高毒力A組鏈球菌致病機(jī)制研究進(jìn)展

張曉蘭， 江 鵬， 徐 倩， 朱 輝

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150081)

A組鏈球菌(Group AStreptococcus，GAS)是臨床常見致病菌，可引發(fā)淺表感染如咽炎和膿皰病，也可引發(fā)嚴(yán)重侵襲性感染如壞死性筋膜炎和鏈球菌中毒休克綜合征。20世紀(jì)80年代以來，GAS引起的嚴(yán)重侵襲性感染呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)侵襲性感染常由高毒力株引起，如emm1、emm3、emm12、emm28和emm89，導(dǎo)致全球每年約16萬人死亡。盡管有抗生素可以治療，但其對(duì)侵襲性感染的效果有限，需要對(duì)侵襲性感染的致病機(jī)制作深入研究?，F(xiàn)有致病機(jī)制模型中雖有明確的結(jié)論，也有未闡明的疑點(diǎn)。本文對(duì)近年來高毒力GAS分型、致病表現(xiàn)、致病機(jī)制及治療進(jìn)行了總結(jié)，如GAS重要毒力調(diào)控因子covRS基因突變導(dǎo)致毒力增高、GAS超抗原過度激活宿主T細(xì)胞反應(yīng)等，旨在對(duì)GAS侵襲性感染的研究、預(yù)防和治療提供參考。

1 高毒力GAS分型及致病表現(xiàn)

1.1 高毒力GAS分型

鑒于GAS 表面M蛋白的結(jié)構(gòu)及功能的多樣性，根據(jù)其編碼基因emm可分為200多種。在流行病學(xué)研究中，某些emm型常引起侵襲性疾病的流行，包括emm1、emm3、emm12、emm28和emm89[1-4]。導(dǎo)致發(fā)展中國家發(fā)生GAS感染最常見的類型為emm1型。emm3型侵襲性感染的致死率要高于其他型菌株[2]。在歐洲的一項(xiàng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，emm28和emm87常導(dǎo)致女性感染，其中emm28分離株被認(rèn)為是引發(fā)產(chǎn)褥熱的“罪魁禍?zhǔn)住薄６啾容^而言emm83、emm81和emm43在男性感染中發(fā)現(xiàn)較多，主要與靜脈用藥有關(guān)。自2000年以來，發(fā)現(xiàn)emm89型GAS丟失合成透明質(zhì)酸的基因后導(dǎo)致嚴(yán)重侵襲性感染[3]。表1總結(jié)了上述常見的高毒力菌株分型及其特點(diǎn)。

表1 常見GAS侵襲性菌株分型及其特點(diǎn)

1.2 高毒力GAS致病表現(xiàn)

高毒力GAS能引發(fā)高致死率的嚴(yán)重侵襲性感染(如壞死性筋膜炎和鏈球菌中毒休克綜合征[4-6])。壞死性筋膜炎(Necrotizing Fasciitis，NF)是一種較深的皮下組織和筋膜的感染，其特點(diǎn)是皮膚及軟組織、肌肉廣泛而迅速的壞死(壞疽)。NF的病理組織學(xué)類型大致分為三型：Ⅰ型感染部位有大量的細(xì)菌聚集但很少有中性粒細(xì)胞反應(yīng)；Ⅱ型感染組織中有細(xì)菌并伴有中度至重度中性粒細(xì)胞反應(yīng)；Ⅲ型感染組織中無細(xì)菌但有強(qiáng)烈中性粒細(xì)胞反應(yīng)(死亡率高)。典型的NF始于小傷口或手術(shù)切口，最初的病變只是出現(xiàn)局部紅斑，但隨后 24～72 h內(nèi)炎癥會(huì)變得更加明顯和廣泛，皮膚變得灰暗發(fā)紫，并出現(xiàn)含有膿血的大皰。4～5 d后感染處皮膚會(huì)出現(xiàn)明顯壞疽樣病變，伴隨大面積壞死[7-9]。NF病人常表現(xiàn)為高熱和身體極度衰竭，即使經(jīng)過適當(dāng)?shù)闹委?，死亡率仍很高。在美國和歐洲，NF的死亡率分別為24%和32%，而在發(fā)展中國家死亡率更高[10]。

