第一章 总论
第一节 细菌感染和致病机理
细菌感染即细菌突破机体的防御机能，侵入宿主体内，进行生长、繁殖、扩散，释放毒性产物，并与机体发生相互作用的病理过程。寄生菌感染宿主并引起疾病的能力或特性称为细菌致病性（pathogenicity）。不同种类的细菌致病性不同，因此会引起不同的疾病，具有致病性的细菌称为致病菌或病原菌。致病菌的致病机理包括感染过程的启动和疾病体征与症状的产生机制，其致病过程包括黏附并定殖于某种细胞、组织；适应宿主特定环境进行增殖，并向其他部位侵袭或扩散；抵抗或逃避机体的免疫防御机制；释放毒素或诱发超敏反应，引起机体组织损伤。毒力是细菌致病性强弱的关键因素，可由细菌染色体基因、质粒或噬菌体控制，也可以存在于细菌毒力岛内，其主要由侵袭力（invasiveness）和毒素构成。侵袭力相关因子包括黏附素、荚膜、侵袭性物质和生物被膜等，主要涉及菌体的表面结构与释放的侵袭蛋白和酶类。
一、细菌的黏附及侵袭
（一）细菌的黏附
细菌感染宿主的首要条件是黏附在组织或细胞表面，进而定殖，引起机体发病。黏附（adhesion）是细菌通过其黏附素（adhesin）与宿主细胞相应受体之间特异性结合并相互作用的过程。宿主细胞是否具有相应的受体及受体的类型，决定着细菌能否在特定的部位黏附定殖。细菌黏附的第一阶段为聚集和非特异性的吸附，细菌接近黏膜上皮细胞表面，借助表面的静电力、疏水力及分子间作用力（范德瓦耳斯力）等形成可逆的相互作用，有些细菌在该阶段有类似趋化作用的参与。黏附的第二阶段是特异性的，在第一阶段的基础上，细菌表面的黏附素（配体）与靶细胞表面的受体在空间构型上通过化学键相互匹配并结合。黏附细胞后的细菌一般不会随液体中的震荡或冲洗而脱离，且也能在一定程度上对抗去污剂的作用。
1．黏附素黏附素是具有黏附作用的各种细菌表面结构的统称，它们直接介导细菌与宿主细胞的黏附。在化学性质上，黏附素通常是细菌表面某种特定的蛋白质、糖脂、多糖或单糖等成分。根据黏附素形态结构的不同，可将其分为菌毛（fimbria或 pilus）黏附素和非菌毛黏附素（afimbrial adhesin）。
（1）菌毛黏附素许多致病菌菌毛蛋白上凸起或散布着一些具有黏附功能的亚结构单位。例如，存在于大多数革兰阴性菌及少数革兰阳性菌表面的Ⅰ型菌毛，它的顶端有连接蛋白 FimF和 FimG，以及黏附素蛋白 FimH。FimH具有独*的 N端区域，赋予Ⅰ型菌毛识别宿主上皮细胞表面甘露糖残基的能力。大肠杆菌 P菌毛上有一种称为 PapG的亚结构单位，能介导 P菌毛特有的 α-1，4-半乳糖受体结合活性，它位于菌毛末端，构成了独*的顶端结构。
菌毛的黏附作用能使细菌牢固地黏附于特定宿主细胞上，包括皮肤、呼吸道、消化道、泌尿生殖道的黏膜上皮。由于每种菌毛只能黏附于具有相应受体的细胞上，所以细菌的黏附往往具有宿主特异性或细胞特异性。例如，含 F4、F6或 F42菌毛的肠致病性大肠杆菌（EPEC）仅发现于腹泻仔猪体内， F17菌毛也仅存在于引起犊牛和羔羊腹泻的大肠杆菌中。虽然含不同菌毛的不同细菌在体内都能黏附于相应宿主的小肠上皮细胞微绒毛和刷状缘，但各自黏附的小肠部位不尽相同。 F4、CFAⅠ和 CFAⅡ菌毛黏附部位均为小肠前端， F5菌毛黏附的是空肠、回肠段， F6和 F41菌毛黏附的都是回肠段。在体外，菌毛除能表现出对宿主细胞的黏附作用外，有些菌毛还可黏附于红细胞，使红细胞彼此凝聚而呈现一种血凝反应。每种菌毛能凝集红细胞的种类常常是固定的，故具有一定的血凝反应，如Ⅰ型和Ⅴ型菌毛的血凝反应可被 D-甘露糖抑制，故称之为甘露糖敏感型血凝反应。
（2）非菌毛黏附素非菌毛黏附素是指细菌表面不呈菌毛形态的各种有黏附作用的结构物，主要包含纤毛样突出物、细菌表面蛋白、鞭毛、血凝素等。
