第六章 细菌的感染与免疫
细菌侵入宿主机体后，进行生长繁殖、释放毒性物质等引起不同程度的病理过程，称为细菌的感染（bacterial infection）或传染。能使宿主致病的为致病菌或病原菌（pathogenic bacterium, pathogen），不能造成宿主感染的为非致病菌或非病原菌（nonpathogenic bacterium, nonpathogen）。这一概念并非绝对的，有些细菌在正常情况下并不致病，但当在某些条件改变的特殊情况下可以致病，这类菌称为条件致病菌（conditioned pathogen）或机会致病菌（opportunistic pathogen）。
致病菌入侵后，在建立感染的同时，能激发宿主免疫系统产生一系列免疫应答与之对抗。其结局根据致病菌和宿主两者力量强弱而定，可为感染不形成；感染形成但逐渐消退，患者康复；或感染扩散，病人死亡。
第一节 正常菌群与条件致病菌
正常菌群自然界中广泛存在着大量的，多种多样的微生物。人类与自然环境接触密切，因而正常人的体表和同外界相通的口腔、鼻咽腔、肠道、泌尿生殖道等腔道中都寄居着不同种类和数量的微生物。当人体免疫功能正常时，这些微生物对宿主无害，有些对人还有利，是为正常微生物群，通称正常菌群（normal flora）。
微生态学（microecology）是一门研究微生物与微生物、微生物与宿主，以及微生物和宿主与外界环境相互依存、相互制约的学科；也是研究微观生态平衡（eubiosis）、生态失调（dysbiosis）和生态调整（ecological adjustment）的一门新兴学科。
正常菌群对构成生态平衡起重要作用，其生理学意义有：
1．生物拮抗致病菌侵犯宿主，首先需突破皮肤和粘膜的生理屏障作用。其中机制之一是寄居的正常菌群通过受体和营养竞争，以及产生有害代谢产物等方式抵抗致病菌，使之不能定植（colonization）或被杀死。实验发现，以鼠伤寒沙门菌攻击小鼠，需10万个活菌才能使其致死；若先给予口服链霉素杀抑正常菌群，则口饲10个活菌就能致死。
2．营养作用正常菌群参与宿主的物质代谢、营养转化和合成。例如肠道中的大肠埃希菌能合成维生素K等，除供菌自需外，尚有多余为宿主吸收利用。因此，病人若选用的抗生素亦能杀伤大肠埃希菌，则病人将发生该类维生素的缺乏，应予以补充。
3．免疫作用正常菌群能促进宿主免疫器官的发育；亦可刺激其免疫系统发生免疫应答，产生的免疫物质对具有交叉抗原组分的致病菌有一定程度的抑制或杀灭作用。例如无菌鸡的小肠和回盲部淋巴结较普通鸡小45，小肠集合淋巴结也仅为普通鸡的40%大小。若将无菌鸡暴露在普通环境中饲养，使其建立正常菌群，则两周后免疫系统的发育和功能能提高至与普通鸡群相近。
4．抗衰老作用肠道正常菌群中的双歧杆菌有抗衰老作用。健康乳儿肠道中，双歧杆菌约占肠道菌群的98%。成年后，这类菌数量大减，代之以其他菌群。进入老年后，产生H2S和吲跺的芽胞杆菌菌类增多。这些有害物质吸收后，可加速机体的衰老过程。
此外，正常菌群可能有一定的抑瘤作用，其机制是转化某些致癌物质成非致癌性，以及激活巨噬细胞等免疫功能等。
条件致病菌正常菌群与宿主间的生态平衡在某些情况下可被打破，形成生态失调而导致疾病。这样，原来在正常时不致病的正常菌群就成了条件致病菌。这种特定的条件主要有下列几种：
1．寄居部位的改变例如大肠埃希菌从原寄居的肠道进入泌尿道，或手术时通过切口进入腹腔、血流等。
2．免疫功能低下应用大剂量皮质激素、抗肿瘤药物或放射治疗等，可造成全方位免疫功能降低。从而使一些正常菌群在寄居原位穿透粘膜等屏障，进入组织或血流，出现各种病态，严重的可导致败血症而死亡。
