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高毒力肺炎克雷伯杆菌的临床特征和高毒力机
本文原载于《国际呼吸杂志》年第3期
年Friedlander从肺炎患者的肺组织中分离出一种具有荚膜的杆菌，命名为Friedlander杆菌，在年更名为肺炎克雷伯杆菌(Klebsiellapneumoniae)。肺炎克雷伯杆菌一直是对人致病性较强的细菌，在抗生素广泛应用后，肺炎克雷伯杆菌是院内感染的常见菌，导致肺炎、泌尿系统感染、腹腔感染、手术伤口感染及并发的菌血症等。近年来出现了高毒力的肺炎克雷伯杆菌(hypervirulentKlebsillapneumoniae，hvKP)，在年代中期在台湾地区首先被报道，随后世界其他地区包括韩国、美国、加拿大、法国、欧洲、南非、澳洲等均有病例报道，但感染病例主要发生在亚洲地区，在中国大陆也有散发hvKP感染的病例报道。
高毒力肺炎克雷伯杆菌与普通肺炎克雷伯杆菌("classic"Klebsillapneumoniae，cKP)的区别在于以下三点：①cKP多发生在长期卧床或住院的免疫力低下的患者，而hvKP可以感染无基础疾病的年轻人群；②hvKP感染多以原发性肝脓肿为首要症状，并可以转移感染，导致其他组织的感染包括脾脓肿、肺炎、眼内炎等，这种肺炎克雷伯杆菌引起肝脓肿合并转移感染的临床症状又称为侵袭性肺炎克雷伯杆菌肝脓肿综合征，这种转移感染能力在革兰阳性菌中常见，如金黄色葡萄球菌的感染，但在革兰阴性菌中少见；③hvKP培养后的菌落多为高黏性，所以hvKP也被称为高黏性肺炎克雷伯杆菌，实验室用拉丝试验来测定肺炎克雷伯杆菌的黏性来判定是否为hvKP，具体方法：使用接种环轻触琼脂平板上已过夜培养的新鲜菌落向外牵拉，若有黏液丝并且牵拉长度5mm即判为高黏表型阳性(图1)。研究表明并非所有的hvKP都具有高黏性，但缺乏其他特异性的检查方法，比较可靠的hvKP鉴定方法是拉丝试验结合临床表现(是否具有侵袭性表现)来综合判断。这篇文章所参考的文献鉴定hvKP方法是根据拉丝试验结果伴或不伴临床侵袭性表现。
1 临床特点
hvKP感染病例在世界多个地区均有报道，尽管hvKP感染的患者多为活动且无基础疾病的人群，但hvKP感染的病死率达3%～42%[1]，hvKP肺炎合并菌血症患者病死率为55%[2]，hvKP坏死性筋膜炎患者病死率为47%[3]。可是国内有研究发现hvKP感染的病死率并非这么高，甚至病死率低于cKP(hvKP和cKP的病死率分别是4.5%，16.7%)[4]。hvKP感染多发生于院外，糖尿病患者容易感染，亚洲人的患病率高，有报道日本一对父子都发生hvKP感染，但丈夫发病而妻子携带hvKP无症状[5]，还不能确定是基因易感的原因，还是细菌地区性分布的原因。hvKP感染后可导致各个组织的感染。
1.1 原发性肝脓肿
在台湾地区，原发性肝脓肿年的发病率为17.59/10万，而细菌培养阳性患者中79.9%为肺炎克雷伯杆菌。北京～年研究数据显示77.1%的原发性肝脓肿病原体是肺炎克雷伯杆菌，其中89.1%肺炎克雷伯杆菌是高黏表型的hvKP[6]，hvKP已经成为原发性肝脓肿的主要病原体。
无胆道疾病的健康人群感染原发性肝脓肿是hvKP原发性肝脓肿的特点，11%～80%的病例在hvKP原发性肝脓肿后继发其他组织器官的感染，如肺、胸膜、前列腺、骨髓、关节、肾脏、脾脏、肌肉筋膜、软组织、皮肤、眼和中枢神经系统等部位的感染[1]。hvKP原发性肝脓肿感染途径还未明，可能是经门静脉系统或血液体循环入肝，也可能是经胆道逆行性感染。hvKP原发性肝脓肿除了可能伴发转移感染外，其他临床表现及实验室检查结果和其他细菌感染的肝脓肿表现相似，均有高热、肝区疼痛、白细胞数升高等症状。有报道原发性肝脓肿痊愈数月后在原感染灶或其他组织再次发生感染[5]。
