野生松鼠源屎腸球菌的致病性與耐藥性分析

胡秀花,孫芷馨,趙夢(mèng)洋,謝佳琪,王 敏,陳海良,葛 昕,劉天龍*,王少林*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,獸醫(yī)公共衛(wèi)生安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193;2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642;3.北京野生動(dòng)物園,北京 102602)

腸球菌屬于革蘭陽(yáng)性菌,呈圓形或橢圓形,廣泛存在于人和動(dòng)物的消化道中,屬于條件致病菌[1-2]。腸球菌不僅可引起尿路感染、皮膚軟組織感染,還可引起危及生命的腹腔感染、敗血癥、心內(nèi)膜炎和腦膜炎等[3],目前已成為院內(nèi)感染的主要病原菌之一,其中最主要的病原菌為糞腸球菌和屎腸球菌,約占腸球菌感染的90%[4]。

腸球菌因其特殊的生物學(xué)特性,對(duì)臨床常用的多數(shù)β-內(nèi)酰胺類、氨基糖苷類等抗菌藥物具有天然耐藥性,同時(shí)由于臨床抗菌藥物的不規(guī)范使用,腸球菌在抗菌藥物的選擇性壓力下進(jìn)化出多種耐藥機(jī)制,使腸球菌的臨床耐藥情況變得更為嚴(yán)峻。而隨著人醫(yī)臨床多重耐藥腸球菌感染率的升高及耐萬(wàn)古霉素腸球菌(VRE)的出現(xiàn),腸球菌感染在臨床治療中的困難程度逐漸加大[5-6]。在2015—2020年的中國(guó)細(xì)菌耐藥監(jiān)測(cè)(CARST)中,人醫(yī)臨床上耐萬(wàn)古霉素腸球菌(VRE)的檢出率均在1.5%以上,而在這些檢出VRE中,屎腸球菌的比例普遍高于糞腸球菌[7-9]。同樣,在獸醫(yī)臨床中,豬、禽、羊等動(dòng)物中分離到的腸球菌也普遍存在多重耐藥特征[10-16]。此外,研究表明,腸球菌可在人源和動(dòng)物源之間進(jìn)行傳播[17],這無(wú)疑對(duì)人類健康構(gòu)成了一定的威脅,因此做好動(dòng)物源的腸球菌監(jiān)測(cè)工作十分必要。

腸球菌致病能力主要是依靠其毒力因子及生物被膜的產(chǎn)生。目前已發(fā)現(xiàn)的毒力因子包括細(xì)胞溶血素、心內(nèi)膜炎抗原、蛋白明膠酶等。動(dòng)物源腸球菌普遍同時(shí)攜帶多種毒力基因,尤其在患病動(dòng)物中[18-19]。而近年來(lái),動(dòng)物因感染腸球菌死亡的報(bào)道不斷增多[20-23],其中也包括野生動(dòng)物感染屎腸球菌發(fā)病的報(bào)道[24-25],提示野生動(dòng)物園管理者要對(duì)腸球菌感染引起一定的重視。

本研究通過(guò)對(duì)北京野生動(dòng)物園一只突發(fā)死亡的成年雄性赤腹松鼠進(jìn)行病理剖檢及細(xì)菌學(xué)鑒定,并對(duì)分離得到的屎腸球菌進(jìn)行致病性和耐藥性分析,以期為野生松鼠的疾病治療和預(yù)防提供重要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 病料 動(dòng)物來(lái)源于北京大興野生動(dòng)物園獸醫(yī)院,采集病死赤腹松鼠的心、肝、脾、肺、腎以及腹腔積液。

1.1.2 主要培養(yǎng)基及試劑與儀器 腦心浸液瓊脂培養(yǎng)基(BHA)、腦心浸液肉湯培養(yǎng)基(BHI)購(gòu)自北京陸橋生物科技有限公司;血清型引物、16S通用引物均購(gòu)自北京擎科生物科技有限公司;1×Taq酶,瓊脂凝膠粉,GL2000 Marker均購(gòu)自北京擎科生物科技有限公司;細(xì)菌基因組提取試劑盒購(gòu)自北京創(chuàng)優(yōu)美生物科技有限公司;腦心浸液瓊脂培養(yǎng)基(BHA)、腦心浸液肉湯培養(yǎng)基(BHI)均按照培養(yǎng)基說(shuō)明書進(jìn)行配制。