鏈球菌中毒休克綜合征(Streptococcal Toxic Shock Syndrome，STSS)是與鏈球菌侵襲性感染相關(guān)的休克和器官衰竭。STSS一期在24～48 h內(nèi)表現(xiàn)為流感樣癥狀，特征是發(fā)熱、寒戰(zhàn)、肌痛、惡心、嘔吐、腹瀉、低血壓；二期的特征為心動(dòng)過速、呼吸暫停、疼痛增加和持續(xù)發(fā)熱；三期表現(xiàn)為突發(fā)的休克和器官衰竭[7-8]。20世紀(jì)80年代STSS的案例在美國和歐洲出現(xiàn)后，成年人及兒童STSS的報(bào)道便在世界范圍內(nèi)屢見不鮮。有研究表明emm1和emm3的流行與STSS的發(fā)病率增加相關(guān)聯(lián)。大約8%～23%的STSS患者在感染后7 d內(nèi)死亡。每年GAS侵襲性感染至少有60多萬例，導(dǎo)致約16萬人死亡。表2為一些國家地區(qū)侵襲性GAS感染的發(fā)病率及死亡率[10]，我國尚缺乏該數(shù)據(jù)流行病學(xué)報(bào)道。

表2 不同國家地區(qū)侵襲性GAS感染的發(fā)病率及死亡率[10]

2 高毒力GAS致病機(jī)制

高毒力GAS致病機(jī)制很復(fù)雜，既包括初期淺表感染時(shí)表達(dá)黏附分子參與黏附和定殖、表達(dá)M蛋白和透明質(zhì)酸莢膜參與抗吞噬、分泌毒力因子參與破壞宿主屏障，還包括侵襲性感染時(shí)covRS突變、血管侵襲及表達(dá)超抗原等。下面重點(diǎn)總結(jié)高毒力GAS導(dǎo)致侵襲性感染時(shí)的致病機(jī)制。

2.1 CovRS雙組分轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)

CovRS(control of virulence responder sensor)是GAS最具代表性的雙組分轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)。CovS能夠感知外部信號(hào)，繼而激活細(xì)菌胞內(nèi)CovR，由CovR負(fù)調(diào)控毒力因子的表達(dá)。對(duì)M1型GAS的分析結(jié)果顯示CovR可以抑制GAS基因組中15%(271種)基因的轉(zhuǎn)錄，包括透明質(zhì)酸莢膜操縱子、鏈球菌溶血素S、半胱氨酸蛋白酶、NAD糖水解酶、鏈球菌溶血素O、IL-8降解蛋白酶、鏈激酶、鏈道酶、免疫球蛋白修飾蛋白和纖連蛋白結(jié)合蛋白等[4,8]。

2.1.1covRS突變影響GAS免疫逃逸covRS的無效突變可增強(qiáng)sse、spyCEP和scpA基因的表達(dá)。Sse、SpyCEP和ScpA 可分別降解中性粒細(xì)胞趨化因子PAF、白介素8/CXC趨化因子、補(bǔ)體C5a[11-12]，繼而影響中性粒細(xì)胞趨化。在高毒力covS突變株感染小鼠實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)Sse和SLS對(duì)抑制中性粒細(xì)胞募集和促進(jìn)全身性感染具有協(xié)同作用[12]。在高毒力GAScovS突變株導(dǎo)致NF的小鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，小鼠呈現(xiàn)了NFⅢ型組織病理學(xué)特征。高毒力GAScovS突變株中的covS突變被糾正后，可增強(qiáng)小鼠的中性粒細(xì)胞反應(yīng)，導(dǎo)致Ⅱ型NF；而野生型M1T1 GAS的CovS缺失可減少中性粒細(xì)胞的募集，同樣導(dǎo)致Ⅱ型NF的出現(xiàn)[13]。covS突變后增強(qiáng)了GAS逃逸宿主固有免疫系統(tǒng)的能力。

