【综述】高毒力肺炎克雷伯菌感染研究进展

文章来源： 中华结核和呼吸杂志2020,43(10):870-874

DOI：10.3760/cma.j.cn112147-20191111-00748

作者：张欣 陈佰义

单位：中国医科大学附属第一医院感染病科

摘要

高毒力肺炎克雷伯菌日益活跃，已成为全球关注的重要病原体之一。与经典的肺炎克雷伯菌不同，该细菌多造成免疫功能健全宿主的感染，以肝脓肿最为常见，常伴有多器官系统的共感染或血流感染，导致发生严重致残、致死事件。本文从高毒力肺炎克雷伯菌的起源、定义、流行病学特点、发病机制以及临床诊疗等方面进行综述。

一、高毒力肺炎克雷伯菌的起源

肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae，简称肺克），是一种临床常见的革兰阴性杆菌，作为肠杆菌科细菌中重要的致病菌可引起社区及医院获得性感染，导致肺炎、肝脓肿、泌尿系统感染以及血流感染等多种感染性疾病^［1］。肺克包括3个亚种：即肺炎亚种、鼻臭亚种和鼻硬结亚种，其中以肺炎亚种最为常见，又称为Friedlander杆菌。20世纪80年代中期有学者发现肺克逐渐进化并形成了2个不同的克隆组，一个呈现多重耐药，甚至碳青霉烯耐药，即所谓经典肺克（classic Klebsiella pneumoniae， cKP）；而另一个呈现高毒力，即所谓高毒力肺克（hypervirulent Klebsiella pneumoniae， hvKP）。

早在1882年Carl Friedlander从肺炎死亡患者体内分离到一种细菌并将其命名为Friedlander杆菌（数年后更名为克雷伯菌），发现其所致肺炎的病死率是肺炎链球菌肺炎的3~4倍^［2］。由于时间相隔久远，人们只能从当时的病案资料中了解其特点。目前看来，Friedlander杆菌与高毒力肺克具有较高的一致性，如男性高发、细菌表达为高黏性、伴有多器官感染等特点。

高毒力肺克最早于1986年以个案形式报道^［3］，而后得到广泛关注。与经典肺克不同，高毒力肺克在亚太地区和亚裔人群中高发，常引起社区获得性感染，多发生在免疫健全人群中，因其较强的致病力使其致残及致死率更高。高毒力肺克最易引起肝脓肿，常同时或先后伴有远隔器官的共感染，如内源性眼内炎、血源性肺脓肿或脑脓肿等。在高毒力肺克日益活跃的今天，了解其特点对于临床正确识别和有效治疗相关疾病具有重要意义。

二、高毒力肺克的定义

关于高毒力肺克的定义目前尚无定论。动物模型是鉴定高毒力肺克菌株的方法之一，通过给小鼠接种不同浓度的肺克，可以发现高毒力肺克由于携带特殊的毒力基因，即使接种低剂量的细菌也会导致较高的致死率^［4］。也有学者通过计算蜡蛾幼虫的半数致死量或吞噬细胞的吞噬率来确定其毒力^［5］， 但由于实验周期较长，操作复杂，不适合应用于临床。

高黏性是高毒力肺克最重要的特点之一。以往很多实验室均依据拉丝试验（string test）鉴别高毒力肺克，人们错误地将拉丝试验阳性的肺克认定为高毒力肺克。事实上，细菌的高黏性虽然和其高毒力有一定相关性，但并非其必要条件。高黏性肺克不等于高毒力肺克。

多位点序列分型和荚膜抗原血清型也曾被用于鉴别高毒力肺克，某些特殊的序列型（如ST23、ST65和ST86）以及荚膜血清型（如K1和K2）与高毒力肺克密切相关，尤其是ST23型与高毒力肺克所致肝脓肿明显相关^［6］，但这些基因型和血清型也可见于经典肺克。

随着分子生物学技术的进步，一些毒力质粒上的特殊基因（如peg-344、iroBCDN、iucABCD、iutA、prmpA、pks等）被认为是当前实验室鉴别高毒力肺克的最佳标志物。这些特异基因介导了铁载体和荚膜多糖产量的增加，从而提高了肺克的高黏性和毒力，但这样的实验室指标尽管有较高的特异性，却并非高毒力肺克所特有，在经典肺克中同样存在。

