金黄色葡萄球菌的致病机制

孙建林，吕新翔

(内蒙古医科大学附属医院皮肤科，呼和浩特 010059)

金黄色葡萄球菌是一种重要的人畜共患病原体，可引起人和动物的多种感染和疾病，包括皮肤感染、肺炎、感染性关节炎、心内膜炎、中毒性休克综合征(toxic shock syndrome,TSS)和脓毒症。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA)是致病菌之一。自1961年报告MRSA以来，这种菌株的发病率已经蔓延到世界各地。MRSA的流行病学具有遗传多样性，其主要特征是连续出现流行毒株。虽然近年来MRSA在一些地区的发病率有所下降，但其整体发病率和死亡率一直居高不下，仍对临床构成巨大威胁[1]。研究表明，与配对未感染住院患者相比，金黄色葡萄球菌感染患者的年病死率高20.2%[2]。金黄色葡萄球菌要入侵并在宿主体内生存，需要产生不同的毒力因子，如与运动、黏附、毒素分泌和宿主防御逃避有关的基因产物[3]。一直以来，抗生素是对抗金黄色葡萄球菌感染的主要药物。虽然这些抗生素最初非常有效，但它们的高选择性压力和不合理使用导致了耐药细菌的出现、流行和蔓延。事实上，MRSA、万古霉素耐药金黄色葡萄球菌和达托霉素耐药金黄色葡萄球菌分别在甲氧西林、万古霉素和达托霉素临床应用后的短时间内被报道。目前被广泛报道用于治疗金黄色葡萄球菌感染的替代策略包括抗毒力疗法、光动力疗法、噬菌体疗法和疫苗等[4]。可见，干扰细菌毒力可能使宿主免疫系统抑制细菌入侵，从而减轻损伤。现对金黄色葡萄球菌常见的几种毒力因子进行综述，以为今后临床治疗相关感染提供策略及思路。

1 金黄色葡萄球菌毒力因子概述

金黄色葡萄球菌作为病原体能够成功致病部分源于其产生大量毒力因子的能力，这些毒力因子有助于细菌黏附、营养获取和宿主免疫逃逸[5]。这些因子包括结构成分(胶原、纤维蛋白原、弹性蛋白结合蛋白、青霉素结合蛋白、磷壁酸、蛋白质α，β-内酰胺酶、蛋白酶、黏液)、酶(凝固酶、葡萄激酶、DNA、磷酸酶、脂肪酶、磷脂酶、透明质酸酶)和毒素[杀白细胞素、葡萄球菌肠毒素(Staphylococcus enterotoxins,SEs)、TSS毒素-1(TSS toxin 1，TSST-1)、溶血素和脱落毒素]。此外，金黄色葡萄球菌能够在表面附着，形成生物膜，并持续存在于宿主体内，导致危及生命的感染[6]。因此，分析金黄色葡萄球菌毒力基因谱对预测感染有重要意义。

2 致病机制

2.1杀白细胞素 杀白细胞素是一种成孔的双组分毒素，专门攻击免疫细胞。目前有7种不同类型的杀白细胞素，其中潘顿-瓦伦丁杀白细胞素(Panton-Valentine leukocidin,PVL)是对免疫细胞作用最强的毒素，其他细胞毒素，如LukPQ和LukMF′也很重要，但只对有限的宿主物种有效，包括反刍动物。PVL由2个相邻和共转录的基因(Luks-PV和LukF-PV)编码。PVL是协同膜亲和性毒素家族中的一员，能在细胞膜上诱导孔隙形成。它存在于大多数社区相关的MRSA分离株中，在医院分离株中很少出现，因此被认为是社区获得性菌株的标志。流行病学数据表明，社区获得性MRSA的高毒力与PVL基因有关[7]，但PVL与发病相关的直接证据有限。