1）纤毛样突出物：又称微纤毛（fibrillae），是多数革兰阳性菌的黏附素，其主要由糖脂类构成，与革兰阴性菌的菌毛蛋白不同，如 A群链球菌和金黄色葡萄球菌细胞壁中的脂磷壁酸（lipoteichoic acid，LTA）在黏附宿主上皮细胞时起重要作用。 LTA为两性分子，一端类脂结合在细菌的细胞质膜上，另一端为甘油磷壁酸聚合体，穿过细胞壁到达细胞表面。 LTA的重复单位及疏水链上含有脂质结合位点，它们可以与宿主细胞表面糖脂或脂蛋白上的脂质区结合。 LTA分子本身带弱负电荷，它的游离端可与宿主细胞表面带正电荷的大分子结合，从而介导细菌黏附。
2）细菌表面蛋白：金黄色葡萄球菌和化脓链球菌的纤连蛋白结合蛋白（FBP）、志贺菌的 IpaD蛋白、 EPEC的紧密黏附素（intimin）、肺炎链球菌的 PsaA蛋白、小肠结肠炎耶尔森菌的 YadA外膜蛋白、杀鲑气单胞菌的 A蛋白及百日咳杆菌的黏附素（pertactin）等均为细菌表面蛋白，在对各自宿主细胞的黏附作用中起着重要作用。
3）鞭毛：鞭毛是细菌重要的运动器官，随着对鞭毛结构和致病性作用的深入研究，发现鞭毛及其运动性可促进细菌对宿主细胞的黏附与侵袭，在细菌生物被膜形成等过程中发挥重要作用。霍乱弧菌的鞭毛鞘蛋白、百日咳杆菌和空肠弯曲菌的鞭毛蛋白均可参与细菌的黏附过程。有研究证明，肠毒性大肠杆菌（ETEC）的鞭毛高保守区，可以和一种胞外黏附素蛋白（EtpA）发生相互作用，介导其在肠内的黏附和定殖。
4）血凝素：鼠伤寒沙门菌的甘露糖抗性血凝素、霍乱弧菌的血凝素（包括抗甘露糖岩藻糖血凝素、甘露糖敏感血凝素和可溶性血凝素等）、百日咳杆菌的丝状血凝素等都能够参与这些菌的黏附作用。
除了上述黏附素外，某些细菌的荚膜、脂多糖（LPS）等上面也含有具有黏附功能的结构分子，细菌分泌的海藻酸钠、甘油醛 -3-磷酸脱氢酶、脲酶、葡萄糖基转移酶等都可以成为黏附素。迄今，越来越多的病原菌被发现含有各种感染相关的黏附素，如果我们能够阐明病原菌的黏附机制及其影响因素，从而寻找有效途径来阻止细菌的黏附，则将为细菌性传染病的预防和控制提供新的方法。
2．受体受体是宿主细胞上一种能与细菌黏附素发生特异性结合的分子结构，一种宿主细胞的表面不仅含有许多性质各异的受体，而且一种受体可被多种细菌黏附素识别，故同一种细胞可被不同的细菌黏附。黏附素受体主要包括三类，第一类是大多数革兰阴性菌的黏附受体，主要为宿主细胞表面的糖蛋白或糖脂成分；第二类是细胞表面黏附受体，如整合素（integrin）、钙黏着蛋白（cadherin）等，这些受体在某些细菌内化时也发挥功能；第三类为细胞外基质的蛋白质成分，其中以纤连蛋白（fibronectin，Fn）、胶原蛋白（collagen）、纤维蛋白原（fibrinogen，Fgn）居多，它们是革兰阳性菌的主要黏附素受体。
1）糖类残基：大多数革兰阴性菌对宿主细胞表面的黏附受体是糖蛋白或糖脂，特异性结合部位通常是受体中的糖类残基。Ⅰ型菌毛的特异受体是 D-甘露糖残基。 K88（F4）菌毛能够结合仔猪小肠黏膜上皮刷状缘上的 3种受体，包括肠黏液型唾液酸糖蛋白、肠中性鞘糖和 74kDa运铁蛋白的糖蛋白。
2）细胞表面黏附受体：包括整合素（integrin）、钙黏着蛋白（cadherin）、免疫球蛋白超家族（IgSF）、选择素（selectin）等。整合素家族分布在机体多种细胞表面，介导一系列重要的细胞功能，它们中的一些成员可被病原菌利用，通过直接或间接的结合，从而黏附宿主细胞，还能触发包括细菌内化的细胞免疫应答。金黄色葡萄球菌表达的纤连蛋白结合蛋白（FBP）与来自宿主细胞并沉积在细菌表面的纤连蛋白（Fn）结合，接着通过 Fn与宿主细胞表面的 α5β1整合素结合，启动细胞内化作用。肠道上皮细胞表达的核仁素和 β整合素被认为是 EHEC O157∶H7紧密黏附素的黏附受体。细菌 LPS可通过 P-选择素与活化的血小板或上皮细胞结合，在感染性休克的细胞器功能衰竭的发病过程中起重要作用。
