高毒力肺炎克雷伯菌毒力影响因素及分子流行病学研究的进展.pdf

SYSTEMS MEDICINE 系统医学系统医学 2023 年 8 月第 8 卷第 16 期 综述 高毒力肺炎克雷伯菌毒力影响因素及分子流行病学研究的进展谢铌奇，王杉，胡铁弋重庆市大足区人民医院检验科，重庆 402360摘要 肺炎克雷伯菌是一种常见的革兰阴性细菌，常引起免疫力低下、患者尿路感染、伤口感染等。高毒力肺炎克雷伯菌（hypervirulent klebsiella pneumoniae,HvKP）的毒性远大于经典肺炎克雷伯菌（classic klebsiella pneumonia,cKP）。被其感染的个体病情严重，治疗难度大，病死率高，严重威胁人类健康和生命。20世纪80年代首次发现并命名HvKP以来，世界各地也相继分离出此种细菌。近年来，在HvKP分离数量不断增加的同时HvKP的耐药率也在逐渐上升。本文总结了HvKP的临床特征、毒力影响因素及分子流行病学特点，希望对后续的研究有所帮助。关键词 高毒力肺炎克雷伯菌；毒力影响因子；分子流行病学中图分类号 R378 文献标识码 A 文章编号 2096-1782（2023）08(b)-0183-05Advances in Molecular Epidemiology and Influencing Factors of Virulence of Klebsiella PneumoniaeXIE Niqi,WANG Shan,HU TieyiDepartment of Laboratory,Dazu District Peoples Hospital,Chongqing,402360 ChinaAbstract Klebsiella pneumoniae is a common gram-negative bacteria,which often causes immune suppression,urinary tract infection in patients,wound infection,etc.Hypervirulent Klebsiella pneumoniae(HvKP)is much more virulent than classic Klebsiella pneumonia(cKP).The disease of infected individuals is serious,difficult to treat,and the fatality rate is high,which seriously threatens human health and life.Since HvKP was first discovered and named in the 1980s,it has been isolated from other parts of the world.In recent years,while the number of HvKP isolates is increasing,the drug resistance rate of HvKP is also gradually increasing.The clinical characteristics,virulence factors and molecular epidemiology of HvKP were summarized in this paper,hoping to be helpful for subsequent studies.Key words Klebsiella pneumoniae hypervirulence;Virulence influencing factors;Molecular epidemiology肺炎克雷伯菌（klebsiellapneumonia,KPN）是一种重要的革兰阴性杆菌，可引起多种感染性疾病，如尿路感染、肺炎等1。高毒力肺炎克雷伯菌（hypervirulent klebsiella pneumoniae,HvKP）感染首例报道来自我国台湾地区，是一种不同于经典肺炎克雷伯菌（classic klebsiella pneumonia,cKP）的侵袭性感染2。HvKP毒性更强，其不仅可以在健康人群中传播并引起危及生命的侵袭性感染，如眼内炎、化脓性肝脓肿等，且伴有扩散转移3，危及生命。HvKP的发病表现出一定的地域特点，这可能与不同地区、不同种族的人群肠道或鼻咽部 HvKP 携带率及血清型不同有关，如一项研究表明23%的华裔健康人群肠道中有 K1、K2血清型肺炎克雷伯菌定植3，而西班牙败血症患者分离的肺炎克雷伯菌中也仅有2.8%为K1、K2血清型4。