1.2 方法

1.2.1 病理剖檢 對(duì)死亡赤腹松鼠進(jìn)行大體剖檢觀察并進(jìn)行記錄,并對(duì)動(dòng)物的肝、脾、肺、心、腎等主要臟器進(jìn)行取樣后置入4%甲醛固定,48 h后進(jìn)行石蠟切片及HE染色并在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行組織病理學(xué)觀察。

1.2.2 細(xì)菌分離鑒定 使用無(wú)菌接種環(huán)將死亡赤腹松鼠肝、脾、肺、心、腎無(wú)菌接種于普通營(yíng)養(yǎng)瓊脂,37 ℃恒溫培養(yǎng)18～24 h后觀察瓊脂板上細(xì)菌生長(zhǎng)情況,挑取不同形態(tài)的單一菌落在BHA進(jìn)行純化培養(yǎng),挑取純化后單一菌落至BHI中37 ℃、200 r·min-1培養(yǎng)18～24 h。后將純化好的分離菌株送北京諾賽測(cè)序公司進(jìn)行菌種鑒定。

1.2.3 基因組提取 按照細(xì)菌基因組提取試劑盒方法提取分離菌株基因組。

1.2.4 種屬基因及毒力基因擴(kuò)增 16S特異性基因、毒力基因esp、agg、gelE、cylA、cylB、cylM、efaAfs、efaAfm、ASA、CYT、ace引物參考文獻(xiàn)[25-28]設(shè)計(jì),由北京擎科科技有限公司合成,引物信息如表1。PCR擴(kuò)增體系25 μL:模板1 μL,上、下游引物各0.5 μL,滅菌水10.5 μL,2×TaqMaster Mix 12.5 μL。擴(kuò)增條件:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性1 min、退火(退火溫度如表1)30 s、72 ℃延伸90或45 s(16S rRNA和agg基因引物為90 s,其他為45 s),30個(gè)循環(huán);72 ℃再延伸10 min。

表1 引物信息Table 1 Primer information

1.2.5 藥物敏感性試驗(yàn) 按照CLSI (M100 S2 6、 M45 A2、 VET01 A4)標(biāo)準(zhǔn)中微量肉湯稀釋法進(jìn)行藥敏試驗(yàn),質(zhì)控菌株為糞腸球菌ATCC 29212。

1.2.6 全基因組測(cè)序 分離菌株按照分離部位分別命名為CFSS2012-G、CFSS2012-Fei、CFSS2012-Fu和CFSS2012-P。試劑盒提取分離菌株的基因組送北京賽默百合科技有限公司進(jìn)行全基因組測(cè)序,使用SPAdes 3.9.0軟件進(jìn)行拼接,后將全基因組序列在CGE(Center for Genomic Epidemiology)網(wǎng)站上進(jìn)行MLST、毒力基因及耐藥基因的搜索比對(duì),并使用Harvast 1.1.2進(jìn)行核心基因組單核苷酸多態(tài)性(SNPs)分析。

1.2.7 致病性試驗(yàn) 從4株屎腸球菌中選取其中一株作為代表株進(jìn)行動(dòng)物致病性試驗(yàn)。選取6～8周齡SPF級(jí)的BALB/c雌鼠共32只,每組8只,分為4組,根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果分別設(shè)攻菌劑量為1×109、2×109、4×109CFU的試驗(yàn)組和對(duì)照組;試驗(yàn)組每只小鼠注射0.5 mL菌液,對(duì)照組每只小鼠注射0.5 mL的PBS (pH 7.2～7.4)。每隔24 h對(duì)所有小鼠觀察一次,觀察一周。觀察期間對(duì)死亡小鼠進(jìn)行剖檢,并在無(wú)菌條件下對(duì)其肺、肝、脾以及腹腔進(jìn)行病原菌分離。

2 結(jié) 果

2.1 病理剖檢觀察

大體病變可見(jiàn),肺腫大,肺左葉有一黃豆大小的氣腫且存有一定程度的自溶(圖1A);腹壁和腹腔部分臟器發(fā)黑,右腎腫大(圖1B);脾發(fā)黑質(zhì)軟(圖1C);腹腔內(nèi)有少量積水(圖1D)。

