纹带棒杆菌流行病学特征及耐药机制研究
纹带棒杆菌流行病学特征及耐药机制研究
纹带棒杆菌是一种革兰阳性棒状杆菌，常被认为是人体皮肤、黏膜的正常菌群之一。但近年国内外关于纹带棒杆菌引起各种类型感染的报道明显增加，且多数临床分离菌株呈多重耐药特征，给临床合理诊断和治疗带来了挑战。本文旨在对纹带棒杆菌临床分离菌株的耐药性及耐药机制、分子流行病学特征及易感人群特征等进行综述，更客观地了解纹带棒杆菌分离的临床意义，为合理使用抗菌药物治疗纹带棒杆菌感染提供数据支持。
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1 流行病学
1.1 棒杆菌属分类
棒杆菌属细菌的基本生物学特征为需氧革兰阳性杆菌，菌体形状不规则，可排列成单体、成对或呈栅栏形，只有部分菌种呈典型棒状，该菌属内菌种触酶试验多呈阳性，无动力，不水解七叶苷，不发酵木糖、麦芽糖和乳糖。目前已报道的棒杆菌属有100多种，其中约一半被证实可引起人类感染，如白喉棒杆菌、假白喉棒杆菌、溃疡棒杆菌、假结核棒杆菌、杰氏棒杆菌、解脲棒杆菌和纹带棒杆菌等。除致病性较强的白喉棒杆菌外，其余多为条件致病菌，其中重要的机会致病菌甚至多重耐药纹带棒杆菌可从各种临床标本中分离[1]。
1.2 纹带棒杆菌感染的易感因素
近年来，不断有人类纹带棒杆菌感染和/或医院内暴发性流行的报道出现，感染人群常具有明显的易感特征：高龄、恶性肿瘤、广谱抗菌药物暴露、接受侵入性手术治疗、长期住院、接受器官移植、瓣膜移植和导管插管等手术患者均是纹带棒杆菌的易感人群[1]。自2000年以来，纹带棒杆菌的暴发与医院内感染密切相关，其中与呼吸道感染的联系最为紧密。2009年，里约热内卢大都会区医院的一次暴发被证实是由棒杆菌引起的，BAIO等[2]报道证实，从患者气管插管的抽吸物中分离培养出了纹带棒杆菌。YANG等[3]研究指出，纹带棒杆菌应被视为肺部感染的潜在病原菌，诱发其肺部感染的危险因素包括肺部结构受损(如慢性阻塞性肺疾病、胸部辐射、重度吸烟史等)、免疫缺陷(如病毒感染、自身免疫抑制、肿瘤放疗、器官移植等)、气道保护(如气管插管、喉部手术)、环境因素(如接触感染的动物)等。
机体免疫状态、抗菌药物暴露、住院时长和基础疾病等宿主因素与纹带棒杆菌感染存在明显相关性，重症监护室等危重患者聚集的科室是纹带棒杆菌感染的高发科室[1]。陈万贞等[4]研究证实，同一时期和同一病房的患者携带同源性纹带棒杆菌的概率较高，患者之间存在交叉传播的情况。对具有纹带棒杆菌易感因素的住院患者或人群，应制订更为严格和有针对性的预防和控制策略，以进一步降低该类人群纹带棒杆菌感染的风险及严重后果。
1.3 病原学特征
WANG等[5]研究显示，国内纹带棒杆菌分离菌株所有谱系均起源于1980年左右，之后分化为不同的群体，其中Ⅳ型谱系所含菌株数量最多，是我国纹带棒杆菌的流行性谱系。Ⅳa、Ⅳk和Ⅳi型优势谱系主要在北京地区流行，河北地区的流行谱系是Ⅳd亚系，而广东地区的优势谱系是Ⅳa亚系，所有谱系最近的共同祖先起源于1980年左右，然后分化成Ⅳ型谱系和Ⅰ～Ⅲ型谱系2个群体。在过去的7年中，谱系的多样性集中发展并进化出不同的亚系，而这种突变率以每年每个基因组3.5个单核苷酸多态性(SNP)的速度持续增长。通过全基因组测序技术对分离菌株进行筛选和分析，不同医院分离菌株存在差异≤20个SNP分离菌株，这表明近年来存在医院间传播的可能，这些SNP差异较小的分离菌株大多来自Ⅳb型和Ⅳd型谱系，并且传播大多数发生在神经外科、重症监护室和呼吸科。纹带棒杆菌通过获得和积累抗性基因，能够快速适应外界环境并引起广泛的感染事件[6]。