2.1.2covRS突變影響GAS血管侵襲 M3型GAS(MGAS315)有自然的covS突變(G1370T)，導(dǎo)致CovS 457號(hào)位的甘氨酸錯(cuò)義突變?yōu)槔i氨酸[9]。在小鼠肺部感染模型中，高毒力的MGAS315在氣管內(nèi)接種后，細(xì)菌立即散落分布于肺泡管和肺泡間隔，接種24～48 h后小鼠死亡。組織切片發(fā)現(xiàn)，肺泡管受到嚴(yán)重破壞，并含有大量細(xì)菌，且支氣管血管和血管周圍間質(zhì)中有大量GAS存在[14]。對(duì)比MGAS315-covS無突變株，雖能導(dǎo)致肺泡區(qū)感染，但是不能侵入支氣管血管和血管周圍間質(zhì)。而將covS基因從MGAS315無突變株中去除后，其侵襲支氣管血管和血管周圍間質(zhì)的能力又恢復(fù)了。因此，covS突變是MGAS315侵襲血管所必需的。另外MGAS315進(jìn)入肝脾的能力比MGAS315-covS無突變株強(qiáng)1 000倍以上，這些數(shù)據(jù)說明血管侵襲在MGAS315全身性播散中的關(guān)鍵作用，與血管侵襲直接相關(guān)的毒力因子目前尚不清楚。高毒力GAS對(duì)血管系統(tǒng)的侵襲，可能涉及多種由covS控制的毒力因子的協(xié)同作用[14]。

2.1.3covRS突變影響SpeB的表達(dá) SpeB(Streptococcal pyrogenic exotoxin B, SpeB)是GAS表達(dá)的一種半胱氨酸蛋白酶，能夠阻斷感染初期宿主免疫反應(yīng)，對(duì)GAS皮膚感染是必須的[4]。M1型GAScovRS自然突變會(huì)下調(diào)SpeB的表達(dá)。rocA和covS突變株對(duì)許多由covS負(fù)調(diào)控的毒力因子具有相似的增強(qiáng)作用，但rocA突變株并沒有下調(diào)SpeB，具有自然rocA突變的emm3分離株在缺失SpeB后，其毒力有所增強(qiáng)[15]。這些發(fā)現(xiàn)提示，M1型 GAScovRS突變株的高毒力，除了與covRS負(fù)調(diào)控的毒力因子的表達(dá)增強(qiáng)有關(guān)外，還與SpeB的表達(dá)下調(diào)密切相關(guān)[16]。有研究指出SpeB的下調(diào)能夠減少人纖溶酶原和纖維蛋白原的降解，增強(qiáng)纖溶酶活性，允許GAS降解宿主屏障及播散。另外SpeB下調(diào)能增強(qiáng)GAS毒力因子(Ska、M蛋白、GAPDH、SEN)的活性，對(duì)這些毒力因子具有保護(hù)作用，使得GAS向全身播散能力增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)毒力[17-18]。

2.2 Ihk-Irr調(diào)控系統(tǒng)

Ihk-Irr調(diào)控系統(tǒng)是GAS另一個(gè)重要的雙組分調(diào)控系統(tǒng)，參與抵抗宿主固有免疫反應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)急性咽炎發(fā)作時(shí)，Ihk-Irr調(diào)控因子表達(dá)明顯增多并參與逃逸中性粒細(xì)胞殺傷。當(dāng)敲除JRS4(M6型GAS)的irr基因時(shí)，中性粒細(xì)胞吞噬及產(chǎn)生活性氧的能力并未提高，提示Ihk-Irr的存在能夠增強(qiáng)GAS的抗吞噬能力[19]。在5448(M1型GAS)進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，只有在感染的早期階段，Ihk-Irr表達(dá)增多使存活于巨噬細(xì)胞內(nèi)的GAS增加，而感染后期Ihk-Irr表達(dá)減少而CovRS表達(dá)增多[20]。Ihk-Irr調(diào)控系統(tǒng)可在活性氧或抗菌肽的作用下被激活。小鼠菌血癥的動(dòng)物模型中，Ihk-Irr的失活顯著降低了GAS的毒力。Ihk-Irr能夠控制與細(xì)胞壁合成和抗氧化應(yīng)激相關(guān)基因，使GAS躲避了中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的殺傷，并促進(jìn)GAS的傳播從而在GAS侵襲性感染中發(fā)揮作用[19-20]。

