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高产乙醇肺炎克雷伯菌的危害及感染应对策略

2024-06-01 171 上传者：管理员

摘要：高产乙醇肺炎克雷伯菌(HiAlc Kpn)能够在患者肠道内产生大量内源性乙醇，是非酒精性脂肪肝(NAFLD)的新病因，严重危害着人类健康。抗生素治疗是应对细菌感染的主要方式，然而肺炎克雷伯菌的耐药问题日益严重，且抗生素往往破坏人体肠道菌群的平衡。噬菌体疗法有望在不破坏健康肠道菌群的基础上，通过靶向杀伤HiAlc Kpn治疗NAFLD。同时，应积极寻找影响HiAlc Kpn产乙醇能力的目标靶点，为开发“抗毒力药物”提供理论基础。本文主要阐述HiAlc Kpn的危害性并提出治疗HiAlc Kpn感染的一些应对策略。

关键词：
乙醇
噬菌体
抗生素
肺炎克雷伯菌
获得性感染
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肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)是一种能够引起院内获得性感染与社区获得性感染的重要致病菌。根据致病性的强弱，其往往被分为经典肺炎克雷伯菌(classical K. pneumoniae, cKpn)与高毒力肺炎克雷伯菌(hypervirulent K. pneumoniae, hvKpn)[1]。hvKpn甚至能使健康人群身患肝脓肿、肺炎、菌血症等疾病，严重威胁人类的生命健康[2,3]。研究者往往通过几个典型毒力因子来初步鉴别hvKpn,如表达产气菌素与沙门菌素的毒力基因iuc与iro,表达产物充当细菌的铁捕捉工具，能够协助细菌与宿主竞争性获取铁离子[4];再如常存在于大型质粒上的毒力基因rmpA和rmpA2,能够调控细菌荚膜的合成表达。许多研究已表明荚膜是肺炎克雷伯菌重要的毒力因子，而与荚膜相关的高黏性状也常被用来初步鉴别hvKpn[5]。除此之外，脂多糖、Ⅵ型分泌系统、Ⅰ型和Ⅲ型菌毛、群体密度感应系统等也都是肺炎克雷伯菌的重要毒力因子。近年来，国际上首例细菌性自酿酒综合症/非酒精性脂肪性肝炎病人被报道，研究者在病人粪便样本中分离出了具有高产乙醇能力的肺炎克雷伯菌(high-alcohol-producing K. pneumoniae, HiAlc Kpn),进一步的研究证实HiAlc Kpn是非酒精性脂肪肝(nonalcoholic fatty liver disease, NAFLD)的新病因[6]。因此，乙醇也理应被视为肺炎克雷伯菌的重要毒力因子，其危害性及感染应对策略值得进一步深入探究。

1、高产乙醇肺炎克雷伯菌是非酒精性脂肪性肝病的新病因

NAFLD是指无慢性酒精摄入的情况下肝脏部位出现过度的脂质积累，常被认为是代谢综合征的肝脏表现，能够表现为一系列的肝脏病变，从非酒精性脂肪肝、非酒精性脂肪肝炎、纤维化到肝硬化和肝细胞癌。导致NAFLD的因素有很多，除肥胖、胰岛素抵抗以及2型糖尿病外，肠道群菌产生的内源性乙醇也是导致NAFLD的重要病因[7]。

