细菌性脑膜炎概述

彭 忠，李春辉，陈焕春，王湘如

(1. 华中农业大学动物医学院 农业微生物学国家重点实验室 生猪健康养殖协同创新中心，湖北 武汉 430070； 2. 中南大学湘雅医院医院感染控制中心，湖南 长沙 410008)

细菌性脑膜炎(bacterial meningitis, BM)是指由于病原菌感染蛛网膜下腔从而导致宿主大脑皮层发生炎症的一种在世界范围内均具有较高发病率和病死率的感染性疾病[1]。BM每年在全球范围内造成数十万人死亡，并且30%～50%的存活者表现出不同程度的神经系统后遗症[2]。在发达国家，BM每年人群发病率约为5/100 000(成年人)；而在次发达国家，这一比例约为发达国家的10倍[3]。BM也是兽医临床上常见的疾病之一，严重危害家畜、家禽及野生动物的健康安全和畜牧业的健康发展。

近年来，疫苗的大规模接种和医疗水平的大幅度提高较好地控制了BM在世界范围内的大流行[1]，但社区获得性BM(community-acquired bacterial meningitis，CA-BM)依然是世界各国尤其是低收入国家引起较高发病率和病死率的重要疾病[4]。近年来，随着研究的不断深入，人们对BM的发生机制已有较为清晰的认识。本文将重点围绕BM的病原学和流行病学特点、发病机制及诊断治疗现状进行综述，为进一步认识BM的发生发展及防控治疗提供参考。

1 BM的病原学和流行病学

理论上，几乎所有对人或者动物具有致病性的细菌均可引起脑膜炎[1]。历史上，流感嗜血杆菌(Haemophilusinfluenzae)尤其是b型流感嗜血杆菌(Hib)、肺炎链球菌(Streptococcuspneumoniae, SP)和脑膜炎奈瑟氏菌(Neisseriameningitidis, NM)是世界范围内引起BM的三大致病菌[3]。然而随着预防措施的持续加强，尤其是Hib疫苗在儿童中的大规模接种，使流感嗜血杆菌脑膜炎在发达国家几乎被根除。取而代之的是SP成为引起非新生儿阶段群体脑膜炎的最常见病原菌。近年的研究[5-6]表明，SP和NM已成为引起CA-BM的最常见病原菌，但是这两种病原菌在不同的年龄群体以及不同地区间表现为不同的流行趋势。通常情况下，SP脑膜炎多见于5岁以下的儿童以及65岁以上的老年群体[7]。需要特别注意的是，临床上SP耐药菌株尤其是耐青霉素SP的增加正在加重其感染的治疗负担。在美国部分地区，耐药SP的流行高达50%～70%，已经对临床治疗造成重要影响[6]。NM脑膜炎则多见于年轻成人群体，并且多表现为散发[7]。NM脑膜炎一般在冬季和早春达到发病高峰，其在不同地区的发病率也不尽相同，小范围暴发可见于学校学生宿舍等人口聚集的地方，而其大规模流行亦可周期性地发生于撒哈拉以南的非洲、欧洲、亚洲和南美洲的许多地方[8]。

在高收入国家，疫苗的广泛接种使BM发病率持续下降。在过去10～20年，芬兰、荷兰、美国等欧美国家BM发病率从每年3%～4%下降至每年0.7/100 000～0.9/100 000[8]。与欧美发达国家形成强烈对比的是布基纳法索、马拉维等非洲国家，BM发病率仍以每年10/100 000～40/100 000的速度递增[8-9]。

