新生兒細菌性腦膜炎常見病原菌跨膜機制的研究進展

韋冰梅 韋巧珍 陳玉君

(廣西醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院兒科，南寧市 530007，電子郵箱：weibingmeiyikeda@163.com)

【提要】 新生兒細菌性腦膜炎是對新生兒傷害較大的感染性疾病，常并發(fā)于新生兒敗血癥。雖然近年來其發(fā)病率有所下降，但其病死率和致殘率仍較高。在不同的國家和地區(qū)，新生兒細菌性腦膜炎的常見病原菌有所不同。了解病原菌進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機制，針對常見病原菌進行早期有效的干預(yù)至關(guān)重要。目前，有關(guān)新生兒細菌性腦膜炎常見病原菌，如大腸埃希菌、無乳鏈球菌、肺炎鏈球菌等，進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)機制的研究已取得一些進展，本文就此進行綜述。

全球每年約有290萬新生兒死亡，在所有的死亡原因中感染位居前列[1]。細菌性腦膜炎亦稱化膿性腦膜炎，是對新生兒傷害較大的感染性疾病，常并發(fā)于新生兒敗血癥。該病在發(fā)達國家的發(fā)病率為0.3‰，病死率為10%～15%，而發(fā)展中國家的發(fā)病率為0.8‰～6.1‰，病死率則高達40%～58%[2-3]。盡管20世紀70年代以后，新生兒細菌性腦膜炎發(fā)病率呈下降趨勢，國內(nèi)近10年文獻報告新生兒細菌性腦膜炎總體病死率仍接近10%[4-7]。掌握常見病原菌并了解其作用機制有利于新生兒細菌性腦膜炎的預(yù)防及早期干預(yù)，對改善患兒預(yù)后有著重要意義。筆者將圍繞新生兒細菌性腦膜炎常見病原菌跨越血腦屏障進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機制的研究進展做一綜述。

1 新生兒細菌性腦膜炎的發(fā)病機制

血腦屏障通過調(diào)節(jié)分子進出大腦的過程來維持神經(jīng)微環(huán)境穩(wěn)定，保護大腦免受來自血液循環(huán)的微生物和毒素的侵害。血腦屏障由腦微血管內(nèi)皮細胞(brain microvascular endothelial cell，BMEC)、內(nèi)皮細胞間的緊密連接、黏附連接、血管基底膜、周細胞及星型膠質(zhì)細胞終足組成[8]。血腦屏障結(jié)構(gòu)的特殊性：(1)人BMEC之間的連接不同于其他毛細血管內(nèi)皮細胞間的普通連接，其細胞間有高電阻的緊密連接，而且BMEC胞飲小泡極少，限制了大分子溶質(zhì)在細胞間的通行。(2)緊密連接蛋白為跨膜蛋白，是內(nèi)皮細胞間屏障的主要結(jié)構(gòu)蛋白，通過閉鎖小帶蛋白家族與內(nèi)皮細胞骨架蛋白相連接，與內(nèi)皮細胞共同形成完整的屏障結(jié)構(gòu)，阻礙水溶性分子及離子通過血腦屏障。(3)血管基底膜是由Ⅳ型膠原、硫酸肝素蛋白聚糖、層連蛋白和纖維連接蛋白組成的連續(xù)性基底膜，包繞周細胞和人BMEC，它的外層還被星形膠質(zhì)細胞的終足包繞，形成鞘結(jié)構(gòu)包繞腦微血管[8]。

細菌入侵腦組織的前提是血腦屏障結(jié)構(gòu)和功能的破壞。目前，人BMEC阻止微生物穿越屏障的機制仍未完全明確。體內(nèi)存在炎癥反應(yīng)時，大量炎性細胞進入腦組織后，產(chǎn)生大量基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)和促進MMP表達增強的多種細胞因子(如腫瘤壞死因子α、白細胞介素1、白細胞介素6、血管內(nèi)皮生長因子等)。MMP能分解細胞外基質(zhì)從而破壞人BMEC，導(dǎo)致微生物得以入侵[9]。星形膠質(zhì)細胞和周細胞有助于維持人BMEC的屏障功能，但其阻礙微生物跨越的機制尚未明確。有研究表明，星形膠質(zhì)細胞和周細胞對大腸埃希菌入侵的屏障作用是最小的；星形膠質(zhì)細胞的抗菌活性(如吲哚胺2,3-雙加氧酶活性)和周細胞對腦內(nèi)皮細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)節(jié)可能影響屏障的微生物穿越[10]。