肺炎克雷伯杆菌是脾脓肿的第二常见的病原体(22.2%)，其中伴发原发性脓肿或其他转移感染灶的病例符合hvKP的感染特点[7]，另外还有hvKP腹膜炎的病例报道[4]。
1.2 社区获得性肺炎
肺炎克雷伯杆菌是社区获得性肺炎的常见细菌，根据台湾地区～研究，例社区获得性肺炎中，有49例是肺炎克雷伯杆菌肺炎，其中46例拉丝试验阳性确定是hvKP肺炎，而肺炎链球菌肺炎只占了44例，更严重的是肺炎克雷伯杆菌肺炎的病死率比肺炎链球菌肺炎的病死率更加高，而肺炎克雷伯杆菌肺炎合并菌血症或呼吸衰竭是死亡的危险因素[2]。台湾整个地区的病例研究发现，原发性肝脓肿后发生肺炎的风险是无肝脓肿患者的5.28倍，其中大多数是继发肺炎克雷伯杆菌肺炎(84.9%)[8]。北京地区数据显示肺炎克雷伯杆菌肺炎中有33%病例的是hvKP感染[9]。胸部X线摄影显示hvKP肺炎常双肺受累(65.3%病例双肺感染)[2]。hvKP肺炎和cKP肺炎相比较，cKP肺炎对抗生素耐药性更强，其他临床特征和实验室检查尚未发现明显的区别[10]，但是hvKP肺炎容易并发多发脓肿和菌血症需要特别注意(图2)。
另外台湾有报道由K1、K2荚膜类型肺炎克雷伯杆菌引起的胸腔积脓和复杂性肺炎旁胸腔积液[11]，K1、K2荚膜类型是hvKP的常见荚膜类型，尽管未区分hvKP与cKP感染，但台湾hvKP感染率高，这些感染患者中很可能是hvKP感染。
1.3 眼内炎
hvKP所致的眼内炎首次报道于年，hvKP感染血行性传播导致内源性眼内炎是其感染的严重并发症，也是区别于cKP感染的特征性症状，其他肠道革兰阴性菌导致内源性眼内炎少见。肺炎克雷伯杆菌肝脓肿患者有3%～7.8%发展为眼内炎[12]，hvKP菌血症患者有4.8%发展为眼内炎[13]，18%眼内炎患者中双眼受累。临床症状包括眼部疼痛、红肿以及突发性失明，检查可见眼前房积脓及眼压升高[14]。虽然hvKP眼内炎的发病率不高，但是hvKP眼内炎感染的患者即使积极治疗，仍可能遗留严重的后遗症包括视力下降和失明，感染后视网膜的损伤迅速发展为感光细胞不可逆的坏死和视网膜下脓肿，最终导致有66%～78%的hvKP眼内炎患者严重视力下降至眼前手动视力或者更差，甚至有57.8%～62%的患者为无光感视力，其中有26.5%～75%的患者需要手术治疗[12]，对于糖尿病和治疗前视力损伤严重患者更容易导致预后不良，对于单眼感染者，尽早诊断和治疗可以避免另一个眼睛的损伤[14]。
1.4 其他部位感染症状
hvKP可以感染身体多个组织器官，在一篇报道中，发现hvKP感染症状包括原发性肝脓肿(32.5%)、社区获得性肺炎(20.5%)、泌尿系统感染(10.8%)、胆道系统感染(8.4%)、软组织感染(6%)、脑膜炎(4.8%)、化脓性胸膜炎(4.8%)、自发性腹膜炎(2.4%)和眼内炎(1.2%)，另外有22.9%病例主要表现是菌血症[13]。在台湾地区，hvKP是坏死性筋膜炎的常见病原菌，患病率与A族链球菌所致的坏死性筋膜炎相近，但hvKP病死率更高(hvKP坏死性筋膜炎和A族溶血性链球菌坏死性筋膜炎的病死率分别是47%、19%)[3]。另外还有hvKP感染导致化脓性关节炎合并尿毒症、自体心内膜炎、细菌性动脉瘤及lemierre综合征的报道[15,16]。
2 致病机制
目前研究发现与cKP致病有关的因素包括荚膜多糖、脂多糖、菌毛、外膜蛋白、铁离子的获取和氮源物质的利用等[17]。hvKP除了以上致病因素外，hvKP具有高黏表型和更强的摄铁能力，这可能与hvKP的高毒力密切相关。
