血流感染是铜绿假单胞菌（PA）传播的“死胡同”吗？

你真的了解铜绿假单胞菌血流感染吗？

铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa，PA）是急性呼吸道感染的常见病原菌，部分患者会发生血流感染，其死亡率更高达25%-50%。对此原因知之甚少，再加上多重耐药和泛耐药细菌的迅速出现，使得预防细菌传播变得至关重要^[1,2]。

然而，由于对宿主内铜绿假单胞菌感染动态及其与住院患者之间传播的关系的不完全了解，这种预防受到了一定的阻碍。

临床上，铜绿假单胞菌血流感染被视为细菌传播的“死胡同”，这意味着血液中的细菌既不会传播给其他患者，也不会扩散回环境中。一旦细菌进入血液，它们要么在抗生素的帮助下被宿主清除，要么在致命感染的情况下与宿主一起死亡。

在这两种情况下，铜绿假单胞菌的遗传适应性增强了向血液传播的能力，随后从基因库中消失。在这方面，铜绿假单胞菌被认为不同于胃肠道（GI）病原体，如伤寒菌和李斯特菌，它们进化出复杂的生命周期，包括从血液到胆囊然后到肠道的迁移，从肠道它们被排泄到粪便中以促进向新宿主的传播。相比之下，铜绿假单胞菌血流感染似乎是细菌命运走向终点的“意外事故”。

事实真是这样的吗？其实，人们对促进铜绿假单胞菌向血液传播的毒力因子进化的适应压力知之甚少。

为了解决这些问题，美国西北大学费恩伯格医学院Kelly E.R. Bachta等人进行了深入研究，其结果发表于2020年1月的NATURE COMMUNICATIONS上^[3]，揭示了血流感染的铜绿假单胞菌可以通过特殊途径，突破所谓“死胡同”在小鼠种群间传播。

研究者采用小鼠感染模型结合基于序列标签的微生物种群分析（sequence tag-based analysis of microbial populations，STAMP）技术检测了血流中铜绿假单胞菌的命运。STAMP利用标记野生型菌株结合深度测序来跟踪细菌种群，评估感染传播瓶颈，并评估不同采样点病原体种群的相关性。

研究结果表明铜绿假单胞菌可以从血液扩散到胆囊，在那里复制到极高的数量。然后，胆囊中的细菌可以在肠道和粪便中播种，并排泄至周围环境，导致传播给未感染的同笼小鼠。

研究分为以下几个部分进行，层层递进，很好地阐述了胆囊在这个意外的传播途径中的关键作用。

铜绿假单胞菌在菌血症后传播到胆囊

研究采用小鼠模型检测了血流感染期间铜绿假单胞菌的迁徙途径。通过尾静脉注射感染铜绿假单胞菌菌株PABL012_lux，在感染24小时（hours post infection，hpi）后，通过生物发光细菌的体内成像在腹部中部显示出强烈的生物发光病灶（图1a，b），表明细菌被定植于胆囊（图1c，g）。在胃和肝脏（图1f）中观察到中等生物发光信号（图1h），而在肺（图1d）、脾（图1e）和肠道（图1i）中只检测到微小信号。

图1 菌血症和肺炎后，铜绿假单胞菌扩散至胆囊和肠道

鉴于通过体内生物发光来量化细菌群体的数量不精确，采用额外的实验来直接计算受感染器官的细菌计数。结果发现大部分铜绿假单胞菌定位于肠腔而不是肠壁内。这些发现表明，血流感染后胆囊和肠道中的细菌数量急剧增加，并伴有粪便中的铜绿假单胞菌排泄。

为了确定粪便脱落是否是菌株PABL012、小鼠性别或遗传背景独有的，研究还测试了一组额外的非克隆分离株，包括常用的实验室菌株PAO1和PA14、MDR临床分离株PABL046以及11个额外的临床分离株。结果显示所有的铜绿假单胞菌菌株都有相同的传播和排泄方式。

体外排泄的铜绿假单胞菌来源于胆囊

上述数据表明铜绿假单胞菌在胆囊发生了大量复制，但全身性感染如何侵入胆囊，以及在此过程中是否存在瓶颈仍未明确。为了阐明这些问题，研究者应用STAMP技术来对细菌群体进行遗传跟踪。

结果表明，在菌血症期间，一小部分铜绿假单胞菌在肝脏中复制，并接种到胆囊中。一旦进入胆囊，这一群体就会急剧扩增，扩散到肠道，并通过粪便排出体外。肺、脾和肝中的群体之间缺乏高水平的遗传相关性表明这些器官是由独特的原始群体独立传播的，并且每个器官内的群体控制的动态是不同的。