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2 耐药性及耐药机制
2.1 耐药表型特征
不同国家和地区研究结果显示，纹带棒杆菌临床菌株对多种抗菌药物呈现不同程度的耐药。我国学者王雪冰等[7]关于广东、河北、北京3个地区的分离菌株及陈万贞等[4]对河南地区菌株的分析结果显示，纹带棒杆菌仅对万古霉素完全敏感，对利奈唑胺的耐药率<3%，对环丙沙星、克林霉素、青霉素的耐药率可达90%以上。其他国家和地区的菌株也普遍呈现出多重耐药特征，土耳其一家医院分离的纹带棒杆菌对青霉素和环丙沙星的耐药率均高达100.0%，对利奈唑胺和万古霉素完全敏感[8]；加拿大分离菌株对青霉素和环丙沙星的耐药率分别高达99.0%和95.0%[9]；而突尼斯地区报道的纹带棒杆菌对青霉素和环丙沙星的耐药率略低，其余药物的耐药性也均有报道，其中庆大霉素的耐药率普遍较低，而红霉素、克林霉素的耐药率均较高[10]。
目前国内报道对达托霉素耐药的病例较少，但国外已有高水平达托霉素耐药菌株检出的报道。TEKIPPE等[11]通过体外试验将纹带棒杆菌分离菌株暴露于达托霉素，结果显示，原本对达托霉素敏感的菌株可以快速获得抗性，且诱导菌株耐药性可稳定存在。纹带棒杆菌对达托霉素的耐药性值得进一步关注。
2.2 耐药机制
2.2.1 β-内酰胺类抗菌药物
β-内酰胺类抗菌药物是现有抗菌药物中使用最广泛的一类，其通过抑制细胞壁黏肽合成酶，使细胞壁合成障碍，从而破坏菌体。目前，纹带棒杆菌对β-内酰胺类抗菌药物的耐药机制尚不明确，临床最常见的耐药机制是β-内酰胺酶的水解作用。纹带棒杆菌普遍存在ampC基因和bla基因高表达状态[10]，其中ampC基因负责编码C类β-内酰胺酶，呈现对青霉素和头孢菌素的水解活性；bla基因负责编码一种丝氨酸水解酶，属于A类β-内酰胺酶家族成员，呈现对青霉素的抗性。同时，纹带棒杆菌对β-内酰胺类抗菌药物的耐药性与tetA/B基因编码的非特异性外排泵有关[12]。此外，有研究已检出对碳青霉烯类抗菌药物(亚胺培南或美罗培南)耐药的纹带棒杆菌，但耐药机制尚不明确[7]。临床上常见病原菌对碳青霉烯类抗菌药物耐药的机制比较复杂，如肠杆菌目细菌主要以产生碳青霉烯酶(如A类、B类和D类β-内酰胺酶)为主，而非发酵菌耐药机制更为复杂，如产生碳青霉烯酶、外排泵及膜通透性改变等[13]。王雪冰等[7]对美罗培南耐药纹带棒杆菌菌株中常见碳青霉烯酶基因进行检测，结果均为阴性，提示对碳青霉烯类抗菌药物耐药的纹带棒杆菌存在其他耐药机制，需进一步探究。
2.2.2 喹诺酮类抗菌药物
喹诺酮类抗菌药物属于化学合成的抗菌药物，主要靶向细菌的DNA螺旋酶和拓扑异构酶Ⅳ形成药物-酶-DNA复合物，低浓度下可使DNA复制受损，高浓度下可导致细胞死亡，被应用于尿路感染、肠道感染和呼吸道感染等的经验性治疗[14]。
