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糖尿病患者易感高毒力肺炎克雷伯菌的机制

高毒力肺炎克雷伯菌(hypervirulent Klebsiella pneumoniae, hvKP)自1986年我国台湾省首次报道以来逐渐在全球传播。hvKP是经典型肺炎克雷伯菌(classical Klebsiella pneumoniae，cKp)的高毒力进化型，其高毒力因素包括荚膜多糖、铁载体、脂多糖、菌毛、黏附素、大肠菌素、外膜蛋白、生物膜、Ⅵ型分泌系统等多种因素，其中前两种因素最为重要 ^[ 1 ]。hvKP可累及全身多个系统致严重转移性感染，形成肝脓肿、肺炎、脑膜炎、眼内炎、坏死性筋膜炎等 ^[ 2 ]，起病隐匿、进展快、预后差，早期识别并迅速控制致病源至关重要。糖尿病是hvKP主要易感人群，尤其是血糖控制不佳者 ^[ 3 ]。中国为糖尿病多发国家，2017年患病人数已居世界第一 ^[ 4 ]。在中国中老年人hvKP感染患者中调查发现，合并糖尿病人数高达76.3% ^[ 5 ]。韩国、美国、印度hvKP感染患者合并糖尿病分别占比33.5% ^[ 6 ]、26.7% ^[ 7 ]、12.5% ^[ 8 ]。糖尿病合并肝脓肿应高度怀疑hvKP感染 ^[ 9 ]。虽糖尿病易感hvKP已得到广泛认可，但目前对其易感机制认识尚不清晰，本文针对近年来糖尿病患者的hvKP易感机制进行综述，对提高临床认识，加强易感患者的早期预防及有效诊治具有重要意义。

一、糖尿病患者易感hvKP宿主因素

1．糖尿病与hvKP肠道定植菌易位

hvKP可定植于人体肠道是继发机会性感染的重要原因，既往临床研究证实，肺炎克雷伯菌定植组较非定植组继发感染率显著增加 ^{[ 10 , 11 ]}，动物实验中hvKP定植组继发感染更易形成肝脓肿，死亡率更高 ^[ 12 ]。糖尿病患者肠道hvKP定植较健康人群显著增加，是糖尿病患者易感hvKP的重要机制之一。我国台湾地区糖尿病患者监测结果表明，肠道肺炎克雷伯菌定植率达47.5%，其中近1/3为hvKP ^[ 13 ]。目前的研究证实，肠道微生态稳定对于抑制菌群的异常定植具有重要防护作用，拟杆菌属 ^[ 9 ]、乳酸杆菌 ^[ 14 ]、产酸克雷伯菌 ^[ 15 ]等多种细菌均可抑制hvKP定植，在健康人肠道主要以拟杆菌属为主。拟杆菌属产生共生定植因子与肠道黏膜相连，并上调IL-36通路强化巨噬细胞杀伤hvKP，防止hvKP肠道定植 ^[ 16 ]。糖尿病患者肠道菌群失调，拟杆菌属较正常人显著减少 ^[ 17 ]，可能是hvKP定植概率增加的重要原因之一。糖尿病患者的高血糖、富铁环境促进hvKP铁载体、荚膜过表达，促进黏附定植。hvKP肛周监测对发病具有预警作用 ^[ 10 ]，但目前仍缺少大范围糖尿病患者hvKP定植率流行病学数据。

肺炎克雷伯菌定植菌虽可以酶解黏蛋白聚糖破坏黏液屏障，但健康人仅定植并不足以引发感染 ^[ 18 ]。高糖会破坏肠道屏障引发肠漏，hvKP定植菌由肠腔易位入肠内转为感染。易位由病灶与定植菌一致率判定，肠道定植菌与hvKP肝脓肿分离株一致率在23.2%～27.3% ^{[ 12 , 13 ]}。hvKP激活TGF-β信号通路，增加Tolloid样蛋白1(tolloid-like 1，TLL1)水平以实现跨肠上皮易位 ^[ 19 ]。影响易位的因素主要是肠黏膜屏障的破坏。葡萄糖转运蛋白2(glucose transporter 2，GLUT2)是一种双向葡萄糖转运蛋白，是上皮连接复合物的关键组成 ^[ 20 ]。高糖环境促进肠上皮细胞大量基因表达改变，促进GLUT2依赖型糖酵解，破坏肠上皮细胞屏障，致使肠道通透性增加，hvKP定植菌易位进入 ^[ 20 ]，敲除GLUT2和抑制糖酵解后肠上皮屏障可恢复。高糖饮食致使产生黏液降解酶的细菌如嗜黏蛋白阿克曼氏菌和脆弱拟杆菌丰度增加，黏液层变薄，增高细菌感染风险 ^[ 21 ]。此外，正常情况下肠道巨噬细胞可识别hvKP并释放生长停滞特异性蛋白6(growth arrest-specific protein 6，GAS6)，从而增强肠上皮紧密连接防止易位，动物模型研究表明衰老肠巨噬细胞GAS6表达减少后，肺炎克雷伯菌易位增加 ^[ 22 ]。高糖环境促进巨噬细胞糖酵解，向低表达GAS6的M1亚型分化 ^{[ 17 , 23 ]}是增加肺炎克雷伯菌易位潜在的机制，但仍需进一步实验验证。综上所述，糖尿病通过多种途径破坏肠道屏障，肠腔内定植hvKP易位进入血液系统。

