, 712000)

尿路感染(UTI)是临床常见疾病之一，这种感染主要由细菌引起，病原体包括泌尿道致病性大肠杆菌(UPEC)(70%～80%)、克雷伯氏菌(6%)、葡萄球菌(6%)和肠球菌种(5%)以及其他病原体[1-2]。复发性尿路感染(rUTIs)是指12个月内发生3次及以上UTI, 极大地升高了UTI的发病率。绝大多数UTI是由细菌引发的，所以抗生素是临床治疗UTI的主要药物，能有效杀灭细菌和缓解临床症状。尽管采用了抗生素治疗，但超过30%的女性患者在最初症状消失后的12个月内还会发生后续感染[3]。此外，抗生素滥用现象导致了抗生素耐药性尿路病原体的出现和广泛传播。目前，关于人体微生物群落的研究已取得一定进展，但泌尿系统微生物组与宿主的关系和基本生物学原理尚未阐明，现就泌尿道微生物与UTI的研究进展综述如下。

1 泌尿道微生物

人类微生物组是指人体内常驻微生物群的所有基因组信息的总和，即在人体内繁殖的非人类生命。多年研究[4-6]结果显示，人体的不同解剖部位藏有不同的微生物种群。人体尿道内存在着常驻微生物群落，相关研究[7-11]目前正在持续开展。这些人类泌尿道微生物群的较新数据，对此前几十年来的泌尿生殖系统健康理论和临床实践结果提出了异议[8, 12]。下尿路以往被认为是无菌环境，当这个环境的细菌培养结果提示存在细菌，即说明有感染发生，然而较新的研究[7, 12-15]结果表明，在健康条件下，尿液中也存在着细菌和其他微生物。在身体的其他区域(如肠道和阴道)，常驻微生物在维持平衡方面具有关键作用，这些群落的失调与疾病的发生有关[16-17]。使用益生菌、益生元治疗或微生物群移植来调节这些微生物群落，已被制定为一种治疗相关疾病的策略[18]。同样，阐明健康个体的泌尿道微生物群，并确定发生膀胱疾病期间的微生物组成的改变，可能会从根本上改变膀胱疾病的临床治疗方式[19-20]。关于肠道微生物群的研究[21-23]结果表明，过量使用、长期使用或不正确使用抗生素会改变微生物的组成，使宿主容易受到致病菌(如艰难梭菌)的侵袭。泌尿系统微生物群的临床证据尚不充足，但类似现象的出现，可在一定程度上解释采用抗生素治疗无症状菌尿为何会明显升高年轻女性的UTI复发风险[24]。采用抗生素治疗急性UTI和rUTIs, 可抑制病原菌的生长，并减少有益菌的数量。因此，了解正常泌尿系统微生物群可改变膀胱疾病的治疗方式，使临床更加注重重建有弹性的微生物群，以降低宿主对致病菌的敏感性，而非注重采用抗生素破坏致病菌，这不可避免地会对正常微生物群造成破坏[25]。相关研究[26]估计，女性和男性人体中分别有441 012个和381 012个微生物细胞集落。随着新一代测序技术的出现，人类微生物组的研究已取得了重大进展[27]。

2 泌尿道微生物环境

影响微生物繁殖的因素包括pH值、氧张力、渗透压、营养物质的利用率、黏附部位和免疫相互作用等[28]。SHANNON M B等[29]报道，膀胱尿氧张力的变化与泌尿道微生物群组成的变化有关。重要的是，为了支持微生物的生长，泌尿道中必须含有可补充的营养源[30-31]。在健康排尿状态下，泌尿道像一个恒化器，不断地充盈和排泄尿液，据研究[32]推测，新尿液的流入为常驻微生物提供了营养。有趣的是，已知在泌尿道上定植的许多人类共生菌，如乳酸菌属、双歧杆菌属和链球菌属表达的酶可将各种细胞外葡萄糖聚胺降解为较小的可代谢糖类[33-35]。

3 UTI与微生物变化

UTI是女性最常见的感染之一，泌尿道微生物的组成与UTI发病率之间的关系目前正受到临床广泛关注。识别触发泌尿道内持久性细菌种群重新出现的机制信号，对了解rUTI的发病机制至关重要。GILBERT N M等[36]研究显示，短暂接触阴道微生物群，特别是阴道加德纳菌，可以唤醒静止的尿路致病性大肠杆菌库，导致膀胱腔的重新接种，上皮细胞死亡和脱落，以及肾脏损伤。迄今为止，很少有元基因组研究直接剖析UTI期间的泌尿道微生物组情况，因此目前仍不清楚感染期间和感染后的泌尿道微生物群落是如何变化的。先进的培养技术已被用于描述感染过程中尿道微生物群的组成情况，且目前已建立了用于研究和临床实验室的健全程序。PRICE T K等[37]报道, UTI患者与健康对照组的几个物种的丰度存在差异，例如，与健康对照组比较, UTI组肺炎克雷伯菌、无乳链球菌、尿道气球菌、粪肠球菌、大肠埃希氏杆菌、金黃葡萄球菌和咽峡炎链球菌富集。