本项目组前期的研究报道显示，纹带棒杆菌临床分离菌株对喹诺酮类抗菌药物呈现高水平耐药且耐药机制多样化：410株耐喹诺酮类抗菌药物的纹带棒杆菌中，72.2%的菌株在gyrA基因喹诺酮耐药决定区(QRDR)发生87和91位密码子双突变(Ser-87突变为Phe-87、Asp-91突变为Ala-91)；同时还发现了4种新的突变模式，其中包括101株菌株双突变(Ser-87突变为Tyr-87、Asp-91突变为Ala-91)、2株双突变(Ser-87突变为Val-87、Asp-91突变为Gly-91或Ala-91)和1株单突变(Ser-87突变为Ile-87)。环丙沙星对双突变(96.5%，385/399)和单突变(72.7%，8/11)菌株的最低抑菌浓度(MIC)达32 μg/mL以上，但还未发现氨基酸突变位点与喹诺酮类抗菌药物耐药水平间有显著关系。而在此前突尼斯一家医院的报道中，多数分离菌株同样在QRDR发生了双密码子突变，即Ser-87突变为Phe，Asp-91突变为Gly，环丙沙星的MIC可达16 μg/mL以上；发生单密码子突变的菌株(Ser-87突变为Phe，Asp-91突变为Gly或Ala)对环丙沙星的MIC维持在8 μg/mL以下[10]。由此提示，纹带棒杆菌对喹诺酮类抗菌药物的耐药性与基因自发性突变有关，可能取决于突变基因的数量和突变的氨基酸类型[15]。纹带棒杆菌对喹诺酮类抗菌药物的耐药机制呈显著多态性特点，QRDR突变位点特征与菌株遗传背景及抗菌药物暴露之间的相关性需要进一步研究。
2.2.3 环脂肽类抗菌药物
达托霉素是一种钙依赖性环脂肽抗菌药物，用于治疗革兰阳性球菌引起的感染，尤其是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等革兰阳性球菌引起的严重感染，它的亲脂性尾端可插入细胞膜中形成离子载体，细胞膜快速去极化和离子泄露使代谢物摄取不足并渗透失衡，最终引起菌体死亡[11]。TEKIPPE等[11]收集来自血液、骨及伤口部位的纹带棒杆菌标本，经达托霉素体外诱导后，多数菌株对达托霉素产生耐药。体外试验结果表明，达托霉素MIC较低的纹带棒杆菌暴露于达托霉素时，可迅速获得高水平抗性且耐药水平稳定[16]。纹带棒杆菌对达托霉素高水平耐药主要是因为pgsA2基因功能丧失，而该基因负责编码磷脂酰甘油合酶A，其功能丧失可使细菌细胞膜丢失大量磷脂酰甘油，破坏细胞膜的完整性[17]。在GOTOH等[18]最新报道的1例高水平达托霉素耐药纹带棒杆菌感染病例中，IS30插入序列使pgsA2裂解导致磷脂酰甘油产生中断，IS序列很可能携带多种抗菌药物耐药基因并通过基因水平转移载体传播耐药性。此外，金黄色葡萄球菌对达托霉素的耐药性被认为与细胞壁增厚有关[11]，但尚未发现对达托霉素耐药和敏感的纹带棒杆菌细胞壁厚度存在明显差异。
2.2.4 氨基糖苷类抗菌药物
氨基糖苷类抗菌药物是由氨基修饰的糖与氨基环醇核心连接组成的一类高效广谱抗菌药物，通过特异性结合细菌核糖体30S亚基的16S rRNA解码区A位点，使非互补配对的tRNA通过A位点，最终形成错误的蛋白质[19]。氨基糖苷类抗菌药物耐药是通过多种机制实现的，其中最常见的是酶失活，包括氨基糖苷修饰酶中的乙酰转移酶、腺苷酰转移酶及磷酸转移酶(APH)，导致氨基糖苷类抗菌药物失活[20]。在卡那霉素耐药纹带棒杆菌菌株中检测到aph(3′)-Ⅰc、aph(3″)-Ⅰb和aph(6)-Ⅰd基因；链霉素耐药菌株中则存在aac(3)-Ⅺ基因，编码3-N乙酰转移酶[10]。
2.2.5 大环内酯类-林可酰胺类-链阳菌素类(MLS)抗菌药物