2 新生兒細菌性腦膜炎的常見病原菌

在發(fā)達國家，新生兒細菌性腦膜炎最常見病原菌依次為B群鏈球菌(group BStreptococcus，GBS)、大腸埃希菌、單核細胞增生性李斯特菌；足月兒早發(fā)型、晚發(fā)型細菌性腦膜炎最常見的病原菌分別為GBS、大腸埃希菌(K1型)；而早產(chǎn)兒早發(fā)型、晚發(fā)型細菌性腦膜炎最常見的病原菌均為大腸埃希菌[11-12]。發(fā)展中國家新生兒細菌性腦膜炎的常見病原菌為革蘭陰性桿菌、肺炎鏈球菌、金黃色葡萄球菌[13]。我國多中心研究表明，早發(fā)型新生兒細菌性腦膜炎常見的病原菌有金黃色葡萄球菌、大腸埃希菌，晚發(fā)型最常見病原菌為大腸埃希菌[4-5,7]。

3 病原菌穿過血腦屏障的機制

病原菌通過細胞屏障的形式主要有3種：直接跨越細胞、穿越細胞間的連接、潛在吞噬細胞內(nèi)穿過(特洛伊木馬機制)。病原菌在穿越細胞屏障過程中，可通過受體配體機制、宿主肌動蛋白細胞骨架重排及其他不同信號介導(dǎo)通道激活，調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的運輸過程以避免被溶酶體融合，從而侵襲人BMEC并穿越血腦屏障。不同病原菌穿越人BMEC的方式不同。

3.1 大腸埃希菌 引起新生兒細菌性腦膜炎的大腸埃希菌菌株中，80%以上含有K1莢膜。K1莢膜在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中具有抗血清、抗吞噬體自溶、阻止溶酶體融合的作用。目前明確的參與K1型大腸埃希菌與人BMEC黏附的菌毛為Ⅰ型菌毛，在Ⅰ型菌毛功能缺失的情況下，其侵襲人BMEC的能力下降。與大腸埃希菌侵襲人BMEC相關(guān)的蛋白和基因為：外膜蛋白A(outer membrane protein A，OmpA)、Ibe蛋白、AslA基因、TraJ基因和細胞毒性壞死因子1(cytotoxic necrotizing factor 1，CNF1)等[14]。K1型大腸埃希菌侵襲人BMEC的過程較為復(fù)雜，當(dāng)機體出現(xiàn)嚴重菌血癥時，其在上述侵襲相關(guān)蛋白和基因的作用下，通過受體-配體(胞吞轉(zhuǎn)運)機制、宿主肌動蛋白細胞骨架重排及其他不同信號介導(dǎo)通路激活的情況下侵襲人BMEC并穿越血腦屏障[15]。其中，OpmA與內(nèi)皮細胞上的受體糖蛋白96相互作用侵入人BMEC，其相互作用使人BMEC中過氧化物酶體增殖物激活受體γ和葡萄糖轉(zhuǎn)運體1的水平下調(diào)，破壞血腦屏障完整性并抑制葡萄糖攝取；同時，它還能結(jié)合C4結(jié)合蛋白，后者是一種經(jīng)典的補體通路調(diào)節(jié)劑，可阻斷補體級聯(lián)反應(yīng)，從而避免了免疫細胞的識別和溶菌[15]。而CNF1基因作為AB型細菌毒素，可通過激活Ras同源基因家族——Rho GTP酶，使肌動蛋白F聚合能力增加，從而使細胞骨架發(fā)生重排，最終使大腸桿菌入侵人BMEC[16]。