2.3 Mga調(diào)控系統(tǒng)

Mga(multiple gene regulator of Group AStreptococcus)是一個(gè)分子量為62 kDa的DNA結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白，它的同源蛋白在其他型的致病性鏈球菌中都可以找到。Mga能激活許多毒力基因的轉(zhuǎn)錄(如M蛋白)，Mga對(duì)GAS毒力的作用已經(jīng)在很多侵襲性感染的模型中得到了證實(shí)[21]。Mga的作用與碳水化合物代謝有關(guān)，在含糖量不同的環(huán)境中，Mga磷酸化的變化可改變Mga的功能[22]。在富含碳水化合物的環(huán)境中，可抑制Mga磷酸化，從而促進(jìn)GAS關(guān)鍵黏附因子的表達(dá)。相反，在碳水化合物缺乏的環(huán)境中，GAS磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)使Mga發(fā)生磷酸化而失活，下調(diào)了GAS關(guān)鍵黏附因子的表達(dá)，使GAS更易擴(kuò)散到深層組織中。在小鼠侵襲性感染模型中，通過改變Mga磷酸化水平可顯著影響GAS的毒力[23]。

2.4 超抗原SAgs

超抗原是一類特殊抗原，可以刺激T淋巴細(xì)胞增殖和活化產(chǎn)生過量細(xì)胞因子的抗原。在過去的100年間，已經(jīng)有11種超抗原在GAS中被發(fā)現(xiàn)。在1920年至1960年間相繼發(fā)現(xiàn)了SPE(Streptococcal Pyrogenic Exotoxins)A、B、C，它們?cè)诿庖邔W(xué)結(jié)構(gòu)上不同，但是有一些相似的生物活性，特別是注射到家兔體內(nèi)的致熱能力(致熱性)相似且使內(nèi)毒素休克更易發(fā)生。除上述三種SAgs表達(dá)外，GAS還可產(chǎn)生SPE-G、SPE-J、SSA、SMEZ等多種SAgs[24]。

SAgs的一個(gè)特點(diǎn)是能夠同時(shí)結(jié)合到抗原提呈細(xì)胞的MHCⅡ類分子和TcRVβ上[24]。SAgs與其受體結(jié)合后將導(dǎo)致TNF-α和TNF-β的快速釋放，繼而引發(fā)IL-2、IL-6、IL-1和INF-γ的相繼釋放，導(dǎo)致宿主產(chǎn)生各種炎癥反應(yīng)。對(duì)小鼠的動(dòng)物研究表明，SAgs暴露后的第1小時(shí)內(nèi)，TNF-α顯著增加，主要由脾臟內(nèi)的T細(xì)胞釋放[25-26]。在深部組織和血液中，細(xì)胞因子的生成對(duì)休克和器官衰竭的發(fā)生起著重要作用，如TNF-α在這個(gè)過程起到了關(guān)鍵作用。在狒狒A組鏈球菌菌血癥模型中，觀察到在重度低血壓時(shí)有高水平的TNF-α表達(dá)，應(yīng)用抗TNF-α抗體可恢復(fù)到正常血壓，死亡率降低了50%[26]。此外，一些SAgs(包括SPE-A和SMEZ)能夠上調(diào)人單核細(xì)胞表面TLR2的表達(dá)。這與SAgs與MHCⅡ類分子結(jié)合有關(guān)。TLR2上調(diào)導(dǎo)致TLR2配體促炎癥反應(yīng)增加，但只有在配體濃度較高時(shí)才發(fā)生。

