新生儿细菌性脑膜炎常见病原菌跨膜机制的研究进展

2021-11-30韦冰梅韦巧珍陈玉君

广西医学 2021年2期

韦冰梅韦巧珍陈玉君

(广西医科大学第二附属医院儿科，南宁市 530007，电子邮箱：weibingmeiyikeda@163.com)

【提要】新生儿细菌性脑膜炎是对新生儿伤害较大的感染性疾病，常并发于新生儿败血症。虽然近年来其发病率有所下降，但其病死率和致残率仍较高。在不同的国家和地区，新生儿细菌性脑膜炎的常见病原菌有所不同。了解病原菌进入中枢神经系统的机制，针对常见病原菌进行早期有效的干预至关重要。目前，有关新生儿细菌性脑膜炎常见病原菌，如大肠埃希菌、无乳链球菌、肺炎链球菌等，进入中枢神经系统机制的研究已取得一些进展，本文就此进行综述。

全球每年约有290万新生儿死亡，在所有的死亡原因中感染位居前列[1]。细菌性脑膜炎亦称化脓性脑膜炎，是对新生儿伤害较大的感染性疾病，常并发于新生儿败血症。该病在发达国家的发病率为0.3‰，病死率为10%～15%，而发展中国家的发病率为0.8‰～6.1‰，病死率则高达40%～58%[2-3]。尽管20世纪70年代以后，新生儿细菌性脑膜炎发病率呈下降趋势，国内近10年文献报告新生儿细菌性脑膜炎总体病死率仍接近10%[4-7]。掌握常见病原菌并了解其作用机制有利于新生儿细菌性脑膜炎的预防及早期干预，对改善患儿预后有着重要意义。笔者将围绕新生儿细菌性脑膜炎常见病原菌跨越血脑屏障进入中枢神经系统的机制的研究进展做一综述。

1 新生儿细菌性脑膜炎的发病机制

血脑屏障通过调节分子进出大脑的过程来维持神经微环境稳定，保护大脑免受来自血液循环的微生物和毒素的侵害。血脑屏障由脑微血管内皮细胞(brain microvascular endothelial cell，BMEC)、内皮细胞间的紧密连接、黏附连接、血管基底膜、周细胞及星型胶质细胞终足组成[8]。血脑屏障结构的特殊性：(1)人BMEC之间的连接不同于其他毛细血管内皮细胞间的普通连接，其细胞间有高电阻的紧密连接，而且BMEC胞饮小泡极少，限制了大分子溶质在细胞间的通行。(2)紧密连接蛋白为跨膜蛋白，是内皮细胞间屏障的主要结构蛋白，通过闭锁小带蛋白家族与内皮细胞骨架蛋白相连接，与内皮细胞共同形成完整的屏障结构，阻碍水溶性分子及离子通过血脑屏障。(3)血管基底膜是由Ⅳ型胶原、硫酸肝素蛋白聚糖、层连蛋白和纤维连接蛋白组成的连续性基底膜，包绕周细胞和人BMEC，它的外层还被星形胶质细胞的终足包绕，形成鞘结构包绕脑微血管[8]。

细菌入侵脑组织的前提是血脑屏障结构和功能的破坏。目前，人BMEC阻止微生物穿越屏障的机制仍未完全明确。体内存在炎症反应时，大量炎性细胞进入脑组织后，产生大量基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)和促进MMP表达增强的多种细胞因子(如肿瘤坏死因子α、白细胞介素1、白细胞介素6、血管内皮生长因子等)。MMP能分解细胞外基质从而破坏人BMEC，导致微生物得以入侵[9]。星形胶质细胞和周细胞有助于维持人BMEC的屏障功能，但其阻碍微生物跨越的机制尚未明确。有研究表明，星形胶质细胞和周细胞对大肠埃希菌入侵的屏障作用是最小的；星形胶质细胞的抗菌活性(如吲哚胺2,3-双加氧酶活性)和周细胞对脑内皮细胞信号转导通路的调节可能影响屏障的微生物穿越[10]。

2 新生儿细菌性脑膜炎的常见病原菌

在发达国家，新生儿细菌性脑膜炎最常见病原菌依次为B群链球菌(group BStreptococcus，GBS)、大肠埃希菌、单核细胞增生性李斯特菌；足月儿早发型、晚发型细菌性脑膜炎最常见的病原菌分别为GBS、大肠埃希菌(K1型)；而早产儿早发型、晚发型细菌性脑膜炎最常见的病原菌均为大肠埃希菌[11-12]。发展中国家新生儿细菌性脑膜炎的常见病原菌为革兰阴性杆菌、肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌[13]。我国多中心研究表明，早发型新生儿细菌性脑膜炎常见的病原菌有金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌，晚发型最常见病原菌为大肠埃希菌[4-5,7]。