A. 肺(紅色箭頭所指為肺氣腫部位);B. 腎(紅色箭頭所指為腎發(fā)黑部位,黑色箭頭所指為腫大的右腎);C. 脾(紅色箭頭所指可見(jiàn)脾發(fā)黑);D. 腹腔(紅色箭頭所指為腹腔積水)。掃描文章首頁(yè)OSID碼可查看彩圖A. Lung (the red arrow points to the emphysema); B. Kidney (red arrow points to the blackened part of the kidney, black arrow points to the enlarged right kidney); C. Spleen (the red arrow points to the blackened spleen); D. Abdominal cavity (the red arrow points to the hydroperitoneum).The color pictures can be found by scanning the OSID code on the front page of the article圖1 肺、腎、胸腔、腹腔大體剖檢示意圖Fig.1 Schematic diagram of the gross autopsy of the lungs, kidneys, thoracic cavity and abdominal cavity

組織病理學(xué)檢查結(jié)果顯示,低倍鏡下,肺可見(jiàn)部分肺泡腔融合形成大的“空洞”(圖2A藍(lán)色箭頭),肺泡腔內(nèi)可見(jiàn)大量纖維素樣滲出物(圖2A棕色箭頭),細(xì)胞成分增多,局部可見(jiàn)藍(lán)染的細(xì)菌菌叢(圖2A黑色箭頭),血管內(nèi)可見(jiàn)大量炎性細(xì)胞以及紅細(xì)胞(圖2A綠色箭頭);腎臟可見(jiàn)腎間質(zhì)內(nèi)藍(lán)染的細(xì)菌菌叢(圖2C黑色箭頭),部分腎小管喪失了原有結(jié)構(gòu)(圖2C紅色箭頭)。高倍鏡下,肺臟小血管內(nèi)可見(jiàn)藍(lán)染的成串狀的菌叢(圖2B黑色箭頭),肺泡腔內(nèi)含有大量粉染的纖維素樣滲出物和巨噬細(xì)胞、漿細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等炎性細(xì)胞(圖2B藍(lán)色箭頭);腎可見(jiàn)藍(lán)染的細(xì)菌菌叢(圖2D黑色箭頭)主要位于腎間質(zhì),部分腎小管上皮細(xì)胞脫離基底膜(圖2D藍(lán)色箭頭)。肝、脾、心等臟器未見(jiàn)明顯異常。

A. 肺(標(biāo)尺=100 μm)(藍(lán)色箭頭所指為低倍鏡下由肺泡腔融合形成的“空洞”,棕色箭頭所指為低倍鏡下纖維素樣滲出物,黑色箭頭所指為低倍鏡下藍(lán)染菌叢,綠色箭頭所指為低倍鏡下大量炎性細(xì)胞及紅細(xì)胞);B. 肺(標(biāo)尺=10 μm)(黑色箭頭所指為高倍鏡下肺小血管內(nèi)藍(lán)染串狀菌叢,藍(lán)色箭頭所指為高倍鏡下肺泡腔內(nèi)粉染纖維素滲出物和炎性細(xì)胞);C. 腎(標(biāo)尺=100 μm)(黑色箭頭所指為低倍鏡下藍(lán)染菌叢,紅色箭頭所指為低倍鏡下失去原有結(jié)構(gòu)的腎小管);D. 腎(標(biāo)尺=20 μm)(黑色箭頭所指為高倍鏡下腎間質(zhì)內(nèi)藍(lán)染菌叢,藍(lán)色箭頭所指為高倍鏡下脫離基底膜的腎小管上皮細(xì)胞)。掃描文章首頁(yè)OSID碼可查看彩圖A.Lung (bar=100 μm) (blue arrows point to the "cavities" formed by the fusion of alveolar spaces under low magnification, brown arrow points to fibrinoid exudates under low magnification, black arrow points to Blue-stained flora under low magnification, green arrow points to a large number of inflammatory cells and red blood cells under low magnification); B. Lung (bar=10 μm) (black arrows point to blue-stained streak flora in small blood vessels of the lung under high magnification, and blue arrow points to powder-stained fibrin exudates and inflammatory cells in alveolar cavity under high magnification) ; C. Kidney (bar=100 μm) (black arrow points to blue-stained flora under low magnification microscope, red arrow points to renal tubule that has lost its original structure under low magnification microscope); D. Kidney (bar=20 μm) (black arrows point to the blue-stained flora in the renal interstitium under high magnification microscope, and the blue arrow points to the renal tubular epithelial cells detached from the basement membrane under high magnification microscope).The color pictures can be found by scanning the OSID code on the front page of the article圖2 高低倍鏡下腎、肺的組織切片示意圖Fig.2 Schematic diagram of tissue sections of kidney and lung under high and low magnification