B群链球菌(group Bstreptococcus, GBS)和单核细胞增生李斯特菌(Listeriamonocytogenes, LM)也是引起脑膜炎的常见病原菌[6]。GBS可引起新生儿败血症和脑膜炎；而LM引起的脑膜炎则多见于新生儿和酗酒、免疫力低下或铁过载的成年人以及妊娠妇女和老人群体。此外，尽管在常规接种Hib疫苗的国家流感嗜血杆菌脑膜炎已经变得极少见，但是在世界上的许多地区尤其是低收入地区，Hib依然是引起儿童脑膜炎的重要病原菌[8]。已报道的可以引起脑膜炎的病原菌还包括脑膜炎球菌、大肠埃希菌(Escherichiacoli)、多杀性巴氏杆菌(Pasteurellamultocida)、结核分枝杆菌(Mycobacteriumtuberculosis)[2, 10-12]。我国曾在1938—1977年发生过5次A群脑膜炎球菌病(MenA)暴发，发病高峰出现在1967年，达403/100 000；然而在20世纪80年代，由于MenA多糖疫苗的接种使该病的发病率大幅下降。20世纪50～80年代，我国以MenA为主，流行菌株的序列型(sequence type，ST型)ST5、ST3和ST7；2003年C群脑膜炎球菌(ST4821)开始出现并流行；2006年，W135群脑膜炎球菌(ST11)开始出现并流行；2015年开始出现MenB(ST4821)的流行；2016年，从我国天津一例患者体内分离出NM血清群Y，但之后在我国并未出现MenY本土病例的报道[10]。在部分养猪业比较发达的亚洲国家如中国、越南和泰国，R群产溶血素链球菌(链球菌2型)也是导致脑膜炎的主要病原菌[13]。

2 BM发生的风险因素及机制

BM发生的风险因素包括年龄、免疫功能、遗传因素以及不良的生活习惯[6]。一般而言，新生儿和老年人是BM的多发群体；而免疫功能缺陷群体易暴露在某些病原菌如SP和LM引起脑膜炎的风险中；有某些免疫抑制性病原体如人类免疫缺陷病毒(HIV)引起的T细胞缺失患者也容易患该病；遗传性因素如先天补体成分缺失或者无脾以及不良的生活和社交习惯如吸烟等也会增加BM的发生风险[14-15]。此外，特定的种族也被发现具有更高的BM发病率，如印第安土著居民相对于美国普通群体而言具有更高的Hib脑膜炎发病率[16]。

目前，关于BM的发生机制尚不完全清楚。致脑膜炎病原菌可通过血流或者经由与大脑邻近的部位如鼻旁窦、内耳乳突等感染到达蛛网膜下腔。病原菌随血流入侵一般被认为是其进入蛛网膜下腔的主要途径，涉及到病原菌的黏膜定植、侵入血液、在血液中生存和复制以及最终穿过血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)等多个过程[2, 6, 17]，见图1。其中病原菌在血液中生存、复制并形成高滴度的菌血症有助于病原菌随着血流到达BBB[17-18]。然而并非所有的个体在病原菌侵入血液后都会发生血流感染。尽管对其中的相关机制还不十分清楚，但是已有研究表明这可能涉及到环境因素以及宿主和病原先天因素的相互作用。例如细菌血流感染多见于某些病毒如流感病毒感染之后的患者或者有不良生活习惯如吸烟、酗酒的患者[14, 19]。此外，先天性无脾、补体缺失、接受过免疫抑制剂治疗以及抗体缺陷的患者也易发生血流感染[20]。某些遗传因素如核转录因子κB抑制因子α(IκBα)发生突变的个体或者是免疫相关受体分子如Toll样受体9分子发生基因突变的个体也容易发生SP或者脑膜炎球菌感染[21-22]。

