尿路感染及其治療藥物的研究進展

郭 薇，孫鳳軍，邱學(xué)文，夏培元（第三軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院藥劑科，重慶 400038）

·綜述講座·

尿路感染及其治療藥物的研究進展

郭 薇＊，孫鳳軍，邱學(xué)文，夏培元#（第三軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院藥劑科，重慶 400038）

目的：了解尿路感染的病理機制和治療藥物的研究進展，以期為其臨床診斷、藥物治療和研發(fā)提供參考。方法：查閱近年來國內(nèi)外相關(guān)文獻，就尿路感染的類型、病理機制和治療藥物進行歸納和總結(jié)。結(jié)果與結(jié)論：尿路感染主要為尿路致病菌感染，其治療藥物的研究方向主要為以細菌附著、細菌毒素和蛋白酶、鐵載體、脲酶、菌毛為靶標(biāo)的疫苗或小分子藥物。以細菌附著為靶標(biāo)的疫苗可很好地阻斷病原體與機體的相互作用，降低尿路感染的發(fā)生率；以細菌毒素和蛋白酶為靶標(biāo)的疫苗的臨床療效仍有待進一步評估；以鐵載體為靶標(biāo)的疫苗可減緩疾病進展和減弱細菌定植；以脲酶為靶標(biāo)的小分子藥物具有一定療效的同時也存在較嚴重的副作用；以菌毛為靶標(biāo)的小分子藥物通過阻斷尿路感染動物模型的病原體在膀胱上的定植和侵入，能較好并快速地發(fā)揮預(yù)防和治療尿路感染的作用。黏附素FimH的抗體已進入了Ⅰ期臨床試驗階段，但Pilicides、Mannosides和靶向于菌毛、鐵載體以及其他毒力因素的疫苗等仍處于實驗研究或臨床前研究階段。

尿路感染；尿路致病菌；藥物治療；疫苗研發(fā)

由尿路病原菌入侵尿道導(dǎo)致的尿路感染影響了全球超過1.5億人口，其高復(fù)發(fā)率和日趨嚴重的抗菌藥物抵抗正成為社會公共衛(wèi)生的重大負擔(dān)[1]。2007年的流行病學(xué)調(diào)查顯示，美國每年約有超過1 200萬的門急診尿路感染患者，造成每年超過35億美元的經(jīng)濟負擔(dān)[2]。尿路感染以其嚴重的后遺癥（包括腎盂腎炎膿毒癥、嬰幼兒腎損害和早產(chǎn)等）成為威脅新生兒、老年人和婦女等人群健康的主要疾病之一。筆者查閱近年來國內(nèi)外相關(guān)文獻，擬就尿路感染的類型、病理機制和治療藥物進行歸納和總結(jié)，以期為其臨床診斷、藥物治療和研發(fā)提供參考。

1 尿路感染的類型

尿路感染主要分為單純性尿路感染和復(fù)雜性尿路感染。單純性尿路感染影響的是沒有結(jié)構(gòu)性或神經(jīng)性尿道異常的人群，可依據(jù)感染位置分為膀胱炎和腎盂腎炎[3]，其易感因素通常與膀胱炎有關(guān)，還包括性別（女性易感）、性活動度、陰道感染、糖尿病、肥胖和遺傳易感性等[2]。復(fù)雜性尿路感染主要與影響機體防御和尿道通暢的因素有關(guān)，如尿路梗阻、尿潴留引起的神經(jīng)系統(tǒng)疾病、免疫抑制、腎功能衰竭、腎移植、妊娠、結(jié)石和留置導(dǎo)尿管等，其易感因素包括長時間留置導(dǎo)尿管、性別（女性易感）、老年和糖尿病等[4]。其中，尿路感染約有70%～80%由留置導(dǎo)尿管引起，這也是引起尿路感染發(fā)病率和病死率持續(xù)升高的主要原因，而且是繼發(fā)性血液感染的常見原因。