2.2 菌株鑒定

在BHA純化培養(yǎng)之后可見(jiàn)形態(tài)單一,大小均等的白色不透明菌落。革蘭染色可見(jiàn)圓形或橢圓形、呈單個(gè)或成對(duì)或短鏈狀排列的革蘭陽(yáng)性球菌。16S rDNA序列在GenBank上Blast比對(duì)結(jié)果顯示:與NCBI登載的GenBank中屎腸球菌的16S rDNA序列相似性均在98%～99%。

2.3 種屬基因及毒力基因檢測(cè)

16S PCR擴(kuò)增出1 450 bp的片段,與屎腸球菌大小一致,毒力基因PCR擴(kuò)增出efaAfm的條帶,片段大小為735 bp。PCR擴(kuò)增圖如圖3、4所示。

M. DL2000 DNA相對(duì)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);1. 肺;2. 腹腔;3. 肝;4. 脾;5.陰性對(duì)照M. DL2000 DNA marker;1.Lung;2.Abdominal cavity;3.Liver;4.Spleen;5.Negative control圖3 16S PCR鑒定結(jié)果Fig.3 16S PCR identification results

M. DL2000 DNA相對(duì)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);1. 肺;2. 腹腔;3. 肝;4. 脾;5.陰性對(duì)照M. DL2000 DNA marker;1. Lung;2. Abdominal cavity;3.Liver;4. Spleen;5. Negative control圖4 efaAfm毒力基因PCR鑒定結(jié)果Fig.4 efaAfm virulence gene PCR identification

2.4 耐藥表型判定

參考CLSI(M100 S2 6、 M45 A2、 VET01 A4)標(biāo)準(zhǔn)判定細(xì)菌藥物敏感性,結(jié)果表明4株菌株的藥敏試驗(yàn)結(jié)果完全一致,如表2所示,均對(duì)磺胺異惡唑、泰妙菌素高度耐藥,對(duì)紅霉素、克林霉素、頭孢西丁、氧氟沙星、替米考星、四環(huán)素低度耐藥,對(duì)青霉素、恩諾沙星、頭孢噻呋、萬(wàn)古霉素、多西環(huán)素、氟苯尼考、慶大霉素、利奈唑胺、苯唑西林、復(fù)方新諾明敏感,質(zhì)控菌株糞腸球菌ATCC 29212藥敏結(jié)果在質(zhì)控范圍內(nèi)。

表2 藥敏試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Bacterial susceptibility test results

2.5 全基因組數(shù)據(jù)分析

全基因組序列分析顯示,4株屎腸球菌均屬于ST-324型,且菌株之間SNPs ≤22,如圖5所示;毒力基因和耐藥基因比對(duì)結(jié)果顯示,菌株均攜帶毒力基因efaAfm和acm、四環(huán)素耐藥基因tetM及大環(huán)內(nèi)酯類耐藥基因msrC,與毒力基因PCR擴(kuò)增結(jié)果及藥敏結(jié)果基本保持一致。

圖5 不同臟器分離菌株的SNP差異Fig.5 SNP differences of strains isolated from different organs

2.6 致病性分析

1×109CFU劑量組小鼠攻菌24 h后呈現(xiàn)被毛凌亂,精神萎靡狀態(tài),后慢慢恢復(fù)正常狀態(tài),未見(jiàn)死亡情況,1周后對(duì)1×109CFU劑量組未死亡小鼠剖檢可見(jiàn)肝表面蒼白,細(xì)菌分離可見(jiàn)屎腸球菌典型菌落生長(zhǎng),其他臟器未見(jiàn)明顯變化,未分離出細(xì)菌;2×109CFU劑量組小鼠攻菌24 h后精神萎靡,被毛凌亂,眼部出現(xiàn)黏液,48 h后全部死亡,后進(jìn)行剖檢可見(jiàn)大腸充滿氣體,肝、脾出現(xiàn)淤血現(xiàn)象,細(xì)菌分離可見(jiàn)屎腸球菌典型菌落生長(zhǎng);4×109CFU劑量組所有小鼠攻菌24 h后全部死亡,身體呈現(xiàn)四肢僵硬,眼部分泌有較多黏液,進(jìn)行剖檢可見(jiàn)小鼠肝、脾、肺均出現(xiàn)淤血現(xiàn)象,大腸被大量氣體充滿,細(xì)菌分離可見(jiàn)屎腸球菌典型菌落生長(zhǎng);對(duì)照組未見(jiàn)典型菌落生長(zhǎng)。由試驗(yàn)組3個(gè)不同劑量的試驗(yàn)結(jié)果可知,分離屎腸球菌的半數(shù)致死量為1×109～2×109CFU,具有一定的致病性。