3．菌群失调（dysbacteriosis）是宿主某部位正常菌群中各菌种间的比例发生较大幅度变化而超出正常范围的状态。由此产生的病症，称为菌群失调症或菌群交替症（microbial selection and substitution）。菌群失调时，往往可引起二重感染或重叠感染（superinfection）。即在抗菌药物治疗原感染性疾病过程中，发生了另一种新致病菌引起的感染。原因是长期或大量应用抗菌药物后，大多数正常菌群被杀或抑制，而原处于少数劣势的菌群或外来耐药菌趁机大量繁殖而致病。引起二重感染的常见菌有金黄色葡萄珠菌、白假丝酵母菌和一些革兰阴性杆菌。临床表现为假膜性肠炎、肺炎、鹅口疮、尿路感染或败血症等。若发生二重感染，除停用原来的抗菌药物外，对检材培养中优势菌类需进行药敏试验，以选用合适类型的药物。同时，亦可使用有关的微生态制剂，协助调整菌群类型和数量，加快恢复正常菌群的原来生态平衡。
医院获得性感染医院获得性感染（hospital acquired infection）是指病人在住院期间发生的感染，通称医院内感染（nosocomial infection）。根据传染来源不同，有下列几种情况：①交叉感染，由医院内病人或医务人员直接或间接传播引起的感染；②③内源性感染，或称自身感染，由病人自己体内正常菌群引起的感染；③医源性感染，在治疗、诊断或预防过程中，因所用器械等消毒不严而造成的感染。
引起医院获得性感染的微生物可以是通常的致病菌，凡缺乏对该菌特异免疫力的患者受染后可得病。免疫力低下的患者或直接进入正常无菌部位致病的常是条件致病菌。前者引起的医院获得性感染常呈流行暴发趋势，而条件致病菌常是病人在特殊诊疗处理后感染或较严重患者二重感染的主要病原体。
第二节 细菌的致病机制
细菌能引起感染的能力称为致病性（pathogenicity）或病原性。细菌的致病性是对特定宿主而言，有的只对人类有致病性，有的只对某些动物有，有的则对人类和动物都有。不同致病菌对宿主可引起不同的病理过程，例如伤寒沙门菌对人类引起伤寒，而结核分枝杆菌引起结核病。因此，致病性是细菌的特征之一。
致病菌的致病性强弱程度称为毒力（virulence），即致病性的强度，是量的概念。各种致病菌的毒力常不一致，并可随不同宿主而异；即使同种细菌也常因菌型、菌株的不一而有一定的毒力差异。
毒力常用半数致死量（median lethal dose, LD50）或半数感染量（median infective close,ID50）表示。即在规定时间内，通过指定的感染途径，能使一定体重或年龄的某种动物半数死亡或感染需要的最小细菌数或毒素量。但由于是实验动物，且接种途径常非自然感染途径，故这类指标只能作为判断细菌毒力的参考。
致病菌的致病机制，除与其毒力强弱有关外；侵入宿主机体的菌量，以及侵入部位是否合适等都有着密切的关系。
一、细菌的毒力物质
构成细菌毒力的物质是侵袭力和毒素，但有些致病菌的毒力物质迄今尚未探明。
侵袭力致病菌能突破宿主皮肤、粘膜生理屏障，进入机体并在体内定植、繁殖和扩散的能力，称为侵袭力（invasiveness）。侵袭力包括荚膜、粘附素和侵袭性物质等。
1.荚膜荚膜具有抗吞噬和阻挠杀菌物质的作用，使致病菌能在宿主体内大量繁殖，产生病变。例如将无荚膜的肺炎链球菌注射至小鼠腹腔，细菌易被小鼠吞噬细胞吞噬、杀灭；但若接种有荚膜的菌株，则细菌大量繁殖，小鼠常于注射后24h内死亡。A群链球菌的M蛋白、伤寒沙门菌的Vi抗原，以及大肠埃希菌的K抗原等都是位于这些细菌细胞壁外层的结构，通称为微荚膜，其功能与荚膜相同。
2.粘附素细菌引起感染一般需先粘附在宿主的呼吸道、消化道或泌尿生殖道等粘膜上皮细胞，以免被呼吸道的纤毛运动、肠蠕动、粘液分泌、尿液冲洗等活动所清除。然后，细菌在局部定植、繁殖，产生毒性物质或继续侵入细胞、组织，直至形成感染。
细菌粘附至宿主靶细胞由粘附素（adhensin）介导。粘附素是细菌细胞表面的蛋白质，一类由细菌菌毛分泌，另一类非菌毛产生，而是细菌的其他表面组分。大肠杆菌的1型菌毛、定植因子抗原I（CFAI）、淋病奈瑟菌菌毛产生的是菌毛粘附素。金黄色葡萄球菌的脂磷壁酸（LTA）、A群链球菌的LTA-M蛋白复合物、苍白密螺旋体的P1-3蛋白、肺炎支原体的P1蛋白等属非菌毛粘附素。不同的粘附素与相配的靶细胞受体始能结合，粘附素受体一般是靶细胞表面的糖类或糖蛋白。例如大肠埃希菌1型菌毛粘附素与肠粘膜上皮细胞的D-甘露糖受体结合；衣原体的表面血凝素与靶细胞N-乙酰-氨基葡糖受体结合等。