2 尿路感染的病理機制

導(dǎo)致尿路感染的細菌主要有革蘭氏陽性（G+）菌、革蘭氏陰性（G－）菌和部分真菌，最常見的致病菌為尿路致病性大腸桿菌（UPEC）。單純性尿路感染的致病菌主要為UPEC、肺炎克雷伯菌、腐生葡萄球菌、糞腸球菌、B組鏈球菌、變形桿菌、綠膿桿菌、金黃色葡萄球菌和念珠菌等[2-3]；復(fù)雜性尿路感染的致病菌主要為UPEC、腸球菌、肺炎克雷伯菌、念珠菌、金黃色葡萄球菌、變形桿菌、綠膿桿菌和B組鏈球菌等[4]。

尿路感染按感染途徑分為上行感染、血行感染、淋巴道感染和直接感染。上行感染為尿路感染的主要途徑，由糞源性病原體上行經(jīng)尿道，借助鞭毛或菌毛定植尿道并遷移至膀胱。多種細菌的黏附素可識別膀胱上皮細胞受體并介導(dǎo)定植進程，例如UPEC入侵膀胱上皮細胞，產(chǎn)生毒素、蛋白酶并促進宿主細胞釋放營養(yǎng)物質(zhì)，合成鐵載體攝取鐵元素。在逃離機體的免疫監(jiān)視后，尿路病原體甚至可以通過黏附素或菌毛遷移并附著在腎上皮細胞，釋放組織損傷毒素，并穿過腎小管上皮屏障入血，引起菌血癥[5]。

UPEC作為臨床常見的條件致病菌，其黏附性纖維也被稱作分子伴侶伴隨通路（CUP）菌毛[6]。大腸桿菌的基因譜中鑒定出38種不同的CUP表達區(qū)，單一的UPEC菌株可表達12種不同的CUP菌毛[7]。在小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型菌毛是支撐UPEC定植、入侵并維持其在膀胱中持續(xù)感染的必要條件[8]。Ⅰ型菌毛與黏附素FimH結(jié)合后，可在三維結(jié)構(gòu)上識別糖化的尿空斑蛋白和α1β3整合素，進而定植并入侵傘狀細胞[9]，并通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子Rho GTPases，導(dǎo)致肌動蛋白的重排并促進UPEC的內(nèi)化[10]。內(nèi)化后的UPEC可部分逃離機體的免疫反應(yīng)并抵抗抗菌藥物的治療。但在UPEC入侵的同時，機體的天然免疫借助尿路上皮Toll樣受體（TLR）4信號通路抵御UPEC侵入。細菌脂多糖激活TLR4通路促進腺苷酸環(huán)化酶3產(chǎn)生循環(huán)性的腺苷酸（cAMP），而cAMP可促進UPEC囊泡通過胞吐作用進入傘狀細胞的頂部質(zhì)膜。通過逃脫至胞膜中，UPEC可逆轉(zhuǎn)機體的驅(qū)逐途徑，并迅速增殖，形成一個短暫的生物膜樣的胞內(nèi)細菌群（IBCs）[11]。成熟的IBCs分散并入侵其他細胞，故IBCs的形成已被用于臨床UPEC的分離。這種入侵方式以及IBCs的形成使得UPEC得以在經(jīng)歷TLR4介導(dǎo)的清除、傘狀細胞脫落、排尿和炎癥等進程后在尿道上皮細胞上存活下來。在下層的移行上皮細胞中，UPEC還可入侵并形成靜止的胞內(nèi)儲備（QIRs），由纖維型肌動蛋白（F-actin）填充在生物膜和內(nèi)含菌之間。與代謝旺盛的IBCs相比，QIRs包含4～10個不可復(fù)制但可存活數(shù)月并可隨時重激活導(dǎo)致尿路感染復(fù)發(fā)的UPEC[9]。在移行上皮細胞分化為傘狀細胞的過程中，可能會有一些其他的信號通路參與，誘導(dǎo)QIRs中的UPEC釋放至尿路，但具體的機制仍有待進一步探索。