2.1 荚膜与高黏表型
肺炎克雷伯杆菌的荚膜是由重复的三糖到六糖组成的酸性多聚糖，由Wzy依赖的聚合途径进行合成。荚膜在肺炎克雷伯杆菌感染过程发挥重要的作用(图2)：①荚膜抵抗吞噬作用。厚荚膜的肺炎克雷伯杆菌能通过封闭结合位点以及内在化来抵抗调理素作用和巨噬细胞、中性粒细胞、上皮细胞和树突状细胞的吞噬作用。与cKP相比，hvKP的荚膜菌株能明显地减少与巨噬细胞的交互作用。另外，hvKP被中性粒细胞吞噬后不仅能逃避中性粒细胞介导的杀菌作用，而且细菌可以利用中性粒细胞转移到其他组织器官，如转移到肝组织导致肝脓肿，这可能就是hvKP容易导致原发性肝脓肿和转移感染的原因。②荚膜抑制早期炎症反应。气道上皮细胞可以产生Toll样受体来识别细菌的保守结构，并激活信号通路以促进细胞因子和趋化因子的释放，进一步产生抗菌物质包括人类β防御素和共刺激分子。荚膜通过抑制TLR2、TLR4信号和NOD1介导的信号通路来抑制上述的炎症反应。③荚膜抵抗抗菌肽。肺炎克雷伯杆菌的荚膜相当于是防御屏障，可以抵抗宿主抗菌肽进入细菌，同时细菌能释放游离的荚膜多糖消耗宿主的抗菌肽。气道上皮细胞产生的人类β防御素是强效的抗菌肽，肺炎克雷伯杆菌的荚膜还能通过抑制Toll受体作用和刺激人类β防御素负调节蛋白的表达来减少人类β防御素的产生。④荚膜抑制树突状细胞的成熟。肺炎克雷伯杆菌的荚膜可以抑制树突状细胞的成熟，减少IL-12和肿瘤坏死因子α(TNF-α)的产生，导致不成熟的树突状细胞功能失常并影响T细胞的激活，最终导致自然杀伤(NK)细胞的迁移减少，有利于细菌躲避宿主免疫系统的攻击并在感染早期更好地繁殖[17]。
肺炎克雷伯杆菌至少有78种荚膜血清类型，既往发现hvKP的荚膜类型是K1、K2类型荚膜，K1和K2荚膜类型曾被认为是hvKP的主要致病因子，因此通过鉴定荚膜类型来确定是否为hvKP，但近年来研究发现hvKP含有8种荚膜血清类型，包括K1、K2、K5、K16、K20、K54、K57和最新发现的KN1[3]。hvKP中K1、K2和非K1、K2的比例为52%～61%、16%～20%和28%[4,18]，表明荚膜类型与hvKP的高毒力特性无关[18]。
hvKP高黏表型和高毒力的原因是细菌的荚膜增厚[1]。肺炎克雷伯杆菌荚膜转录激活因子主要是RmpA/RmpA2，RmpA/RmpA2能促进肺炎克雷伯杆菌荚膜基因的表达，促进荚膜合成以及高黏表型的表达[17]。hvKP中有3个基因编码RmpA/RmpA2：染色体上的c-rmpA基因，质粒上的p-rmpA和p-rmpA2基因。在一个研究中，48株原发性肝脓肿菌株均携带这些基因，其中9/48的菌株具有这三个基因，35/48的菌株具有p-rmpA和p-rmpA2，3/48的菌株只有p-rmpA和1/48的菌株只有c-rmpA，而非原发性肝脓肿菌株中仅有19.8%携带这3个基因[19]。对携带rmpA或rmpA2基因但并非高黏表型的菌株分析发现，这些细菌的rmpA或rmpA2基因均发生插入突变或缺失突变，影响rmpA和rmpA2基因的表达[20]。hvKP中的rmpA、rmpA2使荚膜基因的表达上调、荚膜合成增加、毒力增强并使细菌表现为高黏表型，在鼠腹膜感染模型中表现出更强的致病力，而实验中hvKP的rmpA突变菌株荚膜合成减少，黏性和毒力下降，再向突变体引入含有rmpA的质粒后荚膜的生物合成恢复[21]，所以rmpA、rmpA2与hvKP的高毒力及高黏表型密切相关。