第1例PVL阳性的MRSA于1990年末被发现，这些菌株在近年已经遍布全球。PVL通过坏死、加速多形核细胞、单核细胞的凋亡和破坏增加金黄色葡萄球菌的致病性，从而导致发病和死亡[8]。然而，关于其在提高金黄色葡萄球菌毒力及致病性方面的作用尚有争议。

来自不同国家的报告显示，MRSA分离株中PVL的患病率不断上升。印度MRSA和甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌(methicillin-sensitive Staphylococcus aureus,MSSA)中PVL的总患病率为62.85%(MRSA为85.1%、MSSA为48.8%)；世界其他地区报告的PVL患病率较低(法国5%、英国4.9%、沙特阿拉伯8.1%、孟加拉国14.3%)，反映出PVL的患病率因地理位置和人口的不同而有很大差异[9]。因此，了解其地区分布特点对防治感染意义重大。

2.2SEs SEs是引起人类食物中毒的主要原因，包括5种经典血清学类型(SEA、SEB、SEC、SED和SEE)。据报道，这些经典的SEs导致葡萄球菌食物中毒发生率高达95%。在过去的20年中，已经报道了新型的SEs和SEl(SE-like)毒素(SEG～SEl、SElJ、SEK～SET、SElU、SElV、SElX和SElY)。在肠毒素中，SEA是导致全球葡萄球菌食物中毒的最主要肠毒素类型，其次为SED和SEB[10]。此外，SEs还与其他疾病有关，如过敏、哮喘、慢性阻塞性肺疾病、猩红热、肾小球肾炎和血管炎[11]。

SEs属于超抗原家族，是强大的非特异性T细胞刺激物，可引起免疫反应不受调控的激活。如果这种刺激持续，将产生大量的细胞因子超负荷，这是TSS的临床标志，其特征是迅速发热、器官衰竭和死亡率高。与金黄色葡萄球菌产生的其他大多数分泌毒素不同，SEs仅需微量即可对人体产生毒性。此外，SEs对极端变性条件(如低pH值、加热和蛋白水解消化)具有显著的耐受性[12]。

除了对宿主的毒性作用外，SEs还是一种强烈的诱发呕吐的毒素。有关产肠毒素金黄色葡萄球菌参与葡萄球菌食物中毒的报道可以追溯到20世纪初。然而，直到20世纪30年代，才将两者联系起来。在健康人群中，葡萄球菌食物中毒是一种急性发作的疾病，主要表现为恶心、呕吐、腹部痉挛、腹泻等，通常在摄入被产生肠毒素的金黄色葡萄球菌污染的食物后3～9 h出现。葡萄球菌食物中毒通常是自限性的，症状发作后1～3 d即可恢复。但在年轻人、老年人和免疫力低下的患者中症状可能更严重。SEs能够穿越肠道内的酸性环境到达肠道，表明在没有活细菌的情况下，也可以发生葡萄球菌食物中毒[13]。这些综合特性使SEs成为潜在的“生物恐怖分子”。

2.3TSST-1 超抗原是由葡萄球菌(主要是金黄色葡萄球菌)和β-溶血性链球菌产生的蛋白质大家族[14]。金黄色葡萄球菌超抗原是一类非糖化的小分子外源蛋白家族，具有极强的耐热、耐酸、耐蛋白水解、耐干燥等特性。这个家族产生的毒素能够触发过度和异常的T细胞激活和细胞因子的释放，从而系统地干扰免疫系统的功能。超抗原的生物毒性使它们成为导致危及生命感染的关键因素。由tst基因编码的TSST-1是超抗原的重要成员，在易感宿主中可导致葡萄球菌TSS[15]。TSS是一种潜在的危及生命的疾病，其特征是高热、弥漫性红斑疹、皮肤脱皮、休克和多个器官系统的功能障碍。据报道，TSS主要发生在月经期的年轻女性，而TSST-1是几乎所有经期TSS病例的主要致病因子[16]，这可能是由其独特的穿越阴道黏膜表面的能力决定。

