細菌的感染與致病機理課件

細菌的感染與

致病機理

動物醫(yī)學院張煒1內(nèi)容提要細菌是否有致病性，經(jīng)典的依據(jù)是柯赫法則，近年來提出的分子水平的柯赫法則對此標準作了補充和完善。就某種病原菌而言，其致病性一般通過測定LD50以及ID50來定量。細菌的致病性在很大程度上取決于其毒力因子，包括侵襲力與毒素，以及毒力因子的分泌系統(tǒng)。毒素有外毒素與內(nèi)毒素之分2幾個概念感染（infection）是指病原微生物在宿主體內(nèi)持續(xù)存在或增殖。發(fā)病（disease）表示病原微生物感染之后，對宿主造成明顯的損害。病原菌（pathogenicbacteria）是指那些導致機體發(fā)病的細菌。是一群高度特化了的微生物，為了自身的生存，已適應而且必須在宿主生物體內(nèi)持續(xù)存在或增殖，有時可造成宿主發(fā)病。3微生物學研究側重于感染。因為感染的范圍更廣，發(fā)病僅僅是感染可能出現(xiàn)的后果之一。感染不一定都導致發(fā)病，而發(fā)病則離不開感染。如將防治傳染病的重點轉移到預防感染，則可收到事半功倍之效。4第一節(jié)細菌的致病性和毒力

一定種類的病原菌在一定的條件下，能在宿主體內(nèi)引起感染的能力稱為致病性（pathogenicity）病原菌致病力的強弱程度稱為毒力（virulent），同一細菌的不同菌株，其毒力不一樣，因此，毒力是菌株的特征。5科赫細菌致病性的確定

柯赫法則（Koch’spostulates）由德國細菌學家羅伯特·柯赫（RobertKoch）于1890年提出，是確定某種細菌是否具有致病性的主要依據(jù)6柯赫法則要點

特殊的病原菌應在同一疾病中查見，在健康者不存在此病原菌能被分離培養(yǎng)而得到純種此純培養(yǎng)物接種易感動物，能導致同樣病癥自實驗感染的動物體內(nèi)能重新獲得該病原菌的純培養(yǎng)7Koch’spostulatesThemicroorganismmustbefoundinabundanceinallorganismssufferingfromthedisease,butnotinhealthyorganisms.Themicroorganismmustbeisolatedfromadiseasedorganismandgrowninpureculture.Theculturedmicroorganismshouldcausediseasewhenintroducedintoahealthyorganism.Themicroorganismmustbe

reisolatedfromtheinoculated,diseasedexperimentalhostandidentifiedasbeingidenticaltotheoriginalspecificcausativeagent.8貢獻舉例柯赫法則在確定細菌致病性方面具有重要意義，在“柯赫原則”原理指導下產(chǎn)生的純培養(yǎng)技術，1882-1900年間，許多在歐洲流行的感染性疾病的病原都被分離出來了，如斑疹傷寒、痢疾、梅毒、淋病、肺炎和結核9可以將非感染性疾病與感染性疾病區(qū)分開.中毒性疾病營養(yǎng)缺乏性疾病魚類缺氧死亡易與感染性疾病混淆牛櫟樹葉中毒維生素E缺乏魚翻塘死亡10不足之處具一定的局限性，某些情況并不符合該法則健康帶菌或隱性感染，例:幽門螺桿菌研究表明，超過90%十二指腸潰瘍和80%左右的胃潰瘍，都是由幽門螺桿菌感染所導致的。成人感染率,無癥狀者可達50%左右11有些病原菌迄今仍無法在體外人工培養(yǎng)

只有1%不到的微生物可以人工培養(yǎng)有的則沒有可用的易感動物

主要是指只感染人類或大動物的疾病12

基因水平的柯赫法則”（Koch’spostulatesforgenes）應在致病菌株中檢出某些基因或其產(chǎn)物，而無毒力菌株中無。如有毒力菌株的某個基因被損壞，則菌株的毒力應減弱或消除?；蛘邔⒋嘶蚩寺〉綗o毒菌株內(nèi)，后者成為有毒力菌株13將細菌接種動物時，這個基因應在感染的過程中表達在接種動物檢測到這個基因產(chǎn)物的抗體，或產(chǎn)生免疫保護。該法則也適用于細菌以外的微生物，如病毒14細菌毒力的測定