3 尿路感染的治療藥物

3.1 尿路感染的臨床常用藥物

臨床常用的尿路感染治療藥物為環(huán)丙沙星、左氧氟沙星、呋喃妥因、復(fù)方磺胺甲噁唑和磷霉素等，這些藥存在肌腱斷裂、肝毒性、肺毒性、胃腸道反應(yīng)、皮疹和過敏等不良反應(yīng)，且存在抗菌藥物耐藥和較高的復(fù)發(fā)率。學(xué)者們希望尋找到替代現(xiàn)有治療藥物并防止耐藥的治療方案，已開展了多項臨床或臨床前研究。

3.2 β-內(nèi)酰胺類抗菌藥物和β-內(nèi)酰胺酶抑制劑的聯(lián)合療法

在尿路感染的藥物治療上，靶向于肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶（KPC酶）和β-內(nèi)酰胺酶的聯(lián)合療法正在進行臨床研究[12]。在體外研究中，這種療法對碳青霉烯酶抵抗的大腸桿菌有效。臨床試驗發(fā)現(xiàn)，第三代頭孢菌素頭孢他啶聯(lián)合β-內(nèi)酰胺酶抑制劑阿維巴坦對編碼超廣譜β-內(nèi)酰胺酶（ESBL）和碳青霉烯酶的G－菌均有較好的療效[13]。但是，鑒于細菌對β-內(nèi)酰胺酶抑制劑的抵抗機制尚不明確，β-內(nèi)酰胺酶和碳青霉烯酶的病原體易對該聯(lián)合療法產(chǎn)生抵抗。例如，使用β-內(nèi)酰胺類抗菌藥物和β-內(nèi)酰胺酶抑制劑的復(fù)合制劑（BAL30072-BAL29880）可有效治療多種碳青霉烯抵抗的大腸桿菌感染，但表達KPC和一種由質(zhì)粒介導(dǎo)的β-內(nèi)酰胺酶（SHV酶）的肺炎克雷伯菌菌株會對該復(fù)合制劑產(chǎn)生抵抗[14]。因此，β-內(nèi)酰胺類抗菌藥物和β-內(nèi)酰胺酶抑制劑的聯(lián)合用藥，應(yīng)該在了解該菌種具體耐藥機制的基礎(chǔ)上選擇藥物。

3.3 在研藥物

3.3.1 以細菌附著為靶標(biāo)的疫苗 尿路感染從尿路病原體（細菌）的附著開始，故以細菌附著為靶標(biāo)的尿路感染治療藥物的研發(fā)成為一個熱點。前期靶向菌毛的疫苗研究顯示，單純模擬細菌的菌毛或者將菌毛取出刺激機體，均不能誘導(dǎo)機體對尿路致病菌的免疫反應(yīng)，針對這一途徑的尿路感染的防治較難實現(xiàn)。但以黏附素為靶標(biāo)的疫苗研發(fā)顯示，該疫菌可以很好地阻斷病原體與機體的相互作用。Langermann S等[15]有關(guān)小鼠和食蟹猴的尿路感染模型的研究顯示，以黏附素PapD-PapG或FimC-FimH分子伴侶黏合物免疫后的個體，其尿路感染的發(fā)生率降低。FimC-FimH抗體的有效率在很大程度上取決于阻斷FimH在膀胱附著的數(shù)量，且抗FimH抗體并不會影響腸道微生物中大腸桿菌的平衡。為了起到更好地激發(fā)免疫反應(yīng)的作用，可對這類疫苗進行結(jié)構(gòu)修飾。例如，將FimH融合至FliC的鞭毛，通過TLR4/ MYD88通路激發(fā)更持久的急性免疫反應(yīng)[16]。于2014年1月開始的一項以評估FimC-FimH抗體有效率的Ⅰ期臨床研究顯示，除了對FimC-FimH進行結(jié)構(gòu)修飾外，該抗體使用的免疫佐劑也是合成的單磷酸酯A類似物，可作為提高藥效的途徑。