2．糖尿病与hvKP呼吸道入侵

hvKP所致社区获得性肺炎多经血性播散，伴多脏器转移性感染，病死率高。健康人群通过口咽定植菌误吸所致感染发生率低。糖尿病患者口咽部hvKP定植较健康人群显著增多，通过该途径致社区获得性肺炎概率增加 ^[ 24 ]，但病变多局限于肺部，较少伴血流与其他脏器感染 ^[ 25 ]。hvKP也是呼吸机相关肺炎常见病原体，易引发院内暴发感染 ^[ 26 ]。hvKP依靠其高黏性表型更易黏附并侵袭肺上皮细胞，但一般难以突破细胞骨架与上皮间形成的紧密连接 ^[ 27 ]，但在高糖环境中，肺上皮-内皮屏障中GLUT2依赖型糖酵解增加，上皮连接复合物异常，肺上皮-内皮屏障受损 ^{[ 20 , 26 , 28 ]}。高糖环境内皮细胞遭遇感染时，部分炎症调节通路抑制，过表达CXCL8、IL-6、IL-8炎症因子，内皮驱动炎症反应加重肺上皮-内皮屏障损伤，并产生分泌蛋白进一步破坏肺上皮连接复合物 ^[ 28 ]。动物实验证明，糖尿病小鼠呼吸道感染后肺上皮胶原表达下降，肺泡结构破坏导致肺炎加重 ^[ 29 ]。此外，高血糖环境hvKP脂多糖刺激气道后，巨噬细胞产生炎症介质IL-1β和TNF-α、趋化因子CXCL1和CXCL2减少，早期不能迅速向肺泡募集中性粒细胞 ^[ 30 ]，易感性增加。高糖环境所致的肺上皮-内皮屏障破坏、hvKP荚膜及铁载体表达上调所致的侵袭力增强，均是糖尿病患者呼吸道易感hvKP的重要机制。

3．宿主免疫异常与免疫逃避

(1)固有免疫：在进入血液系统后，hvKP最初被库普弗细胞吞噬清除，并释放趋化因子募集中性粒细胞，防止发生严重感染。巨噬细胞通过Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)等模式识别分子识别hvKP，高血糖环境中巨噬细胞TLR2表达降低 ^[ 30 ]，致机体对hvKP捕获能力显著下降。库普弗细胞对高毒力血清型荚膜识别不佳，通过体内实时成像观察到，部分荚膜血清型的hvKP可完全逃避库普弗细胞捕获 ^[ 31 ]，从而成为宿主内传播来源。

当hvKP释放到肝循环中，将遇到第二道防线中性粒细胞。中性粒细胞吞噬作用和中性粒细胞胞外诱捕网(neutrophils extracellular traps，NETs)在抵抗hvKP感染的固有免疫应答中发挥重要作用。高血糖环境不仅抑制巨噬细胞对中性粒细胞趋化募集 ^[ 30 ]，还使得hvKP抵抗细胞内和细胞外的中性粒细胞杀伤。2型糖尿病小鼠比正常小鼠感染hvKP病死率更高，在感染的肝脏组织中发现，hvKP感染糖尿病小鼠后由杆状转为短杆状或球状。hvKP在高血糖环境失活cAMP-CRP信号通路，过表达 tolB或 rcsF基因，缩短细菌长度，逃避中性粒细胞吞噬 ^[ 32 ]。高糖环境hvKP增强 rmpA/ rmpA2基因表达激活高黏性表型，进一步逃避中性粒细胞结合和吞噬能力 ^[ 33 ]。中性粒细胞坏死或者凋亡后形成NETs, NETs可以增强巨噬细胞的吞噬作用、向巨噬细胞转移中性粒细胞特异性抗菌肽从而增强抗菌活性 ^[ 34 ]。部分实验证明糖尿病抑制NETs ^{[ 35 , 36 ]}。IL-6是NETs形成的强刺激因子，高葡萄糖状态抑制IL-6的刺激效应，阻碍和延迟中性粒细胞受到诱导后产生的NETs ^[ 35 ]，同时减弱新生NETs的杀伤能力 ^[ 36 ]，导致糖尿病患者更易感染hvKP。

(2)适应性免疫：糖尿病患者的适应性免疫发生紊乱，增加了hvKP易感性。体液免疫通过诱导、活化B淋巴细胞成为浆细胞产生免疫球蛋白，糖尿病淋巴细胞生发中心减少，免疫球蛋白生成和转化障碍，糖化免疫球蛋白功能丧失，多伴有体液免疫缺陷 ^[ 37 ]。正常机体细胞免疫中，辅助T细胞识别外来抗原，刺激细胞毒性T细胞分化、产生穿孔素使靶细胞溶解死亡。糖尿病细胞免疫中，病原体特异性Th17细胞减少、Th1细胞升高，穿孔素、端粒酶和CD107a水平降低 ^[ 37 ]，细胞免疫减弱。

