作者:王 贺,郭丽新,李 静,康治臣等，吉林大学第二医院康复医学中心

细菌性脑膜炎是一种中枢神经系统炎症性疾病,是中枢神经系统的严重感染,诊断的金标准是脑脊液中检出细菌[1]。蛛网膜下腔感染可导致脑脊液炎症、脑膜刺激以及头痛、发热和脑膜炎的临床三联征[2]。有数据显示,每年有超过20万人患有链球菌性脑膜炎[3],链球菌感染目前已经成为引发泰国和越南成人脑膜炎的主要原因。但在常规诊断程序中,诱发该病的部分病原体未被完全发现,机制不明,因此经常被忽视,导致诊断困难[4],常常延误最佳的治疗时机,致使病人愈后较差,经常伴随永久性听力功能障碍等神经后遗症[5-6],严重危害公共卫生安全。因此,为了更快速精准的诊断疾病、优化干预治疗措施,降低患者脑损伤,并最大限度地提高患病人群的生活质量,必须对链球菌性脑膜炎有更全面的了解。尽管已经研究了数十年,但脑损伤和伴发严重神经后遗症背后的机制尚未完全了解。因此,需要进一步研究链球菌性脑膜炎的发病机制。

1 链球菌微生物学性状

链球菌是一类常见的革兰氏阳性菌,菌体为球形或卵圆形,链状排列,多为需氧或兼性厌氧菌[7]。目前已知有69个种和亚种,广泛分布于自然界和人体的鼻咽部、胃肠道等处,可诱发人和动物患败血症、脑膜炎、关节炎等疾病[5,8]。根据血琼脂平板上的溶血模式区分,链球菌主要分为甲(α)型、乙(β)型、丙(γ)型3种。根据细胞壁中多糖抗原结构不同,又可分为A、B、C等18族,其中A族是引发人类患病的主要致病菌。链球菌的致病性和其本身的毒力因子有很大的相关性。链球菌可产生多种毒力因子,包括促进宿主细胞黏附、定植和侵袭的多糖荚膜、细菌毒素、表面蛋白和酶以及转录因子和调控系统等,这些毒力因子有助于破坏组织使感染扩散,部分毒力因子在疾病中的作用已阐明。

2 链球菌性脑膜炎流行病学

链球菌可引发呼吸道感染和多种高死亡率的侵袭性感染,最为严重的就是脑膜炎。临床表现为头痛眩晕,颈部强直,共济失调,口吐白沫,发烧,恶心,耳聋等,并常伴有耳蜗损伤、脑水肿、脑积水和脑血管等并发症[9],致残率、致死率高。根据世界卫生组织(WHO)的数据,链球菌性脑膜炎在世界范围内发生,可感染所有年龄段的人,2017年预估有1000万例病例,2015年有300000人死亡[10]。据统计,细菌性脑膜炎在发达国家的发病率为每年2.6~6例/100000名成人,低收入地区的发病率要高出数倍[11]。链球菌性脑膜炎相对患病率因地理位置和季节而异,常见于热带和亚热带,或高发于夏季[12]。肺炎链球菌是细菌性肺炎的最常见病因,也是败血症和脑膜炎的常见病因[13]。无乳链球菌(B组链球菌)是新生儿侵袭性感染的主要原因,可能是在分娩过程中,婴儿吸入阴道内容物或羊水所致[14]。猪链球菌也可引起严重感染,如脑膜脑炎和全身性败血症等,1998年江苏省和2005年四川省爆发人类感染猪链球菌事件,据统计,两次疫情共有230人感染,52人死亡,引起了全世界的重视[15]。

3 链球菌性脑膜炎发病机制

链球菌性脑膜炎是一种严重的感染性疾病,多达一半的幸存者留下了永久性的神经系统后遗症,发病机制基于复杂的宿主-病原体相互作用[16]。研究表明,链球菌性脑膜炎的发生发展主要经过以下4个相互关联的阶段:(1)链球菌进入血液;(2)链球菌在血液中存活;(3)链球菌定植脑部并穿过血脑屏障;(4)链球菌诱导脑内过度炎症,损伤神经系统[4,7,16-17]。