高毒力肺克的定义不同带来了研究结果的不同。近年来，基于这些特异性基因的实验室鉴别手段，国内外均出现了有关多重耐药高毒力肺克（包括碳青霉烯耐药、替加环素耐药以及多黏菌素耐药的高毒力肺克）的报道^［5］。但笔者认为，这种基于实验室指标的定义可能会导致对高毒力肺克耐药性的高估。如我国学者发表的基于生物标志物需氧菌素（aerobactin）阳性定义的高毒力肺克的研究发现，其超广谱β-内酰胺酶检出率高达7.1%^［7］，明显高于亚洲其他国家和地区，亦与临床实践有较大差异。于昌萍等^［8］对基于临床定义的140例高毒力肺克感染病例的分析发现，高毒力肺克对除氨苄西林外的抗菌药物均保持高度敏感，该研究将无胆道基础疾病的社区获得性化脓性肝脓肿伴其他部位或血流感染患者分离到的肺克定义为高毒力肺克。

三、高毒力肺克感染的流行病学

迄今为止，高毒力肺克的报道仍以东亚、东南亚等亚太地区为主，但来自于其他地区的相关病例报告逐渐增多^［9］。研究结果显示，一些亚裔以及先前曾前往亚洲地区旅行过的人更易发生高毒力肺克感染^［10］。由于缺乏大样本的流行病学调查结果，有关高毒力肺克的来源目前尚不明确。有个案报道健康父子在不同时间段罹患肝脓肿，而后在其母亲肠道内发现定植的同源高毒力肺克（ST23和K1血清型）^［11］，但凭借这样的孤立证据尚不足以确定高毒力肺克的定植来源于共同的饮食和人际间的密切接触，只能根据其他肠杆菌科细菌（如大肠埃希菌和经典肺克等）的相关研究数据推断食物、水、人与人（如密切接触的家庭成员、性伙伴）以及动物与人（如宠物及其主人）可能是人体获得高毒力肺克的途径。

从肺克的整体数据来看，其在肠道、鼻咽部以及腋窝等部位均可定植，其中消化道是最主要的定植部位。不同地区的定植率差异较大，西方国家的结肠定植率为5%~35%^［12］，而亚洲各国普遍较高，个别国家（如马来西亚）甚至高达85%以上^［13］。由于缺乏统一的鉴定标准，相关流行病学研究很难区分高毒力肺克和经典肺克，故无法得到各自准确的数据，包括高毒力肺克的定植率。但在一些亚洲地区的流行病学调查数据中，有学者专门对K1、K2血清型以及ST23序列分型的菌株进行统计（因为这些表型和基因型被认为与高毒力肺克密切相关），得到一些不够精确但足以说明问题的结果，强烈提示有一定比例的亚洲人群出现高毒力肺克的定植^［14］。

近期日本学者发表的高毒力肺克所致血流感染的研究以及我院对高毒力肺克的临床研究结果均提示，K1血清型ST23序列分型在高毒力肺克分离株中最为常见^{［8， 15］}。遗憾的是，我国目前尚无全国范围内高毒力肺克的流行病学研究结果，个别地区的相关研究结果因缺乏高毒力肺克的统一鉴定标准而值得商榷^［16］。未来更大规模的社区环境下高毒力肺克的流行病学调查将非常有意义。

基于当前有限的流行病学研究和个案报道，可以推测高毒力肺克感染的危险因素。首先，种族和地域与高毒力肺克的定植和感染密切相关，亚裔、太平洋岛民以及拉丁裔是高毒力肺克感染的好发人群^［17］。接触这些人群或旅行至亚洲地区的白种人感染高毒力肺克的几率明显增高。相比之下，男性比女性更易发生高毒力肺克感染，且合并眼内炎的比例更高^［18］。30 d内应用氨苄西林或质子泵抑制剂的患者，发生高毒力肺克隐源性肝脓肿的风险增加^［19］。糖尿病是包括社区化脓性肝脓肿在内的多种感染性疾病的重要基础疾病，高糖环境导致机体免疫力受损，同时增强了高毒力肺克合成荚膜多糖的能力。但值得注意的是很多非糖尿病患者也发生了高毒力肺克的感染^{［8， 20］}。