HvKP在发现初期对抗生素普遍比较敏感，近年来发现耐药率有上升趋DOI：10.19368/ki.2096-1782.2023.16.183基金项目 重庆市大足区科卫联合基金资助项目（DZKJ2022JSYJ-KWXM1019）。作者简介 谢铌奇（1987-），女，本科，主管检验师，主要从事临床微生物、细菌耐药监测方面的研究工作。通信作者 王杉（1988-），女，本科，主管检验师，主要从事临床微生物方面的研究工作，E-mail：。183系统医学 2023 年 8 月第 8 卷第 16 期 综述 系统医学 SYSTEMS MEDICINE势，耐药HvKP的发展使防治工作变得更加被动，甚至有HvKP院感爆发并致多人死亡的案例报道。为研究HvKP高毒的原因，了解耐药率发展趋势，以对临床治疗、院感防控、耐药监测及后续的研究方向提供理论基础，本文对 HvKP 研究现状进行了归纳总结。1 HvKP的临床特征研究现状1.1 临床症状和感染途径HvKP 造成的感染往往是侵袭性的，除了肺炎、伤口感染等，也可引起坏死性筋膜炎、心内膜炎、骨髓炎、眼内炎等。HvKP 常可通过多种途径引起既往体健和年轻患者严重的社区获得性感染。如通过微吸或大吸口咽定植 HvKP 引起肺炎；结肠、会阴的定植菌可通过上行途径导致肝脓肿或尿路感染；在医疗环境中，黏膜或上皮屏障的破坏（如气管内管、手术切口和导管）也可能导致HvKP 进入机体引起感染。有研究发现，HvKP 感染者比普通肺炎克雷伯菌感觉者更容易出现肝区疼痛、寒战高热、恶心呕吐等症状，且发生病死率和合并糖尿病的概率更高5。如相关研究报道了在 1 例 HvKP 引起的全身侵袭性感染病例中，该患者有糖尿病病史。1.2 临床诊断目前诊断HvKP最普遍的方法是细菌培养结合临床特征。细菌培养后通过拉丝实验鉴别HvKP和普通肺炎克雷伯菌。最初认为高黏性表型对于判断菌株是否为 HvKP 具有敏感度和特异度，即当用接种环来拉伸琼脂板上的菌落时，形成长度为5 mm的黏液丝，也称为拉丝实验阳性。但事实证明并非所有 HvKp 菌株都是高黏的，一些 cKp 菌株也可能具有这一特征。所以研究者们试图通过一些基因或载体的测定来判断菌株是否为 HvKP，如有研究表明毒力基因 peg-344、iroB、iucA、prmpA、prmpA2和铁载体产量30 g/mL可用来区分HvKp与cKp菌株2。1.3 临床治疗与预后目前对于HvKP的治疗主要包括抗生素治疗和外科干预。具体的治疗方案取决于医生对病情的评估，主要根据感染部位及严重程度进行评估，如脑、硬膜外间隙等危险部位或已经破裂的脓肿应考虑立即进行手术。肝脏等部位的脓肿则根据脓肿大小决定治疗方案，5 cm 的肝脓肿一般采取大口径导管引流或切开引流，甚至同时进行肝切除，对于较小的脓肿，也可根据情况仅使用抗生素治疗。2 HvKP的毒力影响因子2.1 荚膜2.1.1 荚膜多糖 荚膜是肺炎克雷伯菌最外层的结构，是造成HvKP黏液表型的重要原因，主要成分是荚膜多糖。其具有很强的防御功能，包括粘附、形成生物膜、抗中性粒细胞吞噬作用，抑制抗菌肽（人-防御素、乳铁蛋白），抑制补体的杀伤和抑制炎症反应，如活性氧（reactive oxygen species,ROS）、白介素-6（interleukin-6,IL-6）、白介素-8（interleukin-8,IL-8）、肿瘤坏死因子-（tumor necrosis factor-,TNF-）等炎症因子下降。故荚膜多糖产量增多是造成 HvKP 高毒性的重要原因之一。HvKP 高毒力的遗传决定因素通常存在于大毒力质粒（plasmid-LVPK,p-LVPK）和染色体可移动遗传元件上。cpsB与cpsG等基因负责多糖的合成6，位于毒性质粒p-LVPK 上的黏液表型调节基因 A（regulator of mucoid phenotypegene A,rmpA）/rmpA27通过调控染色体上的荚膜合成基因cps的表达从而调控荚膜多糖的产量8，另外荚膜合成基因rcsA、rcsB的上调也是造成荚膜多糖合成增加的原因。2004 年首次报道的毒力基因magA一般位于染色体上7，编码荚膜组装过程中的重要蛋白。2.1.2 荚膜血清型 由于荚膜相关等位基因 wzi 的核酸序列不同，荚膜多糖的成分各不相同，根据荚膜多糖的成分不同，可将肺炎克雷伯菌分成不同的血清型。目前确定的血清型至少有134种，HvKP最常见的血清型有 K1、K2、K5、K20、K54、K57，其中 K1、K2最为常见。这些血清型高毒的原因可能是由于荚膜成分缺少巨噬细胞吞噬病原体时与细菌表面结合所需的糖分子（如病原体表面重复的甘露糖或鼠李糖）9。