3.3.2 以細菌毒素和蛋白酶為靶標(biāo)的疫苗 O’Hanley P等[17]的研究采用腎盂腎炎的模型小鼠，其結(jié)果顯示靶向于UPEC的成孔毒素（A型或α型溶血素）的疫苗可以延緩腎損傷的進展，但并不能阻止UPEC在腎內(nèi)定植；且變形桿菌溶血素（HpmA）的疫苗也不能阻止細菌在尿路感染模型小鼠腎內(nèi)的定植。但是，靶向于可損傷內(nèi)皮細胞的細菌毒素（Pta）的疫苗盡管對膀胱的細菌載量并沒有影響，但可降低機體的上尿路感染率[18]。因此，盡管溶血素和蛋白酶可能會為疫苗的研發(fā)提供很好的靶點，但是以此研發(fā)的疫苗的臨床療效仍有待進一步評估。

3.3.3 以鐵載體為靶標(biāo)的疫苗 鐵離子在尿道病原體（細菌）附著和定植中有極重要的作用。膀胱中鐵含量極為有限，細菌依靠鐵載體進行鐵離子的收集以維持對機體的入侵，該病理進程為疫苗的研發(fā)提供了一個很好的切入點。在尿路感染的動物模型和女性患者中均發(fā)現(xiàn)，鐵載體和血紅素獲取系統(tǒng)的表達都有所升高[19-21]。這一現(xiàn)象使得靶向鐵血吸蟲素攝取受體（Ferric yersiniabactin uptake receptor，F(xiàn)yuA）、血紅素獲得蛋白（Haem acquisition protein，Hma）、鐵攝取轉(zhuǎn)運蛋白受體（Iron uptake transport aerobactin receptor，IutA）和鐵載體受體離子反應(yīng)元件A（Siderophorereceptor iron-responsive element A，IreA）治療尿路感染的策略有了理論基礎(chǔ)[21]。靶向FyuA和Hma的疫苗可以阻止腎盂腎炎模型小鼠的疾病進展，而靶向IutA和IreA的疫苗則可以減弱細菌的定植[21]。這些研究一方面證實了鐵載體系統(tǒng)在尿路感染進程中的重要作用，另一方面也反映了這些蛋白在膀胱和腎內(nèi)的不同作用。

3.3.4 以脲酶為靶標(biāo)的小分子藥物 脲酶在變形桿菌和腐生葡糖球菌的定植和持續(xù)感染中起了至關(guān)重要的作用。針對多種細菌的脲酶研發(fā)出的較多品種的小分子抑制劑，相關(guān)研究主要集中在乙酰氧肟酸（Acetohydroxamic acid，AHA）[22]上。AHA對產(chǎn)脲酶的細菌導(dǎo)致的尿路感染有一定的治療作用，且于1983年被美國FDA批準用于尿路感染的治療。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，脲酶抑制劑均存在較嚴重的副作用。如AHA有致畸性，還會引發(fā)心理問題和皮膚黏膜損傷；雖然AHA結(jié)構(gòu)修飾后的化合物也有較好的藥理活性，但其嚴重的副作用仍無法解決。另一種脲酶抑制劑亞磷酰胺在動物模型上被證明對尿路感染有效，但其在人胃酸中的穩(wěn)定性低，導(dǎo)致其成藥性太差。

3.3.5 以菌毛為靶標(biāo)的小分子藥物 以菌毛為靶標(biāo)的小分子化合物主要為抑制菌毛功能的甘露糖苷類（Mannosides）和抑制菌毛組裝的化合物（Pilicides）[23-24]。Pilicides最早被設(shè)計為UPECⅠ型菌毛的特異性抑制劑，后來也開展了有關(guān)Pilicides在其他細菌CUP菌毛上的廣譜抑菌作用的研究。單一的大腸菌株可編碼16種以上不同的CUP操縱子，故以選擇性阻斷菌毛組裝的抑制劑有廣譜抗菌作用。以Pilicides ec240為例，其可阻斷Ⅰ型菌毛、P菌毛和S菌毛的組裝，并抑制鞭毛的運動[25]。而且對肺炎克雷伯菌和流感嗜血桿菌，Pilicides被發(fā)現(xiàn)可擾亂CUP菌毛的生物合成。但是，關(guān)于Pilicides在單純尿路感染小鼠模型和留置導(dǎo)尿管所致尿路感染小鼠模型上的藥理活性以及其成藥性都有待進一步研究。Mannosides是FimH受體的類似物，可高效地阻斷FimH與其甘露糖基化的受體結(jié)合[24，26]。Mannosides通過阻斷尿路感染動物模型的病原體在膀胱上的定植和侵入，能較好并快速地發(fā)揮預(yù)防和治療尿路感染的作用，且其口服生物利用度高，具有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