3.2 GBS 目前已確定的GBS血清型共有10種，其中Ⅲ型與腦膜炎相關(guān)。目前認為GBS侵襲人BMEC主要涉及幾個步驟：毒力因子的黏附，細菌的胞吞作用，BMEC的損傷和炎癥機制破壞血腦屏障的完整性。其中，侵襲人BMEC的毒力因子包括黏附素脂磷壁酸(lipoteichoic acid，LTA)、β-溶血素/溶細胞素、菌毛、透明質(zhì)酸酶、富含絲氨酸的重復(fù)蛋白(serine-rich repeat protein，Srr)等[17]，其相關(guān)的作用有：(1)LTA與細胞膜有高度親和力，與細胞表面受體結(jié)合后可增強細菌對細胞的黏附性。(2)β-溶血素/溶細胞素能誘導(dǎo)上皮細胞和內(nèi)皮細胞的溶細胞損傷，使巨噬細胞凋亡，并通過刺激與中性粒細胞聚集和激活相關(guān)的因子(如白細胞介素8和細胞間黏附分子1)，促進中性粒細胞穿越人BMEC單層膜[18]。 (3)菌毛尖端的黏附至關(guān)重要。動物實驗表明，菌毛尖端的黏附可促進中性粒細胞釋放白細胞介素8、白細胞介素6、趨化因子1、趨化因子2、趨化因子C-C-基元配體20，從而導(dǎo)致血腦屏障的通透性增加；反之，菌毛缺陷突變體的小鼠中性粒細胞浸潤減少，炎癥因子的表達降低，死亡延遲[19]。(4)透明質(zhì)酸酶能分解細胞外基質(zhì)成分，協(xié)助細菌在組織中擴散[18]。(5)Srr是具有黏附功能的糖蛋白，介導(dǎo)GBS與人血中的纖維蛋白原的結(jié)合，使GBS附著到宿主腦內(nèi)皮細胞，對腦膜炎的發(fā)生起重要作用[20]。

3.3 單核細胞增生性李斯特菌 該菌為食源性病原菌，多侵犯免疫受損的個體，共有13種血清型，其中能引起人類疾病的血清型是1/2a型、1/2b型和4b型。單核細胞增生性李斯特菌侵入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機制包括：(1)寄生在吞噬細胞中通過跨細胞穿過血腦屏障。單核細胞通過某種信號被募集到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，受感染的白細胞黏附于中樞神經(jīng)脈管系統(tǒng)的內(nèi)皮細胞，允許細菌從吞噬細胞到BMEC的細胞間傳播；此外白細胞可以轉(zhuǎn)移并遞送細菌到中樞神經(jīng)系統(tǒng)實質(zhì)。(2)通過細胞外血行擴散直接入侵BMEC。血源性細菌被吞噬到吞噬體內(nèi)后，可延緩?fù)淌审w成熟及靶向降解吞噬體外膜，并通過李斯特菌溶素O與磷脂酶A及B的協(xié)同作用快速裂解酸化吞噬體的外膜，從而自由地存在于細胞質(zhì)，并可復(fù)制和獲得基于F-肌動蛋白的細胞內(nèi)運動，隨后通過細胞間擴散侵入相鄰細胞，由此侵入BMEC，然后侵入包括神經(jīng)元和小膠質(zhì)細胞在內(nèi)的周圍細胞或逃逸到蛛網(wǎng)膜下腔。(3)通過顱神經(jīng)軸突向大腦逆行遷移。當(dāng)咀嚼食物時，細菌被接種到口腔組織中；組織巨噬細胞或血液吞噬細胞聚集到感染組織中，吞噬細菌，并被胞內(nèi)細菌寄生，這些細菌通過細胞間傳播侵襲顱神經(jīng)軸突；細菌通過神經(jīng)軸突逆行，最終到達中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并繼續(xù)在實質(zhì)中進行細胞間傳播[21-22]。