2.2 菌毛菌毛是细菌外部的突起，有助于细菌的粘附和定植，故也是细菌重要的毒力因素，肺炎克雷伯菌主要有型和型两种菌毛。型菌毛为线状突起，编码基因是fimB，能定植于尿道和膀胱，与尿路感染密切相关。型菌毛为螺旋状细丝，由 mrkABCDF基因编码，与K2血清型密切相关，主要介导导管相关感染。184系统医学 2023 年 8 月第 8 卷第 16 期 综述 SYSTEMS MEDICINE 系统医学2.3 脂多糖也叫做内毒素，是革兰阴性菌细胞壁的主要成分，由脂质A、O抗原与核心多糖构成，其中O1型是HvKP最常见的 O抗原，可阻止补体与细菌结合10，如阻止补体C1q与细菌结合，从而抑制补体途径的激活11。wabG和uge等基因与脂多糖相关12。2.4 铁摄入系统铁对于细菌新陈代谢至关重要，但细菌自身不合成铁，需从外界摄入，故铁摄取系统是细菌重要的毒力分子机制，铁载体作为一种低分子量的铁螯合剂是细菌从外界摄取和转运铁的蛋白，有研究证明 HvKP 比 cKP 产生更多的铁载体，总铁载体产量与菌株的毒力大小密切相关。肺炎克雷伯菌合成4种铁载体：肠杆菌素、耶尔森菌素、沙门菌素、气杆菌素13。编码铁载体的基因主要有 kfuBC、iucB、aer、iroNB 等。HvKP 中 气 杆 菌 素 最 多，占 80%90%，由 iucABCD-iucA 基因编码，有研究证明气杆菌素能显著提高细菌在人腹水、血清等体液及小鼠全身及肺部等组织中的存活率14。宿主产生铁载体结合蛋白脂质运载蛋白2，阻碍铁的获取而抗菌。沙门菌素是高度糖基化的肠杆菌素，能逃逸脂质运载蛋白 2 的结合，主要通过调控 iroA 基因簇和iroBCDE，所以携带沙门菌素的肺炎克雷伯菌，更容易在鼻咽部定植8。2.5 其他毒力因素菌株序列类型和毒力质粒也是重要的毒力因素。通过全基因组测序发现，HvKP 来的序列大多为 ST11、ST23、ST65 几种类型，序列类型通常与血清型之间存在一定的关联，ST23型菌株绝大多数为K1 血清型，肝脓肿患者的脓液标本中分离菌株常为此种类型。ST65 型菌株大多为 K2 血清型，与各种侵袭性感染相关。HvKP 的毒力基因位于染色体、共轭元件、毒力质粒上，目前发现的毒力质粒主要有 pLVPK、pK2044等，rmpA、rmpA2、iro、iuc、peg-344等重要的毒力基因位于毒力质粒上，所以毒力质粒对于HvKP的高毒因素至关重要。3 流行病学及分子流行病学研究现状3.1 血清型差异不同地区 HvKP 的荚膜血清型存在很大的区别，其中 K1和 K2型在亚洲地区最为常见而在欧美地区不常见。这可能也是造成HvKP地理分布差异的原因。3.2 分子流行病学研究现状由于各地 HvKP 的感染情况各不相同，对当地HvKP 菌株进行分子流行病学研究成为一种必要。各地学者常通过药敏试验、毒力基因和荚膜血清型检测及多位点序列分型（multilocus sequence typing,MLST）分析进行研究。如金晓立等15研究了HvKP 菌导管相关血流感染的菌株荚膜血清型和MLST，发现引起导管相关败血症的 HvKP 菌株相比 cKP 对多数抗菌药物耐药率较低，其荚膜血清型分布以 K1、K2 为主，MLST 分型以 ST23、ST86、ST65 为主。另一研究显示腹腔感染患者分离的KPN 中，HvKP 的荚膜血清分型以 K1 型为主，毒力基因以 peg-344和 icuA 为主（61.9%、54.6%）。徐水宝等16研究了某 3家医院侵袭 HvKP，发现 HvKP 组中以 K1 血清型为主，总体上 HvKP 组的毒力基因阳性率较 cKP 组更高，尤其是 rmpA2、magA、fimH、aero iutA、kfuBC。4 HvKP的耐药机制4.1 HvKP耐药机制HvKP在发现初期除了对氨苄西林和替卡西林天然耐药以外，对其他抗菌药物普遍比较敏感。然而，随着广谱抗菌药物的使用，耐药率逐渐升高并出现了多重耐药的HvKP。这可能与质粒或可移动元件的水平转移有关：一方面，HvKP获得了耐药质粒或含有耐药基因的结合元件转移到HvKP内部并整合于染色体上造成 HvKP 的高耐药性。另一方面，多重耐药的cKP也能获得毒力质粒从而变成高毒力的耐药菌株。另外，HvKP 外排泵系统的激活也是HvKP耐药的原因。4.2 高耐药HvKP的种类4.2.1 产 超 广 谱 内 酰 胺 酶 的 HvKP（extended-spectrum-lactamases-hypervirulent klebsiella pneumoniae,ESBLs-HvKP）内酰胺酶如 AmpC 能水解头霉素造成细菌对头孢类药物耐药，超广谱内酰胺酶（extended-spectrum-lactamases,ESBLs）是一种经修饰的内酰胺酶，可水解一代至三代头孢菌素及部分四代头孢菌素、单酰胺类抗生素、青霉素等造成耐药。