hvKP的一个特征性表现就是高黏性，临床分析表明具有高黏表型的肺炎克雷伯杆菌的侵袭性感染力和毒力明显更强[13,18]。与荚膜作用一致，高黏表型的hvKP对补体介导的杀菌作用、中性粒细胞的杀菌作用更有抵抗力并能抑制早期的炎症反应和树突状细胞的成熟[7,17]。大部分引起原发性肝脓肿的肺炎克雷伯杆菌具有高黏性，所以拉丝试验是一个简便可行的检测方法，但并非所有的高毒力的肺炎克雷伯杆菌拉丝试验都是阳性[18]，部分rmpA或rmpA2发生突变的肺炎克雷伯杆菌并非高黏表型而仍具有较强的侵袭能力[20]，因此拉丝试验有假阴性。
另外，Fur是铁离子摄取的调节因子，在rmpA5′端的非编码区有Fur的结合区域，结合后使rmpA表达下降，荚膜合成减少[21]，同时Fur也可以调节rmpA2的表达使荚膜合成减少[22]，Fur会影响hvKP的高毒力和高黏表型。magA(wzykpk1)是编码K1型荚膜特有的Wzy聚合酶，是K1荚膜类型肺炎克雷伯杆菌转移感染的重要毒力因子并与肺炎克雷伯杆菌的转移感染有关[17,23]，但在hvKP中magA并不常见，只有27.3%的hvKP有magA，magA与hvKP的高毒力的关系还尚不明确[6]。
2.2 摄铁系统
铁离子是细菌生长和繁殖必不可少的，但人体内的铁离子主要与人体蛋白结合，因此为了从宿主体内获取铁离子，细菌产生溶细胞素或溶血素破坏宿主细胞，使宿主细胞释放血红素、血红蛋白和其他含铁血红素蛋白，游离的血红蛋白和血红素在细胞外分别结合在宿主的结合球蛋白和血液结合素上。细菌通过TonB介导的外膜受体来获取宿主中的血红素，并把结合的血红素穿过外膜进入细胞周质，并在ABC运输系统协助下由细胞周质进入细胞质，进入细菌内的血红素通过血红素氧化酶分解或者储存于血红素存储蛋白中。除此之外，革兰阴性菌包括肺炎克雷伯杆菌还能分泌血红素载体蛋白捕获宿主的血红素，这些细菌铁载体蛋白比宿主的载铁蛋白对铁离子更有亲和力，在获取铁离子后通过特异性的受体进入细菌，为细菌提供铁离子[24]。
在hvKP菌株NTUH-K中发现有12种不同的铁离子摄取系统，他们可以被分为4大类，见表1。12个铁离子摄取系统中，2个ABC转运体(Kfu和Sit)和3个铁载体系统(YersiniaHigh-pathogenicityisland、Iuc、IroA)被认为是肺炎克雷伯杆菌完整毒力的构成部分，其中kfu、iuc、iroA被认为与hvKP的高毒力相关，也是可以代表从cKP到hvKP的进化过程[17]。其中Iuc是在hvKP中最常见且可能与高毒力密切相关[25,26]。
cKP和hvKP菌上都有铁载体系统，但hvKP产生的铁载体是cKP的6～10倍[26]，hvKP的铁载体系统更成熟和有效，这种摄铁能力使hvKP对补体介导的杀菌作用有抵抗力，并且增加hvKP感染时的存活率和生长率[27]。编码YersiniaHigh-pathogenicityisland的基因簇和Iuc及其受体的基因簇在hvKP中更普遍，检出率分别是38/42和39/42，而在cKP中检出率只是7/32和6/32。Yersiniabactin铁载体能促进铁离子的获取和生物膜的形成，同时通过清除铁离子和抑制Haber-Weiss反应来减少多核细胞、单核细胞核和巨噬细胞产生活性氧而影响免疫反应，而iuc编码的Aerobactin铁载体在含有抗菌物质的血清中仍能发挥作用，甚至低浓度Aerobactin就可以有效地刺激细菌生长，这使Aerobactin能比其他铁载体转运更多的铁离子[28]。
将hvKP菌株的全基因序列与肺炎cKP菌株的全基因序列进行比较，发现铁载体相关基因(iro、irp)、高黏表型相关基因(rmpA)是hvKP特有的基因序列，进一步证明了黏表型和摄铁能力对hvKP的高毒力发挥重要的作用[29]。
2.3 其他