3.1 链球菌进入血液

链球菌引起脑膜炎的先决条件是进入血液并在血中存活[4]。研究表明,链球菌多通过呼吸道、胃肠道以及皮肤破损等途径侵入宿主[18]。链球菌入血的途径主要分为两大类。一是通过皮肤破损处直接进入血液;二是先定植于黏膜表面,后通过黏膜入血。呼吸道黏膜分泌免疫球蛋白A(ImmunoglobulinA,Ig A)抗体抑制微生物的黏附以及渗透到黏膜组织。许多脑膜炎病原体通过分泌高度特异性的金属蛋白酶,让细菌利用特定的Ig A1抗体来逃避宿主防御[19-20]。此外,一些细菌还可以通过与细胞外基质蛋白结合,例如层黏连蛋白、胶原蛋白或纤连蛋白,以促进侵入宿主前的初始附着,进而入血,并在血液中大量繁殖[21]。

3.2 链球菌在血液中存活

链球菌主要依靠相关的毒力因子包括细菌表面结构、表面蛋白、细菌毒素、酶、双组分调控系统和转录调节因子等因素在血液中存活。例如肺炎链球菌表面有黏附素等黏附因子,黏附素胆碱结合蛋白A(choline-bindingproteinA,Cbp A)与细胞表面的聚合免疫球蛋白受体(polymericimmunoglobinreceptor,p Ig R)结合,诱导信号转导,从而引发细菌在鼻咽上皮上的易位,致使细菌紧密附着或被宿主细胞内化[16];B组链球菌(Group B Streptococcus,GBS)通过表面的唾液酸荚膜限制补体沉积,降低免疫细胞募集,同时可以减少血小板的活化,进而免疫逃逸[7]。这种保护机制通过阻断趋化补体(Complement Component5a,C5a)的产生来减少免疫细胞的募集,毒力因子链球菌外毒素B(StreptococcalC5apeptidase B,Scp B)是GBS表面的C5a肽酶,可以切割补体系统的C5a片段[22]。此外,GBS表面的唾液酸可以与血小板上的免疫球蛋白样凝集素(siglecs)结合,减少血小板活化[23]。双组分调控系统(CoronavirusSpike/Receptor,Cov S/R,CellularImmunityandAntibody Response/Host,Cia R/H)调节与细胞内存活和抵抗先天免疫反应密切相关的许多重要基因的表达[24];猪链球菌通过DNA酶、双组分系统Vir R/Vir S和Nis K/Nis R以及转录调节因子代谢物控制蛋白A(catabolitecontrolproteinA,Ccp A)等因子,抵御中性粒细胞的吞噬和清除作用,增加细菌在血液中的存活[25]。链球菌逃避机体免疫系统的防御,并逐渐占据生存优势后,会在血液中大量繁殖,细菌随着血液循环至全身脏器,并在各组织中定植,诱发机体菌血症,严重可导致败血症或中毒性休克综合征。