綜上所述，尿路感染治療藥物的研究方向主要為以細菌附著、細菌毒素和蛋白酶、鐵載體、脲酶、菌毛為靶標(biāo)的疫苗或小分子藥物。其中，以細菌附著為靶標(biāo)的疫苗可很好地阻斷病原體與機體的相互作用，降低尿路感染的發(fā)生率；以細菌毒素和蛋白酶為靶標(biāo)的疫苗的臨床療效仍有待進一步評估；以鐵載體為靶標(biāo)的疫苗可減緩疾病進展和減弱細菌定植；以脲酶為靶標(biāo)的小分子藥物具有一定療效的同時也存在較嚴重的副作用；以菌毛為靶標(biāo)的小分子藥物通過阻斷尿路感染動物模型的病原體在膀胱上的定植和侵入，能較好并快速地發(fā)揮預(yù)防和治療尿路感染的作用。目前，黏附素FimH的抗體已進入了Ⅰ期臨床試驗階段，但Pilicides、Mannosides和靶向于菌毛、鐵載體以及其他毒力因素的疫苗等仍處于實驗研究或臨床前研究階段。同時，在疫苗的研發(fā)過程中應(yīng)注意其對正常腸道微生物的影響。后續(xù)的研究應(yīng)重點將基礎(chǔ)研究的成果轉(zhuǎn)化至臨床試驗，探索治療尿路感染新策略的可行性，以期為其臨床研究提供證據(jù)。

[1] Stamm WE，Norrby SR.Urinary tract infections：disease panorama and challenges[J].J Infect Dis，2001，183（Suppl 1）：S1-S4.

[2] Foxman B.Urinary tract infection syndromes：occurrence，recurrence，bacteriology，risk factors，and disease burden [J].Infect Dis Clin North Am，2014，28（1）：1-13.

[3] Nielubowicz GR，Mobley HL.Host-pathogen interactions in urinary tract infection[J].Nat Rev Urol，2010，7（8）：430-441.

[4] Lichtenberger P，Hooton TM.Complicated urinary tract infections[J].Curr Infect Dis Rep，2008，10（6）：499-504.

[5] Flores-Mireles AL，Walker JN，Caparon M，et al.Urinary tract infections：epidemiology，mechanisms of infection and treatment options[J].Nat Rev Microbiol，2015，13（5）：269-284.

[6] Waksman G，Hultgren SJ.Structural biology of the chaperone：usher pathway of pilus biogenesis[J].Nat Rev Microbiol，2009，7（11）：765-774.

[7] Wurpel DJ，Beatson SA，Totsika M，et al.Chaperone：usher fimbriae of Escherichia coli[J].PLoS One，2013，8（1）：e52835.

[8] Hadjifrangiskou M，Gu AP，Pinkner JS，et al.Transposon mutagenesis identifies uropathogenic Escherichia coli biofilm factors[J].J Bacteriol，2012，194（22）：6195-6205.

[9] Hannan TJ，Totsika M，Mansfield KJ，et al.Host-pathogen checkpoints and population bottlenecks in persistent and intracellular uropathogenic Escherichia coli bladder infection[J].FEMS Microbiol Rev，2012，36（3）：616-648.

[10] Martinez JJ，Hultgren SJ.Requirement of Rho-family GTPases in the invasion of type 1-piliated uropathogenic Escherichia coli[J].Cell Microbiol，2002，4（1）：19-28.

[11] Anderson GG，Palermo JJ，Schilling JD，et al.Intracellular bacterial biofilm-like pods in urinary tract infections [J].Science，2003，301（5629）：105-107.

[12] Zhanel GG，Lawson CD，Adam H，et al.Ceftazidime-avibactam：a novel cephalosporin/β-lactamase inhibitor combination[J].Drugs，2013，73（2）：159-177.