半數(shù)致死量（medianlethaldose,LD50）是指能使接種的實驗動物在感染后一定時限內(nèi)死亡一半所需的微生物量或毒素量。15測定LD50應選取品種、年齡、體重乃至性別等各方面都相同的易感動物，分成若干組，每組數(shù)量相同，以遞減劑量的微生物或毒素分別接種各組動物，在一定時限內(nèi)觀察記錄結果，最后以生物統(tǒng)計學方法計算出LD50。由于半數(shù)致死量采用了生物統(tǒng)計學方法對數(shù)據(jù)進行處理，因而避免了動物個體差異造成的誤差。16

半數(shù)感染量（medianinfectiousdose,ID50）

某些病原微生物只能感染實驗動物、雞胚或細胞，但不引致死亡，可用ID50來表示其毒力。測定的方法與測定LD50類似，只不過在統(tǒng)計結果時以感染者代替死亡者。17第二節(jié)細菌的毒力因子及分泌系統(tǒng)

構成細菌毒力的物質稱毒力因子（virulencefactor），主要有侵襲力和毒素，此外有些毒力因子尚不明確。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，細菌的許多重要毒力因子的分泌與細菌的分泌系統(tǒng)有關。18侵襲力（invasiveness）病原菌在機體內(nèi)定殖，突破機體的防御屏障，內(nèi)化作用，繁殖和擴散，這種能力稱為侵襲力。定殖干擾或逃避宿主的防御抗吞噬作用

抗體液免疫機制內(nèi)化作用在體內(nèi)擴散粘附素19定殖（colonization）細菌感染第一步是體內(nèi)定殖，前提是細菌要粘附在宿主消化道、呼吸道、生殖道、尿道及眼結膜等處，以免被腸蠕動、粘液分泌、呼吸道纖毛運動等作用所清除。20凡具有粘附作用的細菌結構成份，統(tǒng)稱為粘附素（adhesin），通常是細菌表面的一些大分子結構成份，主要是革蘭陰性菌的菌毛，其次是非菌毛粘附素，如某些外膜蛋白（OMP）以及革蘭陽性菌的脂磷壁酸（LTA）等。21某些粘附素無宿主特異性及組織嗜性

如F1（1型菌毛）能與細胞表面的D甘露糖殘基結合大多數(shù)粘附素具有宿主特異性及組織嗜性

如大腸桿菌的F4（K88）菌毛僅粘附于豬的小腸前段，F(xiàn)6（987P）僅粘附于豬的小腸后段細胞或組織表面與粘附素相互作用的成份稱為受體（receptor），多為細胞表面糖蛋白，部分粘附素受體為蛋白質，最有代表性的是細胞外基質（extracellularmatrix,ECM)22干擾或逃避宿主的防御機制

病原菌粘附于細胞或組織表面后，必須克服機體局部的防御機制，特別是要干擾或逃避局部的吞噬作用及分泌抗體介導的免疫作用，才能建立感染。幾種主要的作用方式:抗吞噬作用抗體液免疫機制內(nèi)化作用（internalization）在體內(nèi)擴散2324抗吞噬作用不與吞噬細胞接觸，如通過外毒素破壞細胞骨架以抑制吞噬細胞的作用，如鏈球菌溶血素等。抑制吞噬細胞的攝取，如莢膜、菌毛和鏈球菌的M蛋白。在吞噬細胞內(nèi)生存，如沙門氏菌的某些成份可抑制溶酶體與吞噬小體的融合；再如李氏桿菌被吞噬后，很快從吞噬小體中逸出，直接進入細胞質。殺死或損傷吞噬細胞，細菌通過分泌外毒素或蛋白酶來破壞吞噬細胞的細胞膜，或誘導細胞凋亡，或直接殺死吞噬細胞。25抗體液免疫機制

抗原偽裝或抗原變異，前者主要是在細菌表面結合機體組織成份，如金黃色葡萄球菌通過細胞結合性凝固酶結合血纖維蛋白，或通過SPA結合免疫球蛋白。分泌蛋白酶降解免疫球蛋白，嗜血桿菌等可分泌IgA蛋白酶，破壞粘膜表面的IgA。通過LPS、OMP、莢膜及S層等的作用，逃避補體，抑制抗體產(chǎn)生。26內(nèi)化作用（internalization）

指某些細菌粘附于細胞表面之后，能進入吞噬細胞或非吞噬細胞內(nèi)部的過程。細菌通過這種移位作用進入深層組織，或進入血循環(huán)，從感染的原發(fā)病灶擴散至全身或較遠的靶器官。宿主細胞為進入其內(nèi)的細菌提供了一個增殖的小環(huán)境和庇護所，使細菌逃避宿主免疫機制的殺滅。