四、高毒力肺克感染的发病机制

高毒力肺克感染的先决条件是前期的暴露、获得与定植，但并非所有的细菌定植均会发展为感染。经典肺克广泛定植于健康人群的肠道中，在发生免疫妥协等情况时才会导致感染；和经典肺克不同，高毒力肺克感染的发病群体多为免疫正常人群，故一定存在其他因素（如菌量增加、细菌毒力变化以及其他宿主因素等）导致细菌从定植向感染的转变，否则所有高毒力肺克定植者均应发生感染。

研究结果证明，一些毒力因子参与了高毒力肺克的定植和感染，但这些毒力因素都不是高毒力肺克所特有的。目前已知的影响肺克致病的重要毒力因子包括荚膜多糖、脂多糖、黏附素和铁载体等，这些均与肺克的高毒力密切相关。

荚膜多糖是一种酸性脂多糖，受rmpA、rmpA2和rmgA等基因的调控，调节高黏液性状的表达，具有抗中性粒细胞和巨噬细胞吞噬、抑制早期炎症反应、抵抗抗菌肽以及抑制树突细胞成熟的作用。目前已知的荚膜多糖抗原（即K抗原）有至少78个荚膜血清型，与高毒力肺克相关的主要有K1、K2、K5、K16、K20、K54、K57 和 KN1型。依据现有的研究，K1、K2型是高毒力肺克最常见的血清型^［21］，前者与肝脓肿密切相关，后者引起多样化的侵袭性感染。进一步研究发现，rmpA和rmpA2并非独立发挥作用，而是与碲酸盐抗性因子、需氧菌素铁离子复合体受体以及银抗性因子等共同发挥作用，被命名为pLVPK毒力质粒^［22］。

脂多糖包括O抗原、核心多糖以及脂质A三部分，其作用是保护细菌免于宿主的免疫，如阻止补体杀伤作用、抵抗肺泡巨噬细胞吞噬作用等，其中O₁型在高毒力肺克中高达90%，具有抵抗血清杀伤、促进细菌在血中播散和在内脏器官定植的作用。

黏附素包括菌毛型和非菌毛型，比较有代表性的有T1P、T3PKPF-28、ECP和CF29K等，虽然同时存在于经典肺克和高毒力肺克中，但在高毒力肺克中更多见，参与其在人体不同部位的定植以及生物被膜的形成。

铁载体是肺克摄取铁的重要系统，细菌通过与宿主竞争摄取铁而保持快速的新陈代谢，表达更强的毒力。肺克有4种主要的铁载体，包括肠杆菌素（enterobactin）、沙门菌素（salmochelin）、耶尔森杆菌素（yersiniabactin）和需氧菌素（aerobactin），其中肠杆菌素在经典肺克和高毒力肺克中差异不大，而其他3种铁载体在高毒力肺克中明显多于经典肺克。

此外，大肠菌素（colibactin）作为一种基因毒素，受pks基因的调控，可以诱导DNA的损伤，增强肠杆菌科细菌的毒性，参与细菌向脑膜等迁徙的过程。这种毒素在所有肠杆菌科细菌中均可存在，而不产大肠菌素的高毒力肺克同样可引起多部位脓肿形成^［23］。

经典肺克的入侵方式比较明确，如会阴部的定植菌可逆行导致泌尿系感染，肠道内定植菌可以因肠道破裂进入腹膜腔而造成腹膜炎，口咽部定植菌可通过误吸进入肺组织引发肺炎。有关高毒力肺克入侵机制的分析大多源于以往对经典肺克的认识。以肝脓肿这个高毒力肺克最常引发的疾病类型为例，肠道内定植的高毒力肺克突破肠黏膜并通过门脉系统入侵肝脏，似乎是一种合理的解释，但与经典肺克不同的是，高毒力肺克通常感染那些没有黏膜或皮肤屏障破坏的健康宿主，故难以确定从定植转向感染经历了怎样的过程。研究者推断，黏膜上皮的隐匿性破坏、细菌定植数量的增加以及宿主的基因差异在这一过程中可能发挥了作用。实验结果表明，高毒力肺克菌株能够跨过肠上皮细胞系和小鼠结肠上皮细胞进行易位^［24］，目前已知道许多细菌因子可以促进高毒力肺克进入肠道屏障。有关高毒力肺克定植者感染的发生率以及从定植进展为感染的滞后时间，目前尚缺乏有支持力的数据。