自酿酒综合征是一种罕见病，该类病人能够在食用碳水化合物及可乐等高糖饮料后几小时内，血液中的乙醇含量浓度便高达4～5 g/L,远高于法律规定的醉驾标准(0.8 g/L)。研究者从自酿酒综合征病人肠道分离出了具有高产乙醇能力的HiAlc Kpn,通过灌胃技术与粪菌移植技术给小鼠定植HiAlc Kpn,能成功诱导小鼠的NAFLD[6]。使用抗生素治疗或采用噬菌体特异性清除HiAlc Kpn均能够减轻小鼠NAFLD的发生发展。研究者揭示了HiAlc Kpn是NAFLD的新病因，并提出了NAFLD的“内源性酒精性脂肪肝病”病因学说[6]。在另一项研究中，研究者通过比较人群肠道菌群组成差异，发现非酒精性脂肪性肝炎病人外周血乙醇浓度增高与其肠道内大肠杆菌(E. coli)数量增多密切相关[8]。在健康人的肠道中，专性厌氧的厚壁菌门梭菌纲与拟杆菌门拟杆菌纲细菌占比达到90%,而肠杆菌科细菌的占比远小于1%,前者能够产生丁酸等短链脂肪酸，降低肠道内氧气，进而抑制肠杆菌科细菌的过生长[9,10,11,12]。E. coli与HiAlc Kpn均属于肠杆菌科细菌，而肠杆菌科细菌的过生长一直被视为肠道菌群失调的重要特征[13]。乙醇是肠杆菌科细菌重要的发酵产物之一，以E. coli为例，在无氧条件下，E. coli往往通过发酵的方式为细菌的生长提供能量，乙醇脱氢酶E(alcohol dehydrogenase E,adhE)能够以两步催化反应促进乙醇的产生：首先将乙酰辅酶A(acetyl-CoA)转化为乙醛，再将乙醛转化为乙醇[14]。值得注意的是，HiAlc Kpn的乙醇产量显著高于E. coli,且无论在有氧条件还是无氧条件下，HiAlc Kpn都能以葡萄糖、果糖等碳源为底物产生大量的乙醇[6]。结合蛋白质组与代谢组分析技术，研究者发现2,3丁二醇发酵通路对于HiAlc Kpn在体内产生乙醇至关重要[15]。然而，目前关于HiAlc Kpn高产乙醇机制的认识并不清晰，进一步深入的研究将有助于寻找由HiAlc Kpn导致NAFLD的有效治疗手段。

2、高产乙醇肺炎克雷伯菌感染的应对策略

2.1抗生素治疗

抗生素治疗是应对细菌感染的主要策略，但细菌耐药性问题严重威胁人类健康。肺炎克雷伯菌常见的耐药机制如下：SHV-12,CTX-M等超广谱β-内酰胺酶(extended spectrumβ-lactamase, ESBL)的产生使得菌株增强了对β-内酰胺酶类药物的耐药性[16,17];常见的由质粒携带的mcr-1基因赋予细菌对多黏菌素药物的耐药性[18];新德里金属β-内酰胺酶1(new delhi metal-β-lactamase 1, NDM-1)、肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶(Klebsiella pneumoniae carbapenemase, KPC)以及OXA-48等能使细菌产生碳青霉烯类耐药性[19]。早期的研究认为，与具有较高耐药率的cKpn相比，hvKpn对抗菌药物往往呈现高敏感性。但近年来，有关兼具高耐药性与高毒力特性的肺炎克雷伯菌株的报道越来越多[20]。这些问题都给传统抗生素治疗肺炎克雷伯菌的感染带来了极大的困难。HiAlc Kpn能够在体内通过代谢葡萄糖等碳源产生大量内源性乙醇，但研究者发现葡萄糖能够显著增强HiAlc Kpn对多黏菌素的耐药性，而多黏菌素一直以来被认为是治疗耐碳青霉烯细菌感染的最后一道防线[21]。不仅是耐药性问题，比例平衡的肠道菌群对人体的健康十分重要，而传统抗生素对肠道菌群的破坏远比我们想象的更加严重。因此，亟需发现替代传统抗生素的新型治疗手段。

2.2噬菌体治疗

裂解性噬菌体能够特异性杀伤细菌，被认为是治疗耐药细菌感染的一种有效解决方案，这种治疗方案的积极效果已在临床得到证实[22,23]。例如，使用靶向炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)患者肠道肺炎克雷伯菌株的噬菌体能够有效地抑制细菌的生长，缓解炎症并减轻疾病的严重程度[24]。另一项研究表明，在人源化小鼠中，特异性靶向溶细胞粪肠球菌的噬菌体治疗可降低肝脏中的溶细胞素，并消除乙醇诱导的肝脏疾病[22]。针对能够导致NAFLD的HiAlc Kpn,研究者分离了能够特异性杀伤HiAlc Kpn的噬菌体并通过小鼠NAFLD模型对噬菌体疗法进行了评估，结果表明特异性杀伤HiAlc Kpn的噬菌体有效减轻了小鼠的非酒精性脂肪肝病，同时这种治疗方法没有破坏小鼠的正常肠道菌群，也没有使得肝脏和肾脏等器官发生病理性病变[25]。这些结果均表明，噬菌体疗法是传统抗生素的一种有效替代方法，在HiAlc Kpn引起的NAFLD中具有潜在的疗效和安全性。