鼠傷寒沙門氏菌內(nèi)化作用過程示意（據(jù)Salyers等）27在體內(nèi)增殖

細菌在宿主體內(nèi)增殖是感染的核心問題，增殖速度對致病性極其重要，如果增殖較快，細菌在感染之初就能克服機體防御機制，易在體內(nèi)生存。反之，若增殖較慢，則易被機體清除。鐵是許多細菌生長所必需，然而宿主體內(nèi)無游離鐵存在，細菌通過獲鐵系統(tǒng)為細菌生長提供所需的鐵，獲鐵系統(tǒng)包括生產(chǎn)和利用鐵載體或直接利用宿主的含鐵化合物，如血紅轉鐵蛋白、乳鐵蛋白等。赤蘚醇（erythritol）能刺激布氏桿菌在體內(nèi)的生長。雄性及妊娠母畜生殖系統(tǒng)中有赤蘚醇存在，因此布氏桿菌可在其中大量增殖，其感染局限于生殖系統(tǒng)。28在體內(nèi)擴散

細菌分泌的蛋白酶稱為胞外蛋白酶（extracellularproteinase），它們具有多種致病作用，例如激活外毒素、滅活血清中的補體等，有的蛋白酶本身就是外毒素。此外，最主要的作用是作用于組織基質或細胞膜，增加其通透，利于細菌擴散。此類常見的有透明質酸酶（hyaluronidase），舊稱擴散因子（spreadingfactor），分解結締組織的透明質酸，葡萄球菌、鏈球菌等可產(chǎn)生。膠原酶（collagenase），主要分解ECM中的膠原蛋白，見之于梭菌、氣單胞菌等。神經(jīng)氨酸酶（neuraminidase），主要分解腸粘膜上皮細胞的細胞間質，霍亂弧菌及志賀菌可產(chǎn)生。29磷脂酶（phospholipase）又名α毒素，可水解細胞膜的磷脂，產(chǎn)氣莢膜梭菌等產(chǎn)生。卵磷脂酶（lecithinase），分解細胞膜的卵磷脂，產(chǎn)氣莢膜梭菌等產(chǎn)生。激酶（kinase），能將血纖維蛋白溶酶原激活為血纖維蛋白溶酶。包括鏈球菌產(chǎn)生的鏈激酶和葡萄球菌等產(chǎn)生的激酶，以分解血纖維蛋白，防止形成血凝塊。凝固酶（coagulase），細菌在體內(nèi)的擴散也可通過內(nèi)化作用完成。特別是細胞結合性凝固酶，可為細菌提供抗原偽裝外，使之不被吞噬或機體免疫機制所識別。見于致病性金黃色葡萄球菌。30毒素（toxin）