3.4 肺炎鏈球菌 肺炎鏈球菌在鼻腔內(nèi)定植是發(fā)病的第一步。肺炎鏈球菌可從鼻咽逐漸侵犯到內(nèi)耳腔、肺部或侵入組織內(nèi)以進入血液，分別引起中耳炎、肺炎或敗血癥。一旦肺炎鏈球菌通過血源傳播，就會先通過血腦屏障或血液-腦脊液屏障侵入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。研究顯示，肺炎鏈球菌在血腦屏障的初始易位發(fā)生在蛛網(wǎng)膜下腔血管的血管內(nèi)皮上[23]。肺炎鏈球菌可以通過胞吞作用穿越血腦屏障，并可通過球菌溶菌素破壞腦內(nèi)皮細胞進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)：肺炎鏈球菌通過膽堿依賴結(jié)合蛋白A與內(nèi)皮細胞上促炎細胞因子(腫瘤壞死因子α和白細胞介素1)激活的血小板活化受體結(jié)合；結(jié)合的細菌被吞飲內(nèi)化到囊泡中，囊泡中的細菌部分隨囊泡到達細胞基底面，血小板活化受體可被釋放，成為新的結(jié)合靶位點，以不斷循環(huán)使用[24]。肺炎鏈球菌通過多種結(jié)構(gòu)穿越血腦屏障導(dǎo)致腦膜炎發(fā)生，包括[9]：(1)莢膜是200～400 nm厚的多糖壁，覆蓋了肺炎鏈球菌的外部細胞壁，是細菌入侵能力的重要結(jié)構(gòu)。莢膜高表達可調(diào)節(jié)免疫逃逸，抵抗吞噬細胞的吞噬作用，減少中性粒細胞趨化和補體沉積；而莢膜的低表達可促進內(nèi)皮細胞黏附。(2)菌毛能使肺炎鏈球菌附著于內(nèi)皮細胞，菌毛相關(guān)黏附素結(jié)合宿主多聚免疫球蛋白受體和血小板內(nèi)皮細胞黏附分子，促進肺炎鏈球菌跨越血腦屏障。(3)肺炎鏈球菌蛋白對于細菌進入血腦屏障起到重要作用。其中，肺炎鏈球菌表面蛋白A表面的神經(jīng)氨酸酶A可通過內(nèi)皮層粘連蛋白G樣凝集素促進菌毛與BMEC結(jié)合；膽堿結(jié)合蛋白A 可使補體C3失活，并結(jié)合人免疫球蛋白受體，通過內(nèi)皮細胞上的多聚免疫球蛋白受體和血小板活化因子受體，促進肺炎鏈球菌跨越血腦屏障。(4)細胞壁成分和肺炎鏈球菌衍生的酶也有助于增加毒性。其中，肺炎鏈球菌細胞壁成分肽聚糖和硫磷酸通過Toll樣受體激活了宿主的炎癥反應(yīng)；肺炎球菌IgA1蛋白酶切割宿主分泌型IgA，削弱其免疫保護作用；透明質(zhì)酸酶降解結(jié)締組織細胞外基質(zhì)成分透明質(zhì)酸，增加毒力；丙酮酸氧化酶基因介導(dǎo)過氧化氫的產(chǎn)生，使其在微生物競爭中具有競爭優(yōu)勢。(5)肺炎鏈球菌溶血素具有溶細胞作用，干擾腦室管膜纖毛，對上皮和內(nèi)皮細胞都有直接的細胞毒性作用，并觸發(fā)小膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元細胞死亡；溶菌素還可影響神經(jīng)膠質(zhì)細胞，改變星形膠質(zhì)細胞結(jié)構(gòu)并增加血腦屏障的通透性[18]。

3.5 其他病原菌 金黃色葡萄球菌穿血腦屏障的機制的相關(guān)研究報道較少，其可能通過表面結(jié)構(gòu)蛋白等毒力因子，使細菌黏附和侵入宿主血管內(nèi)皮細胞，此外毒力因子導(dǎo)致促炎細胞因子、氧化應(yīng)激和轉(zhuǎn)錄因子蛋白核因子κB激活，從而破壞內(nèi)皮屏障完整性，并減少緊密連接蛋白的表達[25]，進而侵入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。其他病原菌，如大部分革蘭陰性菌可以通過表面黏附分子靶向黏附連接蛋白和血管內(nèi)皮鈣黏著蛋白，從而使腦內(nèi)皮細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)增強細胞旁易位；其還可能會通過釋放宿主MMP-8破壞緊密連接，發(fā)展為細胞旁滲透[20]。

4 小結(jié)和展望

病原菌通常通過其自身結(jié)構(gòu)以及介導(dǎo)宿主的炎癥反應(yīng)、免疫逃逸等機制侵犯人體，并通過直接跨越細胞、穿越細胞間的連接、潛在吞噬細胞內(nèi)穿過等侵犯中樞神經(jīng)系統(tǒng)。目前，有關(guān)病原菌引起新生兒細菌性腦膜炎的跨膜機制研究已取得較大的進展，早期預(yù)防及根據(jù)機制進行干預(yù)的研究將是防治新生兒細菌性腦膜炎的重要研究方向之一。