3）细胞外基质（extracellular matrix，ECM）：ECM为细胞外表面的生物活性物质，由大分子的复杂混合物组成，既是机体细胞互相粘连的重要底物，也是许多细菌尤其是革兰阳性菌黏附宿主细胞的受体。 ECM受体包括纤连蛋白（fibronectin，Fn）、胶原蛋白（collagen）、纤维蛋白原（fibrinogen，Fgn）等。 Fn是一种 440kDa的大分子糖蛋白，金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌的 LTA结合于其临近胶原的结合位点，化脓性链球菌的 LTA则结合于其脂质结合区。A群链球菌的 FBP和 F蛋白均可与 Fgn结合，每个菌上的结合位点可达上万个。
细菌黏附素与细胞相应受体的结合主要有 3种类型：第一种*常见，为蛋白质凝集素 -碳水化合物（lectin-carbohydrate）相互作用，许多病原菌以菌体表面特别是菌毛上的凝集素作为黏附素与宿主细胞表面的糖复合物如糖蛋白或糖脂等上的糖链残基结合。相反地，在某些情况下，动物细胞（如巨噬细胞）表面的凝集素也会与细菌荚膜或脂多糖上的多糖成分结合，介导非特异的吞噬作用。第二种是蛋白质 -蛋白质相互作用，如革兰阳性菌上的纤连蛋白结合蛋白（fibronectin-binding protein，FBP）与细胞外基质上纤连蛋白的结合。第三种是疏水蛋白间的相互作用，如革兰阳性菌的脂磷壁酸结合到上皮细胞纤连蛋白脂质结合区。
（二）细菌的侵袭与扩散
细菌的侵袭力（invasiveness）是指病原菌突破宿主的防御系统，侵入机体，在体内定殖和扩散的能力。细菌发挥侵袭力的物质基础包括菌体表面机构及细菌产生的与侵袭相关的物质。
1．侵袭性酶当致病菌在感染原始部位向四周扩散时，会受到宿主屏障作用的限制。但是有些致病菌能产生降解组织的侵袭性酶。侵袭性酶多为细菌分泌的胞外酶类，如某些链球菌和葡萄球菌产生透明质酸酶和链激酶等，前者能降解结缔组织细胞外基质的透明质酸，后者能激活纤溶酶，消化纤维蛋白防止血凝，两者均利于细菌在组织中的扩散。梭菌、气单胞菌等能产生胶原酶，分解肌肉胶原蛋白，促进气性坏疽的产生。神经氨酸酶是由霍乱弧菌和痢疾志贺菌等肠道病原体产生，它会降解神经氨酸（也称为唾液酸），破坏肠黏膜上皮细胞间的粘连。致病性葡萄球菌产生血浆凝固酶，能使血浆中的纤维蛋白原变为纤维蛋白，进而使血浆凝固，纤维蛋白沉积在菌体表面，可使细菌免受吞噬细胞的吞噬作用，利于细菌在局部繁殖。 A族链球菌产生的脱氧核糖核酸酶，能液化脓液中高黏度的 DNA，利于扩散。
2．细菌的内化有的致病菌如结核分枝杆菌、布鲁氏菌等被吞噬细胞吞噬后不被杀死，这种被动的内化机制可使细菌随着吞噬细胞转移至淋巴结和血液中，扩散至宿主全身。除了这种被吞噬细胞摄入的方式外，有些病原菌还会表达侵袭素（invasin）蛋白，通过某种内化机制进入宿主非吞噬细胞内（主要为黏膜上皮细胞），从而穿过黏膜上皮或通过细胞间质，侵入深层组织或血液中，导致严重的深部感染或全身感染。细菌的黏附素与细胞受体的相互作用可启动系列信号分子的级联反应，包括蛋白质的磷酸化、效应分子的募集及细胞骨架成分的活化，继而导致吞噬杯（phagocytic cup）形成、闭合及细菌的内化。有些细菌在结合细胞跨膜受体的表面蛋白介导下完成内化过程，还有些细菌在黏附至细胞后，通过Ⅲ型分泌系统（TTSS）等专职分泌系统产生某些效应分子，以调节细胞骨架肌动蛋白，促进“巨胞饮袋”（macropinocytic pocket）的形成并包绕细菌。细菌的侵袭与细胞 Rho家族蛋白（Rho、Rac和 Cdc42）介导的细胞骨架重排有关，此过程涉及两种主要机制：“拉链”（zipper）机制和“触发”（trigger）机制。例如，耶尔森菌利用外膜的侵袭素与宿主细胞表面整合素受体 β1链紧密结合，诱导整合素聚集和下游信号产生。整合素受体 β1链的胞质区尾部与细胞骨
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