3.3 链球菌定植脑部并穿过血脑屏障

链球菌菌血症进一步发展可能导致宿主患脑膜炎。然而,机体对于神经系统有特定的保护,链球菌需穿越两种不同的细胞屏障,即血脑屏障(BloodBrainBarrier,BBB)和血-脑脊液屏障[Blood-Cerebrospinal Fuidl(BSF)Barrier,B-CSFB]才能到达脑脊髓部分或脑实质,诱发脑膜炎。BBB是由脑微血管内皮细胞(Brain Microvascular EndothelialCells,BMEC)、周细胞、星形胶质细胞(Astrocytes,AS)和基底层形成的结构和功能屏障,其中BMEC和AS占比更高[26-27]。它是调节分子进出大脑的通道,严格调节营养物质和分子的流动,确保中枢神经系统内的稳态,并保护大脑可以免受血液循环中有害微生物的侵害[27]。链球菌可以经过3种途径突破血脑屏障,即跨细胞途径、细胞旁途经和特洛伊木马途径。病原菌直接损伤脑微血管内皮细胞,通过细胞内化方式跨越细胞。例如链球菌通过溶血素、烯醇化酶等毒力因子与宿主细胞上的不同受体结合,诱导内皮细胞凋亡、损伤,增加BBB通透性[28-29]。细胞旁途经则是通过破坏细胞间的连接以及诱导细胞损伤来实现的[30]。肺炎链球菌和猪链球菌都是由胆固醇依赖性细胞溶解素溶菌素和甘油3-磷酸氧化酶(Glycerol3-phosphateoxidase,Glp O)介导BBB损伤,该酶产生H2O2从而引起脑微血管内皮细胞凋亡[31]。透明质酸酶也可能通过降解细胞外基质的成分而引起脑膜炎[32]。GBS通过改变脑组织的蛋白质组学特征,从而降低BBB完整性的蛋白质水平[33]。蜗牛家族转录抑制因子1(Snailfamilytranscriptionalrepressor1,SNAI1) 是一种转录阻遏因子,研究表明,GBS感染后,SNAI1表达上调,进一步诱导BBB细胞中紧密连接成分Occludin、Claudin-5和ZO-1(ZonulaOccludens-1)的表达降低[34],促进链球菌穿越BBB。而特洛伊木马途径主要是借助于链球菌感染的吞噬细胞来实现。DORAN等[35-36]的研究表明,B组链球菌的β溶血素会刺激BMEC产生多种趋化因子和细胞因子,致使机体内中性粒细胞大量募集并激活,从而借助中性粒细胞的吞噬作用穿越BBB。也有研究表明,在猪链球菌感染宿主后,人THP-1单核细胞(THP-Monocytic Cll Lnee i,THP-1)上的细胞黏附分子(Intercellular Adhesion Molecule 1,ICAM-1)、CD11a/CD18和CD11c/CD18上调,而这些受刺激的单核细胞对内皮细胞的黏附显著增加[37]。跨细胞途径是绝大多数链球菌突破BBB的方式。

B-CSFB的基础是由脉络丛和软脑膜微血管组成,脉络丛血管内皮呈栅栏状排布,缺乏紧密连接和神经胶质界限,有利于血细胞和不同分子被动转运到基质中[38]。研究表明,链球菌与毛细血管内皮相互作用,穿过单层室管膜细胞,进而穿过脉络丛和中枢神经系统屏障的毛细血管侵入蛛网膜下腔,诱发脑膜炎[39]。

3.4 链球菌诱导脑内过度炎症,损伤神经系统

链球菌突破BBB和B-CSFB进入中枢神经系统后,在脑脊液中大量繁殖,脑内的驻留免疫细胞(如小胶质细胞)就会激活,识别病原菌。此外,粒细胞和单核细胞/巨噬细胞等免疫细胞被募集和浸润到受感染的脑实质中,引发强烈的免疫反应,导致过度炎症的发生,致使神经元明显受损甚至死亡[9,40]。中性粒细胞向脑脊液迁移是细菌性脑膜炎的一个重要特征,会增加炎症对大脑的侵害。研究表明,大量免疫细胞的募集与激活,会释放大量的细胞因子和促炎因子,肿瘤坏死因子α(TNF-α)和白介素1(IL-1)是最先被启动的因子,通常在协同作用中触发级联炎症介质,包括其他白介素、趋化因子、血小板活化因子(Platelet-Activating Factor,PAF)、前列腺素、基质金属蛋白酶(Matrix Metalloproteinase,MMPs)、一氧化氮和活性氧自由基等,促炎细胞因子和细胞毒性物质的级联反应,导致皮质和皮质下结构的组织损伤[40-42]。髓样细胞触发受体1(Triggering Receptor Expressed on Myeloid Cells1, TREM-1)是一种在中性粒细胞和单核细胞上高水平表达的激活受体。研究表明,TREM-1在细菌的急性炎症反应中具有关键功能,可介导炎症反应放大[43-44],导致免疫细胞过度浸润。产生过度炎症,损伤神经系统。RAJAGOPALAN等[45]的研究发现,活性氧(ReactiveOxygenSpecies,ROS)在脑膜炎神经损伤过程中也发挥了重要作用。当中性粒细胞、巨噬细胞和小胶质细胞在炎症爆发过程中被激活时,ROS的形成增加。炎症爆发是在免疫细胞的吞噬作用、细菌产物的直接刺激或TNF-α作用下触发的,是质膜结合NADPH氧化酶的激活结果,NADPH氧化酶催化O-2和其他ROS的增加形成[45]。脑膜炎继发的许多损伤,如血管内皮细胞损伤、大脑炎症、缺血/再灌注损伤、神经元凋亡和兴奋性毒性神经元损伤,都与ROS的产生有关[45-46]。促炎细胞因子的产生是由转录因子(nuclearfactorkappa-B,NF-κB)控制的,而该因子也被ROS调节[47]。因此,合理推测ROS可能不仅直接参与脑损伤,还可能通过激活MMPs或上调促炎细胞因子参与脑损伤。