3 病原菌穿过血脑屏障的机制

病原菌通过细胞屏障的形式主要有3种：直接跨越细胞、穿越细胞间的连接、潜在吞噬细胞内穿过(特洛伊木马机制)。病原菌在穿越细胞屏障过程中，可通过受体配体机制、宿主肌动蛋白细胞骨架重排及其他不同信号介导通道激活，调节细胞内的运输过程以避免被溶酶体融合，从而侵袭人BMEC并穿越血脑屏障。不同病原菌穿越人BMEC的方式不同。

3.1 大肠埃希菌引起新生儿细菌性脑膜炎的大肠埃希菌菌株中，80%以上含有K1荚膜。K1荚膜在中枢神经系统中具有抗血清、抗吞噬体自溶、阻止溶酶体融合的作用。目前明确的参与K1型大肠埃希菌与人BMEC黏附的菌毛为Ⅰ型菌毛，在Ⅰ型菌毛功能缺失的情况下，其侵袭人BMEC的能力下降。与大肠埃希菌侵袭人BMEC相关的蛋白和基因为：外膜蛋白A(outer membrane protein A，OmpA)、Ibe蛋白、AslA基因、TraJ基因和细胞毒性坏死因子1(cytotoxic necrotizing factor 1，CNF1)等[14]。K1型大肠埃希菌侵袭人BMEC的过程较为复杂，当机体出现严重菌血症时，其在上述侵袭相关蛋白和基因的作用下，通过受体-配体(胞吞转运)机制、宿主肌动蛋白细胞骨架重排及其他不同信号介导通路激活的情况下侵袭人BMEC并穿越血脑屏障[15]。其中，OpmA与内皮细胞上的受体糖蛋白96相互作用侵入人BMEC，其相互作用使人BMEC中过氧化物酶体增殖物激活受体γ和葡萄糖转运体1的水平下调，破坏血脑屏障完整性并抑制葡萄糖摄取；同时，它还能结合C4结合蛋白，后者是一种经典的补体通路调节剂，可阻断补体级联反应，从而避免了免疫细胞的识别和溶菌[15]。而CNF1基因作为AB型细菌毒素，可通过激活Ras同源基因家族——Rho GTP酶，使肌动蛋白F聚合能力增加，从而使细胞骨架发生重排，最终使大肠杆菌入侵人BMEC[16]。

3.2 GBS 目前已确定的GBS血清型共有10种，其中Ⅲ型与脑膜炎相关。目前认为GBS侵袭人BMEC主要涉及几个步骤：毒力因子的黏附，细菌的胞吞作用，BMEC的损伤和炎症机制破坏血脑屏障的完整性。其中，侵袭人BMEC的毒力因子包括黏附素脂磷壁酸(lipoteichoic acid，LTA)、β-溶血素/溶细胞素、菌毛、透明质酸酶、富含丝氨酸的重复蛋白(serine-rich repeat protein，Srr)等[17]，其相关的作用有：(1)LTA与细胞膜有高度亲和力，与细胞表面受体结合后可增强细菌对细胞的黏附性。(2)β-溶血素/溶细胞素能诱导上皮细胞和内皮细胞的溶细胞损伤，使巨噬细胞凋亡，并通过刺激与中性粒细胞聚集和激活相关的因子(如白细胞介素8和细胞间黏附分子1)，促进中性粒细胞穿越人BMEC单层膜[18]。 (3)菌毛尖端的黏附至关重要。动物实验表明，菌毛尖端的黏附可促进中性粒细胞释放白细胞介素8、白细胞介素6、趋化因子1、趋化因子2、趋化因子C-C-基元配体20，从而导致血脑屏障的通透性增加；反之，菌毛缺陷突变体的小鼠中性粒细胞浸润减少，炎症因子的表达降低，死亡延迟[19]。(4)透明质酸酶能分解细胞外基质成分，协助细菌在组织中扩散[18]。(5)Srr是具有黏附功能的糖蛋白，介导GBS与人血中的纤维蛋白原的结合，使GBS附着到宿主脑内皮细胞，对脑膜炎的发生起重要作用[20]。