然而，噬菌体疗法同样存在抗性菌株出现的问题。肺炎克雷伯菌株外层常被一层荚膜多糖包裹，荚膜多糖的存在能够帮助细菌有效逃脱宿主的免疫系统及抗菌肽的攻击等，同时荚膜多糖还是噬菌体常见的吸附受体，能够促进噬菌体与细菌外膜受体更好的吸附在一起[26]。因此，细菌发生荚膜缺失突变就会使得噬菌体不能很好的吸附细菌进而使得噬菌体疗法失效。脂多糖、鞭毛、菌毛及外膜蛋白等都是噬菌体的常见受体，由于细菌基因突变导致这些受体发生结构或者构象的改变都可能限制噬菌体的吸附[27]。对此，“鸡尾酒疗法”能够有效的控制菌株出现的噬菌体抗性问题。简单来讲，可以将吸附受体不同的噬菌体组合成一份“鸡尾酒”,将有效降低噬菌体抗性菌株的出现并提高治疗效果[28]。

2.3寻找新型抗菌靶标

在解决耐药性问题上，“抗毒力药物”的概念体现出了其特有的优势。“抗毒力药物”主要通过抑制菌株的毒力因子进而改善疾病状况，能够有效缓解抗生素耐药性问题的出现[29]。在解决HiAlc Kpn导致的NAFLD问题上，以毒力因子“乙醇”为靶点，设计“抗内源性乙醇药物”不失为一种创新尝试。因此，挖掘影响HiAlc Kpn产乙醇能力的药物靶点将有助于开发抗HiAlc Kpn感染的因策略。乙醇脱氢酶基因adhE对于细菌的乙醇产生至关重要，在E. coli中，全局性调控因子FNR能够直接正向调控基因adhE的表达，且基因fnr的缺失显著降低E. coli的乙醇产量[30,31]。然而，基因fnr与adhE对于HiAlc Kpn乙醇产量的影响依然未知。在HiAlc Kpn中，研究者发现宿主整合因子IHF能够通过正向调控包括adhE在内的发酵相关基因及抑制三羧酸循环相关基因的表达，影响细菌的乙醇产量[32]。除调控因子FNR与IHF外，ArcA、CRP、FIS等调控因子也在细菌过渡于有氧环境与无氧环境之间时发挥着重要地代谢调控作用，它们都有可能成为调控HiAlc Kpn乙醇产量的药物靶标[33,34]。肺炎克雷伯菌是一种具有众多毒力因子的致病菌，在明确“抗乙醇靶点”的过程中，研究者需要综合考虑目标基因对肺炎克雷伯菌株各种毒力因子的综合影响。

3、展望

一直以来，乙醇作为细菌的发酵代谢产物之一，并未受到足够的重视。随着HiAlc Kpn被证实为NAFLD的新病因，细菌的内源性乙醇以重要毒力因子的角色引起了研究者的重视。但随着耐药性菌株的不断涌现，面对细菌感染问题，亟需新的治疗手段替代传统抗生素疗法。然而，在探索治疗HiAlc Kpn感染的新型应对策略的过程中，应清楚认识到具有高产乙醇能力的细菌远不止肺炎克雷伯菌株。如何明确具有高产乙醇能力的细菌群体并以该群体为目标，设计出兼具靶向性与高效性的新型治疗手段是未来工作的重点方向。

基金资助:国家自然科学基金重点项目(NO:82130065);

文章来源:袁静.高产乙醇肺炎克雷伯菌的危害及感染应对策略[J].遵义医科大学学报,2024,47(05):438-441.