除了上述致病因子和hvKP高毒力密切相关外，hvKP的脂多糖O1抗原被认为可以增加细菌对宿主免疫系统的抵抗力和增加细菌转移感染能力而使hvKP的毒力增加[30]。另外有研究发现lysR家族调节因子oxyR与hvKP的生理代谢、药物敏感性和毒力相关[31]。
3 治疗
hvKP感染最常见的症状是原发性肝脓肿，对于hvKP原发性肝脓肿的治疗，首选第二、三代头孢菌素，必要时可联合氨基糖苷类抗生素，辅以经皮穿刺引流脓液，两种方法联用可以改善预后，单纯抗生素治疗的治愈率为65.6%，病死率为16.8%，而抗生素治疗合并经皮穿刺引流术的治愈率为75%，病死率为9.8%。经皮穿刺引流时注意hvKP的高黏特性可能会导致引流管的阻塞，当患者体力状况评分(ECOG)评分大于或等于2分、高血压或总胆红素升高，会增加经皮穿刺引流治疗预后不良的风险，治疗时根据病灶位置和患者情况慎重选择穿刺引流治疗[32]，对于经皮穿刺引流失败、合并腹部手术或脓肿破裂的患者需进一步进行手术治疗[33]。肺炎克雷伯杆菌肝脓肿门诊治疗和住院治疗均能痊愈，但住院采取综合治疗方法的患者平均治疗时间为15.4d，而门诊口服抗生素治疗的患者平均治疗时间为26.3d[32]，特别是对于脓肿直径大于5cm的患者门诊治疗效果较差[34]。原发性肝脓肿多合并厌氧菌感染，但是肺炎克雷伯杆菌原发性肝脓肿多是单一细菌感染，研究发现单纯肺炎克雷伯杆菌感染的原发性肝脓肿，是否合并抗厌氧菌治疗(甲硝唑)并不影响治愈率、复发率和病死率，但长期联合用药容易出现药物神经毒性症状(联合用药发生率为0.71%，停止抗厌氧菌治疗发生率为0.59%)[35]。另外hvKP感染痊愈数周或数月后可能会复发，对于hvKP感染复发的患者，可以静脉注射抗生素治疗3～4周后，继续口服抗生素3～4周防止复发[5]。
对于确诊为肺炎克雷伯杆菌眼内炎的患者，症状严重者早期进行平坦部玻璃体切除术，联合全身强化抗生素治疗和激素治疗以达到杀菌和减轻眼内炎症的效果。平坦部玻璃体切除术有助于清除细菌和有助于抗生素透过玻璃体进入感染灶发挥作用，这样会增加痊愈的机会和改善预后，降低视力下降或者失明的风险[12]。
现在临床工作遇到一个难题是多重耐药和泛耐药cKP的治疗，如携带NDM-1的cKP能产超广谱β-内酰胺酶和碳青霉烯酶[36]。目前为止，大多的hvKP对除了氨卡西林外的抗生素都敏感，hvKP的耐药性明显低于cKP，但近年来已经有多重耐药的hvKP报道，并发现hvKP可以对除了碳青霉烯类抗生素和阿米卡星外的抗生素产生耐药性[9]，产超广谱的β-内酰胺酶的hvKP从年的1.6%上升至年的14.3%[32]。所以当高毒力的hvKP获得了多重耐药后，可能会发展为下一个超级细菌，临床治疗将面临更大的挑战[1]。
4 讨论
hvKP的高侵袭性、高病死率以及潜在的严重后遗症和耐药性，将来可能会成为人类健康的重大威胁，但现在国内对hvKP的认识尚不足，一方面医疗工作者缺乏对hvKP的认识，国内数据显示肺炎克雷伯杆菌感染中有31.4%～36%为hvKP感染[4,9,15]，但大部分地区并无相关数据，在诊治时并未区分cKP和hvKP感染，尽管hvKP对大部分抗生素敏感，但对hvKP的明确诊断有利于对转移病灶的治疗和防止复发，避免出现严重的后遗症和耐药hvKP。另一方面对hvKP的检查手段尚未完善，医院普及应用，而且拉丝试验的特异度及敏感度还有待研究，仍需要一种更加特异和敏感的检查手段，这对研究hvKP的流行特征、病因及治疗都有帮助。现在对hvKP的认识还有限，仍需更多的医护工作者及研究人员共同努力去解决这些难题。
参考文献
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