进入血流后，致脑膜炎病原菌可以在多种细菌表面成分如多糖荚膜以及表面蛋白(例如外膜蛋白A、SP表面蛋白PspA、PspC和溶血素蛋白Ply；NM的外膜蛋白H绑定蛋白fHbp、表面蛋白NspA、孔蛋白B以及自动转运单白Na1P等)的帮助下抵抗细胞吞噬或膜攻击复合物(MAC)诱导的溶解作用从而实现生存和复制[6]，进而保证病原菌随血流到达BBB。到达BBB后，致脑膜炎病原菌一般通过三种途径突破血脑屏障，即跨细胞途径(transcellular)、细胞旁路途经(paracellular)和木马途径(trojan-horse)[11]。在跨细胞途径中，病原菌直接通过内化侵入和穿过脑微血管内皮细胞(brain microvascular endothelial cell, BMEC)，不破坏细胞间的紧密连接；细胞旁路途经则是通过破坏细胞间的连接以及诱导细胞损伤来实现的；木马途径主要借助于感染的吞噬细胞实现，见图2。跨细胞途径是绝大多数致脑膜炎病原菌突破BBB的常见方式[18]。当病原菌黏附到BMEC时会介导其在细胞中的内化，这一过程中病原菌会被细胞膜形成的膜结合液泡包裹，形成闭合的液泡并以该方式穿过BMEC单层细胞；在这一过程中病原菌既不会进入胞质，也不会在胞内增殖，同时也不会影响BMEC的可塑性和完整性以及BBB的渗透性[18, 23]。

炎症反应是致脑膜炎病原菌感染过程中引起BBB通透性破坏的重要因素之一。在BM发生过程中，为了应对菌血症(有时也会伴随败血症性休克)和中枢神经系统感染，内皮细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞、室管膜细胞甚至是巨噬细胞等会产生多种促炎因子如TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8的释放，启动炎症级联反应和免疫细胞招募，促进基质蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)产生；MMP的产生会降解细胞外基质，增加BBB的通透性，而炎症级联反应会促进内皮细胞表面的黏附分子如P-Selectin 和E-Selectin、细胞间黏附分子ICAM-1、血管细胞黏附蛋白VCAM-1 等表达，这些黏附分子会招募多种白细胞迁移并黏附到BMEC细胞，产生对BMEC的毒性并引起BMEC凋亡，导致BBB通透性改变和破坏，随后多形核中性粒细胞(polymorphonuclear neutrophils, PMN)进入脑部，最终引起颅内压升高、中枢炎症风暴、神经元损伤以及中枢神经系统机能紊乱甚至死亡[18, 23]。此外，在急性脑膜炎病例中，脑血管内皮细胞还会产生内皮缩血管肽，内皮细胞和小胶质细胞还会产生活性氧(ROS)以及活性氮(RNS)，这些分子均能加重脑部血管的损伤[23]。

BM发生过程中促炎因子的释放、炎症级联反应的启动以及免疫细胞招募与多种信号通路如NF-κB信号、Toll样受体信号(TLRs)、胞嘧啶结合寡聚结构域样受体信号(NLRs)的激活有关，其中以NF-κB信号的激活尤为重要[6, 24]。已有研究发现，当致脑膜炎病原菌黏附到BMEC时，其某些毒力因子(如E. coli K1的IbeA蛋白和FimH蛋白等)与细胞膜上的受体蛋白结合后会激活IκB激酶(IKK)复合物(α/β/γ)。IKK反过来使NF-κB的抑制分子IκBα磷酸化，进而导致IκBα 和NF-κB 的分离并最终导致IκBα的降解。随后，活化的NF-κB进入细胞核调控炎症因子、免疫受体及细胞黏附分子等的表达和嗜中性粒细胞以及单核细胞的招募，进而引发BBB通透性破坏等一系列反应；病原菌黏附入侵BMEC、BMEC中NF-κB激活以及PMN穿过BBB被认为是BM发生的三个重要的标志性事件，其中NF-κB的激活与BBB的破坏及PMN突破BBB引起炎症风暴直接相关[24]。

3 BM的诊断、预防及治疗

BM作为一种需要被紧急救治的疾病，快速、准确的诊断和及时治疗尤为重要[6]。临床症状可以帮助诊断BM，但是最终结果应以实验室诊断为准。不同年龄阶段的患者可表现出不同的临床症状。一般而言，新生儿患者多表现出食欲减退、狂躁易怒、肌张力过高或张力减退、呼吸困难等非典型症状；此外有40%以内的新生儿患者会出现发热，而有35%以内的新生儿患者会出现癫痫。非新生儿患者则可表现为头痛(83%)、颈部强直(74%)、发热(74%患者体温>38℃)、恐光、恶心及呕吐等症状；部分成人患者还可见失语、轻偏瘫、癫痫、脑神经麻痹等局部性神经症状。需要注意的是，瘀斑皮疹常被作为脑膜炎球菌感染的一个标志，但也可见于SP感染的病例中。