小鼠铜绿假单胞菌从菌血症排泄到粪便中长达10天

研究检测了血流感染后铜绿假单胞菌排泄的持续时间。用亚致死感染剂量（~8 × 10⁵ CFU）的PABL012_lux菌感染小鼠，2天后，100%的感染小鼠粪便中含有10⁴-10⁸ CFU/克粪的PABL012_lux，并且排泄持续5天以上。

从第6天开始持续到实验的剩余部分，排泄这种浓度的感染小鼠的数量急剧下降，直到所有感染小鼠在第10天从粪便中清除了铜绿假单胞菌。而通过食粪行为获得粪便铜绿假单胞菌的数量比菌血症者小1000倍。这些实验表明，无论小鼠的食粪行为如何，血流感染的小鼠都会向环境中释放大量的铜绿假单胞菌。

粪便中的铜绿假单胞菌会传染给未感染的小鼠

研究表明暴露于粪便颗粒中的铜绿假单胞菌足以促进向未感染动物的传播，这个结果作者先前的实验相北。但细菌感染小鼠的粪便排泄足以允许传播，这一点可以通过未感染小鼠粪便中可检测到的铜绿假单胞菌的数量来证明。或许作者需要更多的证据解释结果。

胆囊对粪便中铜绿假单胞菌的排泄至关重要

去除胆囊会对细菌排泄产生什么影响呢？研究者用标准剂量（2×10⁶ CFU）的PABL012_lux感染未治疗（野生型）、假手术（腹膜打开并修复）和胆囊切除的小鼠。在第1天，90%的未治疗小鼠和100%的假手术小鼠排出高水平的PABL012_lux（10⁶-10⁸ CFU/克粪便），而只有40%的胆囊切除小鼠排出较少的PABL012_lux（10³-10⁵ CFU/克粪便）。

与这些研究结果不同，传统观点认为，胆汁和胆汁盐对细菌有毒性。但这个研究发现铜绿假单胞菌能在胆囊中大量增殖，其机制尚不明确，有认为胆汁暴露可能通过诱导细菌外排泵的表达而促进抗生素耐药，通过胆汁可能增加耐药前体的排泄。

研究证明了血流感染的铜绿假单胞菌接种在肝脏和随后的胆囊中，在那里它们意外地复制了极高的数量。与野生型小鼠相比，缺乏胆囊（胆囊切除）的小鼠在其肠道中排泄的铜绿假单胞菌明显较少，这突出了该器官在排泄和环境污染中的关键作用。

肺炎后铜绿假单胞菌会迁徙至胆囊并排出体外

铜绿假单胞菌在肺炎期间能够逃逸到血流中引起菌血症。肺炎后，铜绿假单胞菌可直接进入血流，也可以在肝脏和胆囊内种植，并最终通过粪便排出体外。因此，原发性和继发性血流感染都会导致高水平的铜绿假单胞菌排泄到环境中（图1m,1n）。

综上所述，肝-胆囊-肠排泄途径可能会促进铜绿假单胞菌从血流扩散到肠道，同时允许铜绿假单胞菌的繁殖。通过这种方式，来自全身感染的铜绿假单胞菌大量返回到环境中，以增强小鼠之间的传播（图2）。

图2 血流感染后铜绿假单胞菌种群动态模型

这个研究告诉我们，铜绿假单胞菌血流感染不是一个生态“死胡同”，而是导致胃肠道携带和粪便排泄的增加，这是其生存和传播的策略。然而，在人类中是否也存在这个范式呢？明确这点意义重大。毕竟，其它细菌病原体（如艰难梭菌和耐万古霉素肠球菌）的粪便-口腔传播在重症监护病房的患者中是常见的。
因此，铜绿假单胞菌污染的粪便也有充分的机会从患者传播到患者。这是医院感染控制努力的重要原因。有必要进行进一步的研究来检测胆囊和胃肠道在患者之间传播铜绿假单胞菌中的作用

参考文献：

[1] Wang, C. Y. et al. Pandrug-resistant Pseudomonas Aeruginosa among hospitalised patients: clinical features, risk-factors and outcomes. Clin. Microbiol. Infect. 2006,12:63–68.[2] Pena, C. et al. Prospective multicenter study of the impact of carbapenem resistance on mortality in Pseudomonas aeruginosa bloodstream infections. Antimicrob. Agents Chemother. 2012, 56:1265–1272.[3] Kelly E R Bachta et al. Systemic infection facilitates transmission of Pseudomonas aeruginosa in mice. Nat Commun. 2020, 11:543.

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