4 发病机制在临床诊断中的意义

链球菌性脑膜炎的临床诊断困难,因为许多疾病都表现出相似的症状。目前,该病诊断的金标准是脑脊液检查,但该方法弊端是若采样前患者就已经进行了抗生素治疗,识别病原体的可能性就会大大降低,导致诊断更加困难。因此,随着分子技术的发展,PCR快速检测等方法应用逐渐增加。此外,各种分子生物标志物逐渐被应用到临床辅助诊断中,而这些标志物多数与链球菌感染的发病机制相关。链球菌性脑膜炎患者脑脊液中促炎细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8和IL-12以及抗炎细胞因子IL-10显著升高[7]。血清C反应蛋白和降钙素原的浓度与急性细菌性脑膜炎有关,且具有高度的敏感性[48]。脑脊液髓样细胞上表达的受体(solubleTriggering ReceptorExpressedon Myeloid Cells 1,s TREM-1)是细菌性脑膜炎存在的生物标志物,研究表明,s TREM-1在脑脊液中的敏感性为73%[49]。IFN-γ和髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)以及血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)作为标志物,在细菌性脑膜炎诊断中的特异性为100%,敏感性为91.3%[50]。除此之外,还有许多生物标志物被作为链球菌型脑膜炎的诊断候选物,如MMP-9、补体成分2(Complement Component2,CC2)、趋化因子配体10(C-X-Cmotifchemokine10,CXCL10)、粒细胞集落刺激因子(Granulocyte Clono y-Stimulating Factor,GCSF)、神经胶质纤维酸性蛋白(Glialfibrillaryacidicprotein,GFAP)、丝氨酸肽酶抑制剂分支A成员3(SERPINA3)和热休克70kDa蛋白8(Heat SockhProtein70k Da8,HSPA8)等[9,26,50-51]。

5 小结与展望

链球菌性脑膜炎是一种危及生命的感染,常伴随永久性的神经后遗症,严重危害公共卫生安全。引发脑膜炎的常见链球菌主要为:肺炎链球菌、B组链球菌以及猪链球菌。综上所述,链球菌性脑膜炎的发病机制主要涉及4个步骤,而其中诱导脑膜炎发生的关键性步骤是链球菌突破血脑屏障进入神经系统,继而导致神经元的损伤以及后续一系列并发症。此外,脑膜炎发病机制涉及细菌和宿主两种因素之间错综复杂的相互作用,细菌表面结构、表面蛋白、分泌的毒力因子等均在链球菌侵入宿主过程中发挥了至关重要的作用,促进了病原菌黏附和免疫逃逸,使其进入血液并大量繁殖,继而破坏BBB结构。宿主方面,机体免疫系统识别清除链球菌对抗感染,但细胞因子的诱导、氧化应激等导致的过度炎症反而加剧了病原体的侵袭,造成神经系统的损伤,引发急性颅内并发症和永久的神经功能紊乱。因此,可以将发病机制4个阶段中发挥主要作用的细菌毒素、免疫细胞相关受体以及促炎因子和趋化因子作为脑膜炎诊断和治疗的重要靶点,对链球菌性脑膜炎进行更快速精准的诊断,以及按照不同阶段特定的靶标,将疾病危险等级分层,更好的指导临床治疗,开发有效的辅助治疗链球菌性脑膜炎的新方法。除此之外,也要持续关注脑膜炎中坏死和凋亡

损伤的分子介质,以便于更好地理解脑膜炎脑损伤的分子机制。

参考文献略。

来源：王贺,郭丽新,李静,等.链球菌性脑膜炎发病机制的研究进展[J].中国实验诊断学,2024,28(11):1369-1374.

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