五、高毒力肺克感染的临床表现

高毒力肺克感染的典型表现是社区获得性化脓性肝脓肿。在很多地区肺克已远超大肠埃希菌，逐渐成为化脓性肝脓肿最常见的致病菌。研究结果显示，高毒力肺克的流行导致了化脓性肝脓肿患病率的增高^［25］，这种现象不仅发生在亚太地区，且逐渐向欧美国家扩散。经典肺克所致的肝脓肿常为混合菌感染，而高毒力肺克所致的肝脓肿则多为单一病原体，且多伴有其他器官系统的感染 ^{［8， 26］}。与其他病原体不同，高毒力肺克所致肝脓肿患者往往无胆道基础疾病^［27］。此外，部分高毒力肺克肝脓肿患者经系统治疗后数月出现复发或新发感染^［28］；高毒力肺克肝脓肿合并血栓性静脉炎的发生率更高^［29］。

在高毒力肺克流行地区，肺克导致脾脓肿的发生率也逐渐增高^［30］，故推测高毒力肺克可能是导致这一变化的责任病原体。

高毒力肺克的流行也导致社区获得性肺炎（CAP）病原体分布发生了变化。在部分地区高毒力肺克已成为菌血症性CAP的重要病原体，高毒力肺克甚至已经取代肺炎链球菌成为当地细菌性CAP的最常见病原菌^［31］。由于很多病例同时伴有其他器官的感染，推断可能为血行感染，即高毒力肺克所致的菌血症性CAP，该类肺炎的临床表现较重，病死率高达55%以上，且入住ICU后多器官功能衰竭的发生率明显高于其他类型CAP患者^［32］。此外，高毒力肺克还可通过血行播散引发血源性肺脓肿，这种情况与金黄色葡萄球菌的感染方式颇为相似，且从影像学上不易区分。追溯病因（包括询问是否存在皮肤屏障破坏）有利于鉴别金黄色葡萄球菌和高毒力肺克感染。

另一个值得临床高度关注的疾病是眼内炎，这不仅源于其逐年上升的发病率，更源于其治疗失败后发生永久性视力损伤甚至致盲的灾难性结果。1986年，我国台湾地区首次报道了7例无胆道基础疾病的肺克引起肝脓肿并发眼内炎的病例^［3］。眼内炎最常见的类型是外源性的（包括创伤和手术相关），内源性眼内炎多因菌血症累及脉络膜所致，约2/3的血源性感染发生于右眼，约1/4累及双眼。眼内炎的典型临床表现包括突发的眼部疼痛和视力模糊、眼睑及球结膜充血水肿以及玻璃体混浊等。作为眼科急症，其预后与初始治疗的时机直接相关。此前肠杆菌科细菌导致内源性眼内炎的情况罕见，但近些年来不仅在亚洲地区，全世界眼内炎的发病率均呈上升趋势，这可能与高毒力肺克的全球流行密切相关。由于眼内炎的组织损伤迅速，即使接受静脉抗菌治疗并配合玻璃体内的抗菌药物注射，但最终发生永久性视力损伤的患者较多，文献报道高达41%的患者最终需要摘除眼球^［33］，因此，早期识别和干预对眼内炎患者的预后尤为重要。

以往在没有发生脑外伤或接受神经外科手术的患者中，肺克引发的中枢神经系统感染极少见，但随着高毒力肺克的流行，这种情况发生了变化。多项研究结果表明，由高毒力肺克引发的社区获得性脑膜炎导致的感染性休克患者的住院病死率以及28 d的病死率均较高^［34］。此外，高毒力肺克导致的脑脓肿、硬膜下脓肿以及硬膜外脓肿也时有发生。高毒力肺克导致的神经系统后遗症常不可逆。

高毒力肺克所致的泌尿系感染和其他肠杆菌科细菌的不同之处是血行播散，而不是逆行感染。文献报道，高毒力肺克可通过血流播散至肾脏、肾周以及前列腺等部位^［35］，因此，尿液中培养出高毒力肺克可作为菌血症的重要标志物之一。