细菌的粘附作用与其致病性密切相关。例如从临床标本分离出的肠产毒素型大肠埃希菌菌株大多具有菌毛，泌尿道感染的奇异变形杆菌亦如此。志愿者口服肠产毒素型大肠埃希菌的无菌毛菌株，不引起腹泻。在大鼠实验性肾盂肾炎模型中，抗特异菌毛抗体有预防作用。肠产毒素型大肠埃希菌菌毛疫苗已用于兽医界，对预防新生小牛、小猪由该菌引起的腹泻作用明显。
3．侵袭性物质有些致病菌例如志贺菌、肠侵袭型大肠埃希菌中140 MD大质粒上的inv基因，能编码侵袭素（invasin），使这些细菌能入侵上皮细胞。假结核耶氏菌和小肠结肠炎耶氏菌，亦能产生侵袭素。福氏志贺菌的virG基因所编码的Ipa、Ipb、Ipc等侵袭性蛋白，能使该菌向邻近细胞扩散。致病性葡萄球菌凝固酶，能使血浆中的液态纤维蛋白原变成固态的纤维蛋白围绕在细菌表面，犹如荚膜然可抵抗宿主吞噬细胞的吞噬作用。A群链球菌产生的透明质酸酶、链激酶和链道酶，能降解细胞间质透明质酸、溶解纤维蛋白、液化脓液等中高粘度的DNA等，利于细菌在组织中扩散。这些侵袭性物质，一般不具有毒性，但在感染过程中可以协助致病菌抗吞噬或向四周扩散。
毒素细菌毒素（toxin）按其来源、性质和作用等不同，可分为外毒素（exotoxin）和内毒素（endotoxin）两种。
1．外毒素产生菌主要是革兰阳性菌中的破伤风梭菌、肉毒梭菌、白喉杆菌、产气荚膜梭菌、A群链球菌、金黄色葡萄球菌等。某些革兰阴性菌中的痢疾志贺菌、鼠疫耶氏菌、霍乱弧菌、肠产毒素型大肠埃希菌、铜绿假单胞菌等也能产生外毒素。大多数外毒素是在菌细胞内合成后分泌至细胞外；也有存在于菌体内，待菌溶溃后才释放出来的，痢疾志贺菌和肠产毒素型大肠埃希菌的外毒素属此。
外毒素的毒性强。1mg肉毒毒素纯品能杀死2亿只小鼠，毒性比KCN大1万倍。不同细菌产生的外毒素，对机体的组织器官具有选择作用，各引起特殊的病变。例如肉毒毒素能阻断胆碱能神经末梢释放乙酰胆碱，使眼和咽肌等麻痹，引起眼睑下垂、复视、斜视、吞咽困难等，严重者可因呼吸麻痹而死。又如白喉毒素对外周神经末梢、心肌等有亲和性，通过抑制靶细胞蛋白质的合成而导致外周神经麻痹和心肌炎等。
多数外毒素不耐热。例如白喉外毒素在58—60℃经1—2h，破伤风外毒素在60℃经20min可被破坏。但葡萄球菌肠毒素是例外，能耐100℃30min。大多外毒素是蛋白质，具有良好的抗原性。在0.3%—0.4%甲醛液作用下，经一定时间，可以脱去毒性，但仍保有免疫原性，是为类毒素（toxoid）。类毒素注入机体后，可刺激机体产生具有中和外毒素作用的抗毒素抗体。类毒素和抗毒素在防治一些传染病中有实际意义，前者主要用于人工主动免疫，后者常用于治疗和紧急预防。
多数外毒素的分子结构为A-B模式，即由A和B两种亚单位组成。A亚单位是外毒素活性部分，决定其毒性效应。B亚单位无毒，能与宿主靶细胞表面的特殊受体结合，介导A亚单位进入靶细胞。A或B亚单独对宿主无致病作用，因而外毒素分子的完整性是致病的必要条件。利用B亚单位能与靶细胞受体结合后阻止受体再与完整外毒素分子结合，且B亚单位抗原性强；将B亚单位提纯制成疫苗，有可能预防相关的外毒素性疾病。
根据外毒素对宿主细胞的亲和性及作用方式等，可分成神经毒素、细胞毒素和肠毒素三大类。
细菌的外毒素多数为A-B型分子结构，这类外毒素的作用机制不完全相同，又可分为几种类型：
（1）具腺苷二磷酸核糖基转移酶活性的毒素：这类毒素通过转移烟酰胺腺苷二核苷中的腺苷二磷酸（ADP）核糖，核糖基化真核细胞中腺苷环化酶复合物中的鸟嘌呤核苷结合蛋白。例如百日咳毒素和铜绿假单胞菌毒素A靶向的延伸因子-2（EF-2）是三磷酸结合蛋白；肉毒梭菌C2毒素使肌动蛋白结合至腺苷三磷酸；肉毒梭菌C3毒素即ADP核糖基转移酶，靶向小分子鸟苷三磷酸结合蛋白Rho和Rac。这类毒素都为A-5B结构，即每一外毒素分子由1个A亚单位和5个B亚单位组成。包括有霍乱肠毒素、大肠埃希菌不耐热肠毒素、百日咳毒素等。