細菌毒素按其來源、性質和作用等的不同，可分為外毒素內(nèi)毒素

在大多數(shù)情況下，外毒素一般簡稱毒素31外毒素（exotoxin）定義：是某些病原菌在生長繁殖過程中所產(chǎn)生的對宿主細胞有毒性的可溶性蛋白質。大多數(shù)外毒素在菌體內(nèi)合成后必須分泌于胞外，故名“外毒素”。但也有少數(shù)外毒素存在于菌體細胞的胞周間隙，只有當菌體細胞裂解后才釋放至胞外。多種細菌能產(chǎn)生外毒素，如肉毒梭菌、破傷風桿菌、白喉棒狀桿菌、炭疽桿菌、大腸桿菌、霍亂弧菌。32特性通常具有菌種特異性，如破傷風梭菌產(chǎn)生破傷風毒素、炭疽桿菌產(chǎn)生炭疽毒素、霍亂弧菌產(chǎn)生霍亂毒素等。毒性強，如1mg純化的肉毒毒素能殺死2000萬只小鼠。外毒素的毒性具有往往有高度的特異性。破傷風毒素選擇性地作用于脊髓前角運動神經(jīng)細胞，引起肌肉的強直性痙攣肉毒毒素選擇性地作用于眼神經(jīng)和咽神經(jīng)，引起眼肌和咽肌麻痹也有一些毒素具有相同的作用，霍亂弧菌、大腸桿菌、金葡菌等許多細菌均可產(chǎn)生作用類似的腸毒素。33外毒素具有良好的免疫原性可刺激機體產(chǎn)生特異性的抗體，而使機體具有免疫保護作用，這種抗體稱為抗毒素（antitoxin），可用于緊急治療和預防。外毒素在0.4%甲醛溶液作用下，經(jīng)過一段時間可以脫毒，但仍保留原有抗原性，稱之為類毒素（toxoid）。類毒素注入機體后，仍可刺激機體產(chǎn)生抗毒素，可作為疫苗進行免疫接種。34多數(shù)外毒素不耐熱，一般在60℃~80℃經(jīng)10min~80min即可失去毒性，但也有少數(shù)例外，如葡萄球菌腸毒素及大腸桿菌熱穩(wěn)定腸毒素（ST）能耐100℃30min。外毒素與酶都是蛋白質，許多性質相似，如易被熱、酸及蛋白水解素酶滅活，具有很高的生物學活性，并具特異性。35組成大多數(shù)外毒素由A、B兩種亞單位組成。A亞單位為毒素的活性中心，稱活性亞單位，決定毒素的毒性效應。B亞單位稱結合單位，能使毒素分子特異性地結合在宿主易感組織的細胞膜受體上，并協(xié)助A亞單位穿過細胞膜。A、B亞單位單獨均無毒性，A亞單位必須在B亞單位的協(xié)助下，結合至受體釋放到細胞內(nèi)，才能發(fā)揮毒性作用，因此毒素結構的完整性是其致病的必備條件。B亞單位可單獨與細胞膜受體結合，并阻斷完整毒素的結合，B亞單位可刺激機體產(chǎn)生相應的抗體，從而阻斷完整毒素結合細胞，可作為良好的亞單位疫苗。36分類目前尚未統(tǒng)一，比較簡明的是根據(jù)其性質分類A-B型毒素、攻膜毒素以及超抗原毒素三類。37定義：

內(nèi)毒素特指革蘭陰性菌外膜中的脂多糖（LPS）成分，細菌在死亡后破裂或用人工方法裂解菌體后才釋放。內(nèi)毒素（endotoxin）38壁磷壁酸OMP（脂蛋白）OMP（微孔蛋白）OMP表層蛋白肽聚糖LPS細胞壁細胞膜外膜細胞膜周質間隙A革蘭陽性菌B革蘭陰性菌細菌細胞壁結構模式圖（據(jù)Salyers等）膜磷壁酸39組成

LPS由O特異多糖側鏈、非特異核心多糖和類脂A三個部分組成。具有毒性的部分是類脂A。類脂A高度保守，腸桿菌科細菌的類脂A結構完全一樣。40特性革蘭陰性菌內(nèi)毒素的毒性作用都大致相同，引致發(fā)熱、血循環(huán)中白細胞驟減、彌散性血管內(nèi)凝血、休克等，嚴重時亦可致死。內(nèi)毒素耐熱，加熱100℃經(jīng)1h仍不被破壞，必須加熱160℃經(jīng)2~4h，或用強酸、強堿或強氧化劑煮沸30min才失活。不能被甲醛脫毒成類毒素。內(nèi)毒素的抗原性較弱，將內(nèi)毒素注入機體可產(chǎn)生針對其中多糖抗原的相應抗體，但此抗體并無中和內(nèi)毒素毒毒性的作用。41特性外毒素內(nèi)毒素化學性質蛋白質脂多糖產(chǎn)生由某些革蘭陽性菌或陰性菌分泌由革蘭陰性菌菌體裂解產(chǎn)生耐熱性通常不耐熱極為耐熱毒性作用特異性。為細胞毒素、腸毒素或神經(jīng)毒素，對特定的細胞或組織發(fā)揮特定作用全身性。致發(fā)熱、腹瀉、嘔吐毒性程度高，往往致死弱，很少致死致熱性對宿主不致熱致熱性，常致宿主發(fā)熱免疫原性強，刺激機體產(chǎn)生中和抗體（抗毒素）較弱，免疫應答不足以中和毒性能否產(chǎn)生類毒素能，用甲醛處理不能細菌外毒素和內(nèi)毒素的基本特性比較42Ⅲ型分泌系統(tǒng)（TypeⅢsecretionsystem）細菌的分泌系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)是近年為細菌致病機制研究的重要進展，其中的Ⅲ型分泌系統(tǒng)與動植物的許多革蘭陰性病原菌的毒力因子的分泌有關。在病原菌與宿主細胞接觸后，這一系統(tǒng)得以啟動，具有接觸