3 討 論

本研究從野生動(dòng)物園死亡赤腹松鼠的肝、肺、脾以及腹腔積液中分離鑒定到4株屎腸球菌,全基因組測(cè)序分析顯示同屬于ST-324型,且SNPs差異較小,該型在人類醫(yī)院臨床中曾被報(bào)道過(guò)[29-30],動(dòng)物源中尚未見(jiàn)有該型的相關(guān)報(bào)道。藥敏結(jié)果顯示分離菌株對(duì)大環(huán)內(nèi)酯類、四環(huán)素類等具有一定的耐藥性,這或許與分離菌株攜帶四環(huán)素耐藥基因tetM和大環(huán)內(nèi)酯類耐藥基因msrC有關(guān)。tetM是腸球菌的一種核糖體保護(hù)蛋白基因,也是介導(dǎo)腸球菌四環(huán)素耐藥的主要基因之一[31]。msrC是腸球菌通過(guò)編碼ABC型轉(zhuǎn)座子蛋白基因,從而介導(dǎo)大環(huán)內(nèi)酯類藥物耐藥的基因,研究表明此基因存在于大部分屎腸球菌的染色體上,而在小部分的屎腸球菌中未發(fā)現(xiàn)有此基因的存在[32],同時(shí),此基因也被證明在屎腸球菌對(duì)抗大環(huán)內(nèi)酯類藥物中具有保護(hù)作用,但其確切功能還有待進(jìn)一步研究[33]。此外,藥敏結(jié)果顯示分離菌株對(duì)磺胺類、截短側(cè)耳類藥物具有高耐藥表型,但全基因組測(cè)序并未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)耐藥基因,其耐藥機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

研究表明,屎腸球菌在機(jī)體免疫力低下時(shí)可從腸道轉(zhuǎn)移至機(jī)體其他組織器官并進(jìn)行黏附聚集引起機(jī)體發(fā)病[34-35]。而在本研究中全基因組測(cè)序發(fā)現(xiàn),分離菌株攜帶毒力基因efaAfm的同時(shí)還攜帶acm基因。efaAfm基因是一種主要編碼屎腸球菌心內(nèi)膜炎抗原的可促進(jìn)腸球菌在宿主體內(nèi)定殖的毒力因子[36];acm基因編碼的黏附素主要在宿主細(xì)胞受損時(shí)發(fā)揮作用,能夠介導(dǎo)屎腸球菌黏附膠原蛋白和層黏連蛋白,定植宿主體內(nèi),從而引起感染[37]。這兩種毒力基因的存在無(wú)疑在一定程度上增加了屎腸球菌入侵動(dòng)物機(jī)體的能力。

由于微生物培養(yǎng)只在有氧條件下進(jìn)行了細(xì)菌培養(yǎng),故不能排除厭氧菌及其他微生物致病的可能性,但動(dòng)物致病性試驗(yàn)顯示分離菌株具有一定的致病性,在不良的生活環(huán)境下(如寒冷、饑餓或打架受傷)仍具有感染機(jī)體致病的潛在風(fēng)險(xiǎn),提醒野生動(dòng)物園工作人員要加強(qiáng)對(duì)野生赤腹松鼠的飼養(yǎng)環(huán)境管理。同時(shí),本研究為野生動(dòng)物園內(nèi)赤腹松鼠屎腸球菌感染的研究提供了相關(guān)數(shù)據(jù),為野生動(dòng)物園預(yù)防赤腹松鼠屎腸球菌感染提供一些科學(xué)依據(jù),也為其他野生動(dòng)物的細(xì)菌性感染疾病的診斷提供參考。

4 結(jié) 論

本研究從死亡赤腹松鼠內(nèi)臟組織中分離到屎腸球菌,經(jīng)全基因組測(cè)序分型鑒定均為ST-324,致病性試驗(yàn)表明分離菌株具有一定的致病能力,結(jié)合組織病理學(xué)檢查結(jié)果推測(cè),赤腹松鼠死亡原因?yàn)槭耗c球菌入侵機(jī)體內(nèi)多器官并進(jìn)入血液循環(huán),從而引起機(jī)體敗血癥導(dǎo)致宿主死亡。