MLS抗菌药物广泛应用于重要的棒杆菌感染中，其中大环内酯类抗菌药物主要与细菌细胞核糖蛋白体50S亚单位结合，阻止肽酰基的转移反应及mRNA的位移，从而阻碍细菌蛋白质合成。林可酰胺类抗菌药物则可特异性与50S亚基23SrRNA基因的中心环结合，阻止肽链延长，纹带棒杆菌对该类药物的耐药常由两种机制介导：由erm(X)基因编码的核糖体RNA甲基化酶介导的靶位点修饰及mef(A-E)基因编码的膜外排泵介导的主动药物外排。erm(X)基因存在于pTP10质粒中转座子Tn5432两侧的插入序列IS1249中，负责编码对大环内酯类和林可酰胺类抗菌药物的抗性[12]。此外还检测到编码核糖体RNA甲基化酶的erm(B)基因，以及erm(X)和erm(B)基因同时存在的情况，此前只在解脲棒杆菌中报道过[10]。纹带棒杆菌对各类抗菌药物的耐药率及耐药机制见表1。
表1 纹带棒杆菌对各类抗菌药物的耐药率及耐药机制
2.3 生物膜与耐药性
除上述多种耐药机制外，细菌耐药性的产生与细菌生物膜同样密切相关。细菌生物膜是细菌黏附在接触表面，并通过胞外分泌物(多糖蛋白复合物、纤维蛋白等)将其自身包绕粘连而形成的膜样细菌群落[22]。生物膜的形成易受外界环境(如营养成分、细菌所处的温度、pH值等)影响，一般分为附着、定植、发育、成熟、散播等几个阶段[23]，可形成成熟生物膜的细菌对不良环境及抗菌药物的抵抗力明显增强，进而增强病原体在宿主体内和医院环境中的存活率，同时也导致临床难治性感染发生[24]。
已有研究报道，金黄色葡萄球菌极易黏附在导管(如透析导管和静脉导管等)和植入式医疗设备(如人工关节和起搏器等)表面形成生物膜，对抗菌药物产生高度耐药性，并且能够抵御宿主的防御机制[25]。SOUZA等[26]对引起里约热内卢地区医院感染暴发的纹带棒杆菌菌株进行研究发现，这些菌株可划分为4种基因型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型)，其中Ⅰ型优势克隆株对玻璃管、聚氨酯类医疗器械和塑料微量滴定板等材质均呈现强黏附能力。QIN等[27]也发现优势型菌株具有较高的生物膜形成能力。强产生物膜克隆株更易在医院环境中长期存在并成为优势克隆株，导致各种侵袭性感染[15]。此外，生物膜还有助于细菌抵抗消毒剂的作用。SOUZA等[28]研究发现，经消毒剂处理过的所有菌株(包括从气管吸引物和支气管肺泡灌洗液中分离的多药耐药菌株2369/Ⅱ和1987/Ⅰ，以及手术伤口和尿液标本中分离的多药敏感菌株1954/Ⅳ和1961/Ⅲ)均对消毒剂表现出不同程度的抗性。同时，有机物质(2%牛血清蛋白)的存在更有利于多药耐药菌株存活。强产生物膜菌株对消毒剂的抵抗力有助于纹带棒杆菌在医院环境中长期存在，以及在住院人群中的传播。因此，对于检出纹带棒杆菌特别是多重耐药菌株的环境或病区，医护人员应制订更为严格的环境消毒方案。
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3 小 结
目前关于纹带棒杆菌的研究报道呈逐年上升趋势，特别是多重耐药特征方面，但由于对其潜在致病性及机制认识不足，临床医生尚未对其予以足够重视。但近3年针对纹带棒杆菌开展的多中心流行病学调研、动物感染模型等的研究逐渐揭示出纹带棒杆菌对于宿主具有潜在的致病性，而且容易形成生物膜的特征进一步促进了纹带棒杆菌的致病性，以及在医院环境中的持续存在和传播能力。纹带棒杆菌生物膜形成机制、毒力相关机制有待进一步研究。
《药物和医疗器械临床试验300问及案例分析》第2版