ESBLs-HvKP 是最常见的多重耐药HvKP，菌株携带blaCTX-M、blaTEM等基因，产生CTX-M、185系统医学 2023 年 8 月第 8 卷第 16 期 综述 系统医学 SYSTEMS MEDICINETEM、OXA等种类的ESBLs。4.2.2 耐碳青霉烯的 HvKP（carbapenem resistance-HvKP,CR-HvKP）我国 CR-HvKP 检出率也相对较高，如 20142017 年我国 58%的耐碳青霉烯肺炎克 雷 伯 菌（carbapenem resistance-klebsiella pneumoniae,CRKP）携带毒力编码质粒，其中 13%的CRKP菌株表现出高毒力表型17。如一项针对宁波地区收集的 150 例 HvKP 的研究中，发现 CR-HvKP占比高达9.33%18。菌株对碳青霉烯类抗生素耐药是由于细菌产生了KPC、OAX-48、NDM等类型的碳青霉烯酶，CR-HvKP 产生酶的种类不同其高毒耐药融合机制也不一样。刘岩等19收集江西省 11个地级市 3 年分离的 CRKP 共 749 株进行研究，发现CR-HvKP 共 126 株（占比 16.82%），以 K64 型为主（占比 88.10%），ST 分型均为 ST11 型，CR-HvKP 所携带的耐药基因大多为blaKPC（占比80.91%）。有研究发现，我国CR-HvKP主要携带blaKPC-2耐药基因，产生 KPC-2 型碳青霉烯酶20。序列类型主要为ST11、ST65，可能原因为 CR-cKP 获得了 pLVPK 样毒力质粒。4.2.3 其他耐药类型的HvKP 如多粘菌素或替加环素耐药菌株的发现使 HvKP 的防治难度进一步加大，多粘菌素是治疗多重耐药革兰阴性杆菌的最后一道防线，造成耐药可能的原因是携带耐药基因mcr-1 的质粒在细菌之间的水平传播，具体的机制及治疗措施还不明确，仍需进一步的研究。4.3 多重耐药HvKP的防控措施耐药使得 HvKP 的治疗尤为棘手，国内外均有院内感染造成多起死亡病例发生的案例，如2019年发生于温州某医院重症监护室的 HvKP 院内感染，造成 8位患者死亡，病死率为 100%。因此，多重耐药 HvKP 的防控一定要严格遵守当地院感防控政策，主要表现在检验科微生物室及时出具报告并作为危急值报告临床科室，随后医生下解除隔离医嘱，护士执行医嘱并进行环境消毒，同时应对该科室的环境卫生、医务人员手卫生等进行定期的监测。院感科应定期对该地区或医院检出的菌株进行耐药率分析、报告。5 结语综上所述，通过不断对HvKP的研究，很大程度上了解了HvKP的临床特征，毒力因素及相关机制，并提出了一些诊断方法。目前常见的诊断方法主要是临床症状结合拉丝试验、基因检测、铁载体含量测定等。但由于目前尚未有一种公认的精准诊断HvKP感染的方法，所以研究仍需进行。一方面，需要进一步研究 HvKP 的毒力机制，寻找准确快速诊断 HvKP 的方法，提高 HvKP 的治疗效果；另一方面，各地区也需要进行分子流行病学的研究，为各地区的防治工作提供理论依据，减少耐药菌株的产生。参考文献1 Wang G,Zhao G,Chao X,et al.The characteristic of virulence,biofilm and antibiotic resistance of Klebsiella pneumoniaeJ.Int J Environ Res Public Health,2020,17(17):6278.2 王粟,丁立,姜文容,等.高毒力肺炎克雷伯菌耐药性和治疗策略研究进展J.检验医学,2023,38(1):81-86.3 赵杭,何知恩,张慧敏,等.高毒力肺炎克雷伯菌临床感染特征及毒力因子研究进展J.国外医药:抗生素分册,2023,44(2):83-90.4 Lan P,Jiang Y,Zhou J,et al.A global perspective on the convergence of hypervirulence and carbapenem resistance in Klebsiella pneumoniaeJ.J Glob Antimicrob Resist,2021,25:26-345 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