4．高滴度菌血症与微血栓

hvKP侵入血管后，高血糖环境促使细菌迅速繁殖。细菌滴度越高，越易于扩散 ^[ 2 ]。实验观察到，hvKP皮下感染48 h后血中细菌滴度为10 ⁴～10 ⁵ CFU/ml ^[ 38 ]，鼻内感染或静脉感染滴度为10 ⁵ CFU/ml ^[ 39 ]，均高于大多数菌血症滴度(1～10 ² CFU/ml)。高糖环境hvKP菌血症滴度增加，糖尿病患者血管内皮受损，其完整性被破坏，菌血症期间hvKp进一步转移性种植。hvKP感染和高血糖环境均可以引起血栓。hvKP细菌细胞外泌体抑制内皮保护因子核糖核酸酶1(ribonuclease 1，RNase1)，造成内皮细胞功能障碍 ^[ 40 ]。NO通过抑制血小板聚集、炎症细胞因子表达、血管平滑肌过度增生发挥血管保护作用，糖尿病胰岛素抵抗促使内皮细胞产生NO减少，内皮功能障碍 ^[ 41 ]。内皮功能障碍常伴随动脉粥样硬化，血管狭窄便引发湍流、机械压力刺激，其于高血糖环境下可活化血小板表面整合素αllbβ3，并形成过度血栓 ^[ 42 ]。糖尿病中血小板活化增加、促凝血蛋白活性升高以及纤溶系统功能受损，引发凝血功能障碍 ^[ 43 ]，血栓形成增加。

二、糖尿病患者易感hvKP微生物因素

1．碳源代谢

高糖环境促使hvKP碳源代谢控制系统—磷酸转移酶系统(phosphoenolpyruvate-dependent phosphotransferase system，PTS)优先利用葡萄糖 ^[ 44 ]，并抑制腺苷酸环化酶，减少cAMP合成 ^[ 45 ]。cAMP-CRP复合物是激活多种分解代谢基因的先决条件，调控hvKP多种毒力因子包括荚膜、高黏液表型、外膜蛋白A、Ⅲ型菌毛。荚膜是hvKP主要毒力因子之一，具有逃避吞噬、减弱补体和特异性抗体结合作用 ^[ 1 ]。CRP既能直接抑制荚膜多糖基因的转录，也能抑制荚膜多糖基因转录蛋白RcsA，进而间接抑制荚膜合成 ^[ 46 ]。hvKP在高糖环境降低cAMP水平，cAMP-CRP复合物形成减少，荚膜合成增加。高葡萄糖环境下hvKP降低cAMP水平，过表达 rmpA，激活高黏性表型，逃避中性粒细胞结合和吞噬 ^[ 33 ]；且增加外膜蛋白A(outer membrane protein A，OmpA)产生，提高对血清杀伤抗性 ^[ 47 ]。此外，cAMP-CRP通路抑制hvKP Ⅲ型菌毛基因的转录，故高糖促进hvKP Ⅲ型菌毛表达，增强黏附及生物膜形成能力 ^[ 48 ]。hvKP在高糖环境降低cAMP水平，除调节毒力因子外，还可缩短细菌长度，短柱状hvKP更易逃避中性粒细胞吞噬 ^[ 32 ]。

2．铁代谢

hvKP定植和感染需要消耗铁进行复制，铁载体螯合宿主蛋白是hvKP获取铁的主要方式。摄入足量铁是hvKP高毒力的重要因素之一 ^[ 49 ]，hvKP在缺铁环境中表达大量铁载体，以保证铁摄取，沉默铁载体表达后hvKP毒力显著降低 ^[ 50 ]。当hvKP侵入健康人体上皮细胞，上皮细胞加强铁泵蛋白(ferroportin，Fpn)介导铁外排，降低胞内铁水平，限制hvKP铁摄入以抵抗感染 ^[ 51 ]。糖尿病由于铁代谢紊乱导致铁过载 ^[ 52 ]，细胞内富铁为hvKP生长提供材料，富铁环境下hvKP侵袭、增殖、形成生物膜能力均提升，毒力显著增强 ^[ 49 ]。此外，hvKP铁载体直接诱导宿主产生炎症因子IL-6、CXCL-1、CXCL-2，进而增加血管通透性和促进细菌转移扩散 ^[ 53 ]，也是糖尿病易感hvKP重要机制。

三、结语与展望

糖尿病患者是hvKP主要易感人群，尤其是血糖控制不良者，其机制涉及宿主和微生物两个方面，具体包括：糖尿病患者黏膜屏障被破坏、定植菌易位增加、免疫异常、高滴度菌血症与微血栓形成；高糖环境影响hvKP碳源代谢和铁代谢，从而增强hvKP的毒力和逃逸能力。深入揭示糖尿病患者hvKP的易感机制，对于有效预防我国糖尿病患者hvKP感染的发生具有重要意义。

引用：蒋璐,王锐英,魏双,等. 糖尿病患者易感高毒力肺炎克雷伯菌机制的研究进展[J]. 中华微生物学和免疫学杂志,2024,44(06)：560-564.