在流行病學(xué)調(diào)查中，從STSS患者中分離出的高毒力菌株多為emm1和emm3株，兩者均能產(chǎn)生SPE-A和SPE-C[24]。大多數(shù)(40%～90%)引起侵襲性感染和STSS的高毒力株中發(fā)現(xiàn)了speA基因，但只有少數(shù)(15%～20%)引起非侵襲性感染的分離株中有speA基因[24]。最近的一項(xiàng)研究分析了從1920年至2013年間來自不同地點(diǎn)的3 615株emm1型菌株的基因組序列，發(fā)現(xiàn)獲得speA基因是高毒力emm1株進(jìn)化的重要一步。在臨床研究中，用免疫組化的方法對(duì)2例STSS患者血清中的SPE-A進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)SPE-A與TNF-α水平升高相關(guān)聯(lián)，為SPE-A誘導(dǎo)的T細(xì)胞活化提供了證據(jù)[27]。

2.5 M1蛋白誘導(dǎo)產(chǎn)生的肝素結(jié)合蛋白

M蛋白是GAS表面的多功能毒力因子，是首次報(bào)道的GAS黏附素。M1蛋白的N端序列被認(rèn)為與細(xì)菌聚集有關(guān)，這對(duì)于細(xì)菌的定殖、抗吞噬以及隨后的侵襲可能是至關(guān)重要的[28]。目前的研究表明，由M蛋白介導(dǎo)的細(xì)菌聚集是一個(gè)重要的致病機(jī)制。聚集的GAS能更有效地黏附上皮細(xì)胞，在血液中存活時(shí)間更長并有利于其生長，而不聚集的GAS黏附性差，會(huì)被迅速殺死。相比于單個(gè)細(xì)菌或細(xì)菌鏈，較大聚集體更難被吞噬。另外有研究發(fā)現(xiàn)M和M樣蛋白可以保護(hù)GAS免受補(bǔ)體攻擊[4,29]。有研究認(rèn)為中性粒細(xì)胞和M1蛋白的相互作用，可誘導(dǎo)肝素結(jié)合蛋白(Heparin-binding Protein，HBP)的釋放。HBP是一種血管通透性誘導(dǎo)劑，可造成血管滲漏，進(jìn)而促進(jìn)GAS全身播散。

3 高毒力GAS感染的治療

侵襲性GAS感染的治療包括手術(shù)清除感染組織、穩(wěn)定血流動(dòng)力學(xué)和特異性抗菌藥物治療。確定為GAS感染后，10～14 d內(nèi)靜脈注射青霉素G(300～400萬單位每4 h)加克林霉素(600～900 mg每6～8 h)是首選的藥物治療方案[30]。一些病例報(bào)告描述了靜脈注射免疫球蛋白(Intravenous Immunoglobulin，IVIG)在治療重癥侵襲性感染患者中的效果，但目前美國傳染病協(xié)會(huì)的指導(dǎo)方針提出，不同的IVIG制劑中毒素中和抗體的水平差別很大。另外有研究人員發(fā)現(xiàn)了一種弱拮抗金黃色葡萄球菌腸毒素B(Staphylococcal Enterotoxin B, SEB)活性的十二肽，可以抑制小鼠感染模型中SEB和TSST-1(Toxic Shock Syndrome Toxin-1)的活性。另外有研究報(bào)道了一種雙特異性受體模擬物，既針對(duì)MHCⅡ類受體，又針對(duì)SAgs的TCR結(jié)合位點(diǎn)，能夠在SAgs致病過程中產(chǎn)生阻斷作用。

4 展 望

20世紀(jì)80年代以來，GAS引起的嚴(yán)重侵襲性感染呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。現(xiàn)有致病機(jī)制模型中有明確的結(jié)論，也有未解的謎團(tuán)。毒力調(diào)控基因covRS的自然突變能增強(qiáng)GAS的毒力，使其具有免疫逃逸和血管侵襲的能力。由covRS突變引起的SpeB下調(diào)，也可能與GAS毒力增強(qiáng)有關(guān)。GAS表達(dá)的多種超抗原SAgs參與了高毒力菌株的致病過程，但SAgs的作用還有待進(jìn)一步確定。M1蛋白誘導(dǎo)產(chǎn)生的肝素結(jié)合蛋白有助于GAS侵襲血管系統(tǒng)。對(duì)GAS高毒力菌株致病機(jī)制的深入探討，能為侵襲性感染的預(yù)防和治療提供更好的方案。