坏死性筋膜炎是高毒力肺克引发的另一种严重疾病。高毒力肺克感染的病死率高于临床常见的化脓性链球菌感染，这种现象不仅发生于亚洲地区，在全球其他地区也陆续出现报道。其他一些骨骼肌肉及软组织感染，包括髂窝脓肿、深部颈间隙感染、骨髓炎、化脓性关节炎、关节盘炎、脊椎旁脓肿等也可能与高毒力肺克有关，部分严重病例最终不得不选择截肢。

高毒力肺克菌血症经常发生于化脓性肝脓肿患者。尽管细菌性肝脓肿的血培养阳性率较高，但并不能由此推断所有的高毒力肺克血行感染均继发于某特定部位的感染，因为临床上存在很多独立的高毒力肺克血培养阳性病例，同时还有许多其他独立的器官发生高毒力肺克感染的病例，因此用“共感染”来描述高毒力肺克所致的包括菌血症在内的不同器官系统的感染，似乎比“肝脓肿并发症”等这样的说法更为确切。

六、高毒力肺克感染的治疗

早期识别高毒力肺克是有效治疗的基础。鉴于高毒力肺克有别于经典肺克的临床特点，其治疗策略应包含4个基本原则：（1）把握时机，实施经验性抗感染治疗；（2）根据药敏试验结果选择恰当的抗菌方案；（3）依据药效学/药代动力学给予正确的给药方式；（4）及时对局部脓肿进行引流。

由于目前临床上尚无快速可靠的鉴别高毒力肺克的检测手段，根据患者的临床特点及时进行经验性治疗非常必要。从当前的研究结果看，大多数高毒力肺克菌株除对氨苄西林天然耐药外，对绝大部分抗菌药物均保持高度敏感^{［8， 36］}。在制定用药方案时，还应关注高毒力肺克侵袭的部位，结合其药效学/药代动力学特点，选择组织浓度较高的药物，在保证肝肾功能安全的前提下，给予充分的给药剂量和恰当的给药方法。高毒力肺克感染的复发情况较为常见，这可能与其高黏性和生物被膜形成相关，因此临床上应酌情延长治疗时间，同时还应尽早获得病原学证据，尽快从经验性治疗转向目标性治疗；应在化脓性肝脓肿初始治疗的同时规范留取血培养标本，不仅有助于避免抗感染药物的过度使用，也有利于从临床角度推断是否为高毒力肺克感染，以提高对其他器官系统感染的警惕。

除此之外，对于特殊部位感染应请专科医生诊治，如内源性眼内炎尽早采取眼内注射（推荐头孢他啶等）和玻璃体切割术等手段进行局部治疗，当判断已发生不可逆的永久性失明后，应及时清除眼内容物；发生肝脓肿和肌间隙脓肿等时，应利用超声、介入乃至外科手段进行充分引流，可明显改善疗效并缩短疗程。因高毒力肺克的高黏性使其容易发生引流管堵塞，因此在行高毒力肺克所致的脓肿引流时可考虑选择内径更粗的引流管。

随着对高毒力肺克研究的深入，人们在努力寻找特异性的治疗靶标，希望找到更为有效的治疗手段。有学者发现，利福平通过降低rmpA及其调控cps基因的转录水平，降低高毒力肺克的高黏性，可能成为治疗难治性高毒力肺克感染的潜在方案^［37］。相信随着时间的推移，将会出现更多有针对性的治疗方案。

七、高毒力肺克感染的控制与预防

由于缺乏有说服性的循证医学证据，目前对于高毒力肺克感染的控制及预防策略仍是基于以往对经典肺克的相关研究，但比较明确的是，高毒力肺克可通过医院环境传播，因此对于高危人群中的密切接触者是否有必要进行高毒力肺克定植的筛查甚至是预防性应用抗菌药物值得探讨。文献报道，肺克所致化脓性肝脓肿患者病愈后发生结直肠癌的风险更高^［38］，因此有学者提出，存在结直肠癌高危因素（如年龄和家族史）且由高毒力肺克引起肝脓肿的患者可考虑行结肠镜筛查。

总之，近年来全球范围内日渐增多的高毒力肺克感染已成为重要的临床话题，相关领域尚未解决的问题还有很多，包括如何定义、获得并定植于人体的具体途径、定植后如何发生感染以及如何看待所谓“高毒力、高耐药”等。临床医生应加强对高毒力肺克的了解和认识，及时识别高毒力肺克感染并给予恰当的临床处置。基于临床的相关研究可能更有利于指导临床实践。