对于疑似BM患者应进行腰椎穿刺，收集脑脊液(CSF)标本进行实验室检测。50%～80%的患者也可通过血培养出病原菌。CSF中白细胞的数量以及蛋白和葡萄糖的含量均可以作为诊断BM的重要指标。一般而言，对于BM患者，其往往表现为腰椎穿刺时压力升高，CSF白细胞计数>1 000个/μL、中性粒细胞计数增多、CSF中蛋白含量升高(>100 mg/dL)、葡萄糖含量下降(<30 mg/dL)[25]。需要注意的是，临床上有大约0.2%的SP脑膜炎患者和10%的脑膜炎球菌感染者不会表现出CSF细胞增多[26]。因此，即便是对于白细胞计数正常的疑似患者，依然需要进行CSF细菌培养和CSF革兰染色检查。需要特别指出的是，临床上还应注意BM和病毒性脑膜炎、结核性脑膜炎的鉴别诊断。

随着分子生物技术的发展，近年来下一代测序技术(next-generation sequencing, NGS)也被应用于BM的快速诊断[27-29]。相对于传统的诊断方法而言，NGS诊断具备更高的敏感性、准确性和诊断效率[30-31]。例如，在最近的一篇报道[27]中，NGS技术帮助1例临床症状疑似结核性脑膜炎，但最终确诊为LM感染的患者大大节约了诊断时间，为及时治疗提供了保证。此外，NGS技术在快速诊断由新病原菌引起的脑膜炎病例以及开展病原菌溯源等方面也具备优势。在一项报道中，利用NGS技术发现导致日本一家农场工人脑膜炎的链球菌2型ST28与分离自猪体的链球菌亲缘关系较高，表明该型菌株可能来源于猪[29]。

对于确诊患者应当及时给予抗菌药物治疗，但治疗早期抗菌药物的选择应基于患者的年龄、临床表现以及病原菌的药敏试验结果作出综合判断。在病原学未明确之前也可结合感染流行病学特点给予经验性抗感染治疗。不同感染病原菌BM患者抗菌药物治疗给药方案推荐[6]见表1。另外，在使用抗菌药物治疗的过程中应充分考虑细菌的耐药性问题，从而作出最佳的用药方案。

表1 不同感染病原菌脑膜炎患者抗菌药物治疗给药方案

除了抗菌药物治疗外，接种疫苗也是预防BM发生的有效方法。第一代脑膜炎球菌、SP以及Hib疫苗主要基于纯化的荚膜多糖研发，这些疫苗在2岁以下幼儿中的效果有限。目前使用的商业化疫苗多为包含荚膜多糖和载体蛋白等多种成分的疫苗，这类蛋白-多糖疫苗能够有效激发不同人群甚至是新生儿的T细胞免疫应答；此外，还有基于蛋白抗原的B群NM疫苗[15]。见表2。这些疫苗的扩大接种可有效降低BM在世界范围内的发病率和病死率。

表2 用于预防主要致脑膜炎病原菌的疫苗

4 展望

BM依然是在世界范围内流行并且具有较高病死率的传染病之一，尤其是在非洲和亚洲等经济落后的国家和地区，BM的流行和发病依然十分严重。提前预防、快速准确诊断和及时给予疑似或者确诊BM患者合适的治疗是有效降低该病发病率和病死率的关键。尽管现代医学在针对BM的疫苗研发、科学管理和合理治疗等方面已经取得了长足的进步，但是随着细菌耐药性的产生和广泛传播以及不断有新血清群的致脑膜炎病原菌的发生与流行，研发新的治疗型抗菌药物以及开发新的疫苗在未来十分必要。此外，防控BM的流行还应加强医疗公共卫生领域的投入，提升医疗硬件设施和水平，同时也需要强化对公众的公共卫生宣传和教育培训，使得传染病防控的观念深入人心。