[13] Livermore DM，Mushtaq S.Activity of biapenem（RPX2003）combined with the boronate β-lactamase inhibitor RPX7009 against carbapenem-resistant Enterobacteriaceae[J].J Antimicrob Chemother，2013，68（8）：1825-1831.

[14] Mushtaq S，Woodford N，Hope R，et al.Activity of BAL30072 alone or combined with β-lactamase inhibitors or with meropenem against carbapenem-resistant Enterobacteriaceae and non-fermenters[J].J Antimicrob Chemother，2013，68（7）：1601-1608.

[15] Langermann S，Palaszynski S，Barnhart M，et al.Prevention of mucosal Escherichia coli infection by FimH-adhesin-based systemic vaccination[J].Science，1997，276（5312）：607-611.

[16] Savar NS，Jahanian-Najafabadi A，Mahdavi M，et al.In silico and in vivo studies of truncated forms of flagellin（FliC）of enteroaggregative Escherichia coli fused to FimH from uropathogenic Escherichia coli as a vaccine candidate against urinary tract infections[J].J Biotechnol，2014，175：31-37.

[17] O’Hanley P，Lalonde G，Ji G.Alpha-hemolysin contributes to the pathogenicity of piliateddigalactoside-binding Escherichia coli in the kidney：efficacy of an alpha-hemolysin vaccine in preventing renal injury in the BALB/cmouse model of pyelonephritis[J].Infect Immun，1991，59（3）：1153-1161.

[18] Alamuri P，Eaton KA，Himpsl SD，et al.Vaccination with proteus toxic agglutinin，a hemolysin-independent cytotoxin in vivo，protects against Proteus mirabilis urinary tract infection[J].Infect Immun，2009，77（2）：632-641.

[19] Watts RE，Totsika M，Challinor VL，et al.Contribution of siderophore systems to growth and urinary tract colonization of asymptomatic bacteriuria Escherichia coli[J].Infect Immun，2012，80（1）：333-344.

[20] Himpsl SD，Pearson MM，Arew?ng CJ，et al.Proteobactin and a yersiniabactin-related siderophore mediate iron acquisition in Proteus mirabilis[J].Mol Microbiol，2010，78（1）：138-157.

[21] Brumbaugh AR，Smith SN，Mobley HL.Immunization with the yersiniabactin receptor，F(xiàn)yuA，protects against pyelonephritis in a murine model of urinary tract infection [J].Infect Immun，2013，81（9）：3309-3316.

[22] Kosikowska P，Berlicki ?.Urease inhibitors as potential drugs for gastric and urinary tract infections：a patent review[J].Expert Opin Ther Pat，2011，21（6）：945-957.

[23] Piatek R，Zalewska-Piatek B，Dzierzbicka K，et al.Pilicides inhibit the FGL chaperone/usher assisted biogenesis of the Drfimbrialpolyadhesin from uropathogenic Escherichia coli[J].BMC Microbiol，2013，doi：10.1186/1471-2180-13-131.

[24] Cusumano CK，Pinkner JS，Han Z，et al.Treatment and prevention of urinary tract infection with orally active FimH inhibitors[J].Sci Transl Med，2011，3（109）：109-115.

[25] Greene SE，Pinkner JS，Chorell E，et al.Pilicide ec240 disrupts virulence circuits in uropathogenic Escherichia coli [J].M Bio，2014，5（6）：e02038.

[26] Klein T，Abgottspon D，Wittwer M，et al.FimH antagonists for the oral treatment of urinary tract infections：from design and synthesis to in vitro and in vivo evaluation[J].J Med Chem，2010，53（24）：8627-8641.

（編輯：陶婷婷）

R983

A

1001-0408（2017）17-2441-04

2016-11-01

2017-05-09）

＊主管藥師，碩士。研究方向：藥理學(xué)。電話：023-68765991。E-mail：aiweierjia@outlook.com

#通信作者：主任藥師，博士。研究方向：藥理學(xué)。電話：023-68754438。E-mail：py-xia2013@163.com

DOI10.6039/j.issn.1001-0408.2017.17.38