20世纪80年代初，tst基因被发现在枯草芽孢杆菌中克隆和表达，并被证实与家兔的TSS有关，提示 tst基因在TSS的发病机制中起重要作用[17]。TSST-1能够增强内毒素诱导的金黄色葡萄球菌休克和免疫抑制反应。研究发现，TSST-1在金黄色葡萄球菌感染性心内膜炎发病过程中对细胞结合和分泌的内皮细胞活化标志物具有差异性调节作用，可能导致天然免疫应答失调，提示TSST-1在金黄色葡萄球菌感染性心内膜炎发病机制中起重要作用[18]。然而，金黄色葡萄球菌TSS的发病机制尚不清楚。

2.4溶血素 溶血素分为α溶血素、β溶血素、δ溶血素、γ溶血素及γ溶血素变异体(由hla、hlb、hld、hlg、hlg-2等基因编码)，溶血素具有选择性溶血作用，通过最初与靶细胞膜的结合而导致细胞损伤[19]。其中，α溶血素(Hla)是金黄色葡萄球菌常见的分泌型毒力蛋白，是一种能破坏红细胞、血小板等宿主细胞膜的致孔毒素，这会导致细胞溶解，然后导致溶血[20]。Hla在各种动物模型中对金黄色葡萄球菌的毒力是必不可少的，包括皮肤和软组织感染、肺炎和菌血症。体外实验表明，Hla对许多哺乳动物细胞(包括红细胞、血小板)均有毒性。该毒素以水溶性单体的形式与易感靶细胞接触时，会形成跨膜稳定的七聚体通道，导致宿主细胞裂解或死亡[4]。此外，Hla是金黄色葡萄球菌逃避宿主免疫系统的主要毒力因子。

2.5脱落毒素 脱落毒素又称表皮溶解性毒素，是金黄色葡萄球菌分泌的一种极具特异性的丝氨酸蛋白酶。这些蛋白酶能够识别并水解皮肤浅层中的桥粒钙黏附素。脱落毒素是一种外毒素，与宿主表皮角质形成细胞之间连接的裂解和细胞与细胞的黏附有关，可导致皮肤脱落和水疱形成[21]。目前已知的主要脱落毒素是脱落毒素A、脱落毒素B、脱落毒素C、脱落毒素D。脱落毒素A和脱落毒素B对人类皮肤损伤的影响最大，而脱落毒素C只能从马感染中分离出来，没有发现与人类疾病相关。脱落毒素D于2002年从金黄色葡萄球菌的临床样本中发现[22]。这些脱落毒素由大约5%的金黄色葡萄球菌菌株产生，脱落毒素A在欧洲、非洲和美洲最为流行，脱落毒素B在日本更为常见。某些金黄色葡萄球菌脱落毒素的产生与局部表皮感染(如大疱性脓疱病)和全身性疾病(如葡萄球菌烫伤样皮肤综合征)有关[23]。

然而，有研究报道了一种新的脱落毒素，即脱落毒素E，常与绵羊金黄色葡萄球菌分离株相关。值得注意的是，以前在与绵羊轻度乳腺炎相关的金黄色葡萄球菌菌株中发现了ete基因。因此，脱落毒素E可能是母羊乳腺炎中金黄色葡萄球菌毒力的标志。它是否以及如何为金黄色葡萄球菌在乳房内的定植和滞留提供选择优势仍有待阐明[24]，但这可能对乳腺炎的诊断和控制有重要价值。

2.6生物膜 生物膜被定义为附着在表面上的细菌细胞的有序组合，并嵌入由DNA、多糖和(或)蛋白质组成的细胞外基质中，这种基质提供了一种保护性的物理屏障，以抵御环境条件的剧烈变化[25]。葡萄球菌生物膜出现在植入式医疗设备(导管、假肢关节、植入物等)上，也出现在慢性伤口、心内膜炎或骨髓炎的生物膜样感染的宿主组织中[26]。