（2）RNA糖基化酶毒素：这类毒素的分子结构式为A-5B。例如痢疾志贺菌产生的志贺毒素和大肠埃希菌0157：H7产生的Vero毒素。它们的A亚单位与蓖麻毒素蛋白的A亚单位具有同源性。A亚单位的N糖苷酶，直接作用于靶细胞核糖体的60S亚单位，使28S RNA近3ˊ端的特殊嘌呤残基脱嘌呤。
（3）钙调节蛋白依赖性腺苷酸环化酶毒素：炭疽毒素属此类毒素。它由保护性抗原（PA）、水肿毒素（EF）和致死毒素（LF）三部分组成。单一组分无毒性，PA和EF可引起实验动物皮肤水肿，PA和LF则使动物迅速死亡。PA和EF或LF反应产生完全的水肿毒素或致死毒素，符合A-B结构模式。水肿因子是一种钙调节蛋白依赖性腺苷酸环化酶，进入靶细胞后导致cAMP水平增高。致死毒素是炭疽病死亡的主要毒力因子，它可能是一种金属蛋白酶。
（4）具锌结合内肽酶活性的神经毒素：这类毒素的代表是肉毒神经毒素（BoNT），其结构和功能与破伤风痉挛毒素（TeTx）相似。BONT和TeTx产生时为单一多肽，经蛋白酶水解成由二硫键连接的双链毒素。100kDa重链与神经元受体结合，50kDa轻链封闭神经递质的释放。这两种毒素均为锌内肽酶，其靶分子是神经元膜内的小突触泡蛋白（synaptobrevin），毒素可将之切割、降解而失活。锌内肽酶活性位于这些毒素的轻链，若锌结合基序发生突变则其活性丧失。
（5）其他梭菌外毒素：艰难梭菌可产生毒素A（肠毒素）和毒素B（细胞毒素）。毒素A和B的靶分子是Rho，其作用机制尚不清楚。
外毒素的分子结构不是A—B型模式的尚有：
（1）损伤细胞膜的毒素：有两种类型。一种具有磷脂酶活性。例如产气荚膜梭菌的α毒素是磷脂酶C；金黄色葡萄球菌的β毒素是鞘磷脂酶；水肿梭菌的β毒素是卵磷脂酶等。这些毒素消化靶细胞膜的磷脂组分而引起细胞溶解。另一种是毒素本身嵌进细胞膜，使形成小孔。例如金黄色葡萄球菌α毒素通过在靶细胞上打孔而损伤细胞；产气荚膜梭菌β毒素与金黄色葡萄球菌α毒素具有同源性，是一种孔形成毒素；链球菌溶素O是结合于靶细胞膜胆固醇的孔形成毒素，在寡聚化后形成小孔。
（2）激素样作用的毒素：例如大肠埃希菌耐热肠毒素ST-1能活化肠粘膜上的鸟苷环化酶，使cGMP水平增加，导致腹泻。
细菌外毒素中，有一类具有超抗原（superantigen）作用。这些超抗原性外毒素主要是葡萄球菌肠毒素A-E、毒性休克综合征毒素-1、链球菌致热外毒素A-C等。这些毒素是强力的有丝分裂原，能活化一大群T细胞。它们结合至抗原递呈细胞上的MHCⅡ类分子，以及T细胞受体β区刺激T细胞，产生和释放大量IL-1、IL-2、TNF-α和IFN-γ等细胞因子。超抗原性外毒素引起的病症有毒性休克综合征、猩红热、食物中毒等，也可能与一些自身免疫病有关，例如毒性休克综合征患者常伴有关节炎、滑膜炎等并发症。
2．内毒素是革兰阴性菌细胞壁中的脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）组分，只有当细菌死亡裂解或用人工方法破坏菌体后才释放出来。螺旋体、衣原体、支原体、立克次体亦有类似的LPS，有内毒素活性。
内毒素的分子量大于10万，其分子结构由O特异性多糖、非特异核心多糖和脂质A三部分组成。
内毒素耐热，加热100°C经1h不被破坏；需加热至160°C经2-4h，或用强碱、强酸或强氧化剂加温煮沸30min才灭活。不能用甲醛液脱毒成类毒素。内毒素注射机体可产生相应抗体，但中和作用较弱。
内毒素LPS能刺激巨噬细胞、血管内皮细胞等产生IL-1、IL-6、TNF-α及趋化因子等。小量内毒素诱生的这些细胞因子，可导致适度发热、微血管扩张、炎症反应等对宿主有益的免疫保护应答。但当革兰阴性菌进入血循环发生败血症时，内毒素大量释出，诱生的细胞因子过量，常致患者休克甚至死亡。高浓度的内毒素也可激活补体替代途径，引发高热、低血压，以及活化凝血系统，最后导致弥散性血管内凝血（disseminated intravascular coagulation,DIC）.