MOUSTAFA A等[38]在121个无污染尿液样本上同时使用16S rRNA扩增子测序和全基因组枪式元基因组测序法对泌尿生殖道(UGT)微生物组的细菌、病毒和真核成分进行分析，确定了患者尿液内的3种微生物特征(有2种与UTI无关，以放线菌和厚壁菌门为主; UTI相关的微生物群以蛋白菌为主，包括许多尿路病原菌，如大肠杆菌、克雷伯菌、假单胞菌属和肠杆菌属; 检测到几个与感染相关的新菌群，如食酸菌属、罗丹杆菌和寡源杆菌属)，还检测到哺乳动物病毒和芽孢杆菌，表明需进一步研究泌尿系统微生物组中的病毒成分，以充分描述生态系统的特征。2019年MULDER M等[39]应用无污染尿液评估抗生素治疗对老年人泌尿道微生物组组成的影响，发现抗生素治疗与泌尿道微生物组组成的改变有关，且有益健康的UGT乳酸菌属在近期有抗生素使用史的患者中明显枯竭，而泌尿系病原菌种则明显富集。相关研究[40]表明，阴道微生物组可能作为UTI和rUTI的保护性共生物种的储备来支持UGT的健康。研究[41]发现，与采用安慰剂治疗的患者相比，采用阴道卷曲乳杆菌治疗的患者rUTI发生率有一定程度的降低。

4 新兴疗法

4.1 仿糖抗粘接剂

许多常见的尿路病原体通过各种策略黏附在宿主组织上，从而在特定的环境中定居并引起感染; 菌毛介导的UPEC和其他革兰氏阴性细菌与糖蛋白上糖基的结合可以被糖类小分子的存在所抑制，这些糖类小分子通过占据菌毛黏附素的结合袋来竞争与受体的相互作用; 甘露糖甙是高亲和力甘露糖类似物，与1型菌毛顶端的FimH黏附素结合，防止与膀胱和结肠中的甘露糖基糖蛋白黏附[42-45]。

临床通过对结构-活性关系的阐明，开发出了抑制FimH功能的甘露糖甙，其效力比α-D-甘露糖高106倍，并大大提高了生物利用率和半衰期。甘露糖甙是口服生物制剂，在小鼠UTI模型中，治疗6 h后就可使膀胱细菌减少4个对数单位[46-47]。胃肠道是UPEC的最终定植地，而FimH黏附素已被证明在维持小鼠此类定植方面具有关键作用; 某一宿主体内的这一储量的消耗预计将降低rUTIs的发生率; 小鼠口服甘露糖甙可以选择性地从尿和胃肠道中同时清除UPEC; 与抗生素降低了肠道微生物群的复杂性不同的是，甘露糖甙在急性膀胱炎和胃肠道菌群小鼠模型中不改变原生微生物群的结构[42]。

相关研究[48]使用小分子受体类似物来抑制Fml菌毛介导的对肾脏上皮和慢性感染膀胱中表达的含有N2乙酰半乳糖胺受体的黏附。这些高亲和力的半乳糖苷对FmlH黏附素的亲和力比N2乙酰半乳糖胺高2 000倍，可使感染小鼠膀胱和肾脏的细菌滴度降低约1.5个对数单位; 与单用半乳糖苷或甘露糖甙相比，半乳糖苷与甘露糖甙联合应用于小鼠时，可将肾脏负担降低到检测极限以下，并能大大减轻膀胱负担[49]。以上研究表明，糖类化合物有望成为预防和治疗UPEC引起的急性、慢性和复发性UTI的抗生素节约型疗法。

4.2 益生菌

使用无症状菌株对尿路进行定植，有希望成为预防UTI的新方法，一项旨在使大肠杆菌菌株工程化以包含CsgA融合蛋白的研究[50]显示，生物活性分子与CsgA卷曲亚基的融合可以增强细菌与肠道黏蛋白的相互作用，并提升其持久性。由此表明，定向生物工程加上对有益宿主微生物群现有成员的微生物学表征的研究，可能会开发出具有增强益生菌活性作用的治疗菌株，用于预防UTI。益生菌的额外潜力还延伸到了阴道微生物群方面，相关研究[51]显示，含有乳酸菌种的益生菌可与阴道雌激素霜配合用于UTI的预防。

4.3 免疫调节疗法

持续菌尿症和rUTIs患者活检结果显示, B细胞和浆细胞迁移，并在黏膜下层发育淋巴结[52]。非特异性环氧化酶(COX)——COX1和COX2负责合成促炎性前列腺素，是非甾体抗炎药(NSAID)的靶点，包括萘普生、布洛芬、阿司匹林和吲哚美辛等药物[53]。COX2的活性在炎症部位占主导地位，在急性膀胱炎期间，人和小鼠膀胱中的中性粒细胞和尿道细胞中的COX2活性增强，对慢性膀胱炎的进展具有很强的预测性。塞来昔布可选择性抑制COX2, 以避免非特异性抑制COX1引起的胃肠道溃疡，在小鼠膀胱炎模型中，抑制COX2, 可通过防止黏膜损伤和使膀胱上皮再生，降低急性膀胱炎的严重程度和慢性感染的发生率[54]。人体试验[55]结果也表明，口服NSAID对UTI患者具有一定的疗效。虽然单独使用NSAID治疗的女性患者往往症状持续时间较长，有些患者随后还需使用抗生素，但对于希望避免使用抗生素的女性患者来说，NSAID似乎是一种可行的对症治疗选择[56-57]。遗憾的是，包括慢性间质性肾炎和胃肠道溃疡在内的副作用可能会限制非选择性NSAID治疗在慢性rUTIs女性患者中的应用。

5 展 望

有症状的UTI患者通常采用广谱抗生素进行治疗，然而，抗生素耐药性的增强和其对肠道微生物群的影响，提高了患者对可替代抗生素疗法的UTI治疗方法的需求。详细了解UTI的发病机制，是临床开发有效治疗UTI的新型抗菌药物的关键。通过对代谢组学和基因表达的研究，人们开始了解细菌毒力在整个感染周期中的动态调控情况，从而能准确地确定细菌毒力的决定因素，并将其作为适当的研究目标。随着临床对泌尿系微生物组有了更深入的研究，许多UTI和rUTIs患者期待着新型疗法的出现，从而实现生活质量的改善。