金黄色葡萄球菌生物膜的发育经历了附着、积累和扩散3个阶段。生物膜的形成始于金黄色葡萄球菌细胞最初附着在未涂层的或血浆和宿主细胞外基质蛋白涂层的导管和生物膜样组织上，随后形成细菌聚集体[27]。生物膜多层结构的发展需要增殖细胞通过产生细胞外基质进行细胞间聚集。一般来说，金黄色葡萄球菌中的细胞外基质由多糖、磷壁酸、环境DNA和金黄色葡萄球菌的几种表面蛋白组成，但不同的金黄色葡萄球菌分离株生物膜内存在的单个成分的数量有所不同[28]。最终，当生物膜足够成熟时，被困在生物膜结构中的细菌可以在特定条件下释放和扩散，如压力因素的减少。因此，新的游离细菌能够在新的表面上定植，以发现新的营养物质，如通过造血的方式。而被称为群体感应的细菌通信模式对于实现这一步尤为重要。金黄色葡萄球菌中最著名的群体感应系统是Agr(辅助基因调节器)。它的调节以细胞密度为基础，根据生物膜的状态，控制细胞表面蛋白、表面黏附素或毒力因子的分泌，从而参与生物膜的成熟和细菌扩散[29]。生物膜对宿主免疫系统和抗生素具有抵抗力，导致葡萄球菌性疾病的持久性和难治性。

2.7凝集因子 金黄色葡萄球菌表面有许多暴露的蛋白质被称为“识别黏附基质分子的微生物表面成分”，介导细菌在宿主细胞中的定植、入侵和繁殖。凝集因子是识别黏附基质分子的微生物表面成分家族的微生物表面成分之一。凝集因子A和凝集因子B是金黄色葡萄球菌重要的黏附毒素，它们有助于引发感染。在众多金黄色葡萄球菌表面黏附素中，凝集因子A已被证明在严重的血液感染中起重要作用。凝集因子A可特异性结合纤维蛋白原，并促进细菌对纤维蛋白原的黏附和细菌聚集，这两个都是金黄色葡萄球菌血流感染发生的关键特征[30]。凝集因子A通过与损伤部位的纤维蛋白或纤维蛋白原结合，或涂覆在留置装置上，可以促进细菌定植和细菌聚集，进而增强细菌的侵袭性。据报道，凝集因子A也会损害调理吞噬作用所需的补体沉积[31]。

2.8纤维连接蛋白结合蛋白(fibronectin-binding proteins,FnBPs) 金黄色葡萄球菌的致病机制还与表面FnBPs的表达有关。金黄色葡萄球菌有2个主要的FnBPs：FnBPA和FnBPB，它们分别由2个紧密连锁的基因fnbA和fnbB编码。金黄色葡萄球菌菌株均含有至少1个fnb基因，而许多菌株有2个fnb基因[32]。其中，FnBPA蛋白广泛存在于体液、血液凝块和细胞外基质中，其主要功能与大多数真核细胞蛋白介导的黏附能力有关，但它也与金黄色葡萄球菌细胞结合，并作为各种微生物的黏附底物[33]。这代表着金黄色葡萄球菌在宿主组织的定植和感染的发展迈出了关键的一步。

3 小 结

目前，传统的抗生素仍是治疗金黄色葡萄球菌感染最常用的方法。然而，这些抗生素的长期使用增加了细菌的生存压力，导致抗药性细菌变种的选择和存活，抗生素对耐药细菌感染的疗效降低，甚至没有效果。因此，通过了解金黄色葡萄球菌的致病机制，分析常见的毒力因子，可为将来针对基因靶点预防及治疗金黄色葡萄球菌感染提供可能，这对于指导临床医师合理用药，进一步减少耐药菌株的产生起着至关重要的作用。