脂质A是内毒素的主要毒性组分。不同革兰阴性菌的脂质A结构虽有差异，但基本相似。因此，不同革兰阴性菌感染时，由内毒素引起的毒性作用大致类同。
（1）发热反应：极微量（1～5ngkg）内毒素就能引起人体体温上升，维持约4h后恢复。其机制是内毒素作用于巨噬细胞等，使之产生IL-1、IL-6和TNF-α这些具有内源性致热原（endogenous pyrogens）的细胞因子。它们再作用于宿主体下丘脑体温调节中枢，促使体温升高发热。
（2）白细胞反应：注射内毒素后，血循环中的中性粒细胞数骤减，系与其移动并粘附至组织毛细血管有关。1～2h后，LPS诱生的中性粒细胞释放因子（neutrophil releasing factor）刺激骨髓释放中性粒细胞进入血流，使数量显著增加，且有左移现象。但伤寒沙门菌内毒素是例外，始终使血循环中的白细胞总数减少，机制尚不清楚。
（3）内毒素血症与内毒素休克：当血液中细菌或病灶内细菌释放大量内毒素入血时，可导致内毒素血症（endotoxemia）。内毒素作用于巨噬细胞、中性粒细胞、内皮细胞、血小板、补体系统、凝血系统等并诱生TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8、组胺、5-羟色胺、前列腺素、激肽等生物活性物质，使小血管功能紊乱而造成微循环障碍，表现为微循环衰竭和低血压、组织器官毛细血管灌注不足、缺氧、酸中毒等。严重时则导致以微循环衰竭和低血压为特征的内毒素休克。
（4）Shwartzman现象与DIC：将革兰阴性菌培养物上清或杀死的菌体注射入家兔皮内，8～24h后再以同样或另一种革兰阴性菌行静脉注射。约10h后，在第一次注射处局部皮肤可出现出血和坏死，是为局部Shwartzman现象。若两次注射均为静脉途径，则动物两侧肾皮质坏死，最终死亡，此为全身性Shwartzman现象。该现象不是抗原与抗体结合的免疫应答反应，因两次注射仅间隔短时间，且两次注射的革兰阴性菌可为无抗原交叉者。在人类的严重革兰阴性菌感染中常出现的DIC，其病理变化和形成机制酷似动物的全身性Shwartzman现象。
二、细菌侵入的数量
感染的发生，除致病菌必须具有一定的毒力物质外，还需有足够的数量。菌量的多少，一方面与致病菌毒力强弱有关，另一方面取决于宿主免疫力的高低。因机体绝不是像装有培养基的器皿，可以允许致病菌任意繁殖。一般是细菌毒力愈强，引起感染所需的菌量愈小；反之则菌量需大。例如毒力强大的鼠疫耶氏菌，在无特异性免疫力的机体中，有数个菌侵入就可发生感染；而毒力弱的某些引起食物中毒的沙门菌，常需摄入数亿个菌才引起急性胃肠炎。
三、细菌侵入的部位
有了一定的毒力物质和足够数量的致病菌，若侵入易感机体的部位不适宜，仍是不能引起感染。例如伤寒沙门菌必须经口进入；脑膜炎奈瑟菌应通过呼吸道吸入；破伤风梭菌的芽胞进入深部创伤，在厌氧环境中才能发芽等。也有一些致病菌的合适侵入部位不止一个，例如结核分枝杆菌，呼吸道、消化道、皮肤创伤等部位都可以造成感染。各种致病菌都有其特定的侵入部位，这与致病菌需要特定的生长繁殖的微环境有关。