3.3 单核细胞增生性李斯特菌该菌为食源性病原菌，多侵犯免疫受损的个体，共有13种血清型，其中能引起人类疾病的血清型是1/2a型、1/2b型和4b型。单核细胞增生性李斯特菌侵入中枢神经系统的机制包括：(1)寄生在吞噬细胞中通过跨细胞穿过血脑屏障。单核细胞通过某种信号被募集到中枢神经系统，受感染的白细胞黏附于中枢神经脉管系统的内皮细胞，允许细菌从吞噬细胞到BMEC的细胞间传播；此外白细胞可以转移并递送细菌到中枢神经系统实质。(2)通过细胞外血行扩散直接入侵BMEC。血源性细菌被吞噬到吞噬体内后，可延缓吞噬体成熟及靶向降解吞噬体外膜，并通过李斯特菌溶素O与磷脂酶A及B的协同作用快速裂解酸化吞噬体的外膜，从而自由地存在于细胞质，并可复制和获得基于F-肌动蛋白的细胞内运动，随后通过细胞间扩散侵入相邻细胞，由此侵入BMEC，然后侵入包括神经元和小胶质细胞在内的周围细胞或逃逸到蛛网膜下腔。(3)通过颅神经轴突向大脑逆行迁移。当咀嚼食物时，细菌被接种到口腔组织中；组织巨噬细胞或血液吞噬细胞聚集到感染组织中，吞噬细菌，并被胞内细菌寄生，这些细菌通过细胞间传播侵袭颅神经轴突；细菌通过神经轴突逆行，最终到达中枢神经系统，并继续在实质中进行细胞间传播[21-22]。

3.4 肺炎链球菌肺炎链球菌在鼻腔内定植是发病的第一步。肺炎链球菌可从鼻咽逐渐侵犯到内耳腔、肺部或侵入组织内以进入血液，分别引起中耳炎、肺炎或败血症。一旦肺炎链球菌通过血源传播，就会先通过血脑屏障或血液-脑脊液屏障侵入中枢神经系统。研究显示，肺炎链球菌在血脑屏障的初始易位发生在蛛网膜下腔血管的血管内皮上[23]。肺炎链球菌可以通过胞吞作用穿越血脑屏障，并可通过球菌溶菌素破坏脑内皮细胞进入中枢神经系统：肺炎链球菌通过胆碱依赖结合蛋白A与内皮细胞上促炎细胞因子(肿瘤坏死因子α和白细胞介素1)激活的血小板活化受体结合；结合的细菌被吞饮内化到囊泡中，囊泡中的细菌部分随囊泡到达细胞基底面，血小板活化受体可被释放，成为新的结合靶位点，以不断循环使用[24]。肺炎链球菌通过多种结构穿越血脑屏障导致脑膜炎发生，包括[9]：(1)荚膜是200～400 nm厚的多糖壁，覆盖了肺炎链球菌的外部细胞壁，是细菌入侵能力的重要结构。荚膜高表达可调节免疫逃逸，抵抗吞噬细胞的吞噬作用，减少中性粒细胞趋化和补体沉积；而荚膜的低表达可促进内皮细胞黏附。(2)菌毛能使肺炎链球菌附着于内皮细胞，菌毛相关黏附素结合宿主多聚免疫球蛋白受体和血小板内皮细胞黏附分子，促进肺炎链球菌跨越血脑屏障。(3)肺炎链球菌蛋白对于细菌进入血脑屏障起到重要作用。其中，肺炎链球菌表面蛋白A表面的神经氨酸酶A可通过内皮层粘连蛋白G样凝集素促进菌毛与BMEC结合；胆碱结合蛋白A 可使补体C3失活，并结合人免疫球蛋白受体，通过内皮细胞上的多聚免疫球蛋白受体和血小板活化因子受体，促进肺炎链球菌跨越血脑屏障。(4)细胞壁成分和肺炎链球菌衍生的酶也有助于增加毒性。其中，肺炎链球菌细胞壁成分肽聚糖和硫磷酸通过Toll样受体激活了宿主的炎症反应；肺炎球菌IgA1蛋白酶切割宿主分泌型IgA，削弱其免疫保护作用；透明质酸酶降解结缔组织细胞外基质成分透明质酸，增加毒力；丙酮酸氧化酶基因介导过氧化氢的产生，使其在微生物竞争中具有竞争优势。(5)肺炎链球菌溶血素具有溶细胞作用，干扰脑室管膜纤毛，对上皮和内皮细胞都有直接的细胞毒性作用，并触发小胶质细胞和神经元细胞死亡；溶菌素还可影响神经胶质细胞，改变星形胶质细胞结构并增加血脑屏障的通透性[18]。

3.5 其他病原菌金黄色葡萄球菌穿血脑屏障的机制的相关研究报道较少，其可能通过表面结构蛋白等毒力因子，使细菌黏附和侵入宿主血管内皮细胞，此外毒力因子导致促炎细胞因子、氧化应激和转录因子蛋白核因子κB激活，从而破坏内皮屏障完整性，并减少紧密连接蛋白的表达[25]，进而侵入中枢神经系统。其他病原菌，如大部分革兰阴性菌可以通过表面黏附分子靶向黏附连接蛋白和血管内皮钙黏着蛋白，从而使脑内皮细胞信号转导增强细胞旁易位；其还可能会通过释放宿主MMP-8破坏紧密连接，发展为细胞旁渗透[20]。