肺炎克雷伯菌毒力特征与耐药性的研究进展

Advances in Virulence Characterization and Drug Resistance of Klebsiella Pneumoniae

摘要: 肺炎克雷伯菌是引起社区获得性感染和医院感染的重要病原体，可引起肺部、血流、泌尿系统、中枢神经系统等全身多部位的感染。由于抗生素的不合理使用等原因，肺炎克雷伯菌呈现高毒力及多重耐药的表现，严重影响患者的治疗及预后，给临床诊疗带来严峻的挑战。本文就肺炎克雷伯菌的毒力特征与耐药性的研究进展进行综述。为临床医生的抗感染治疗和医院感染防控策略提供精准有效的理论依据。

Abstract: Klebsiella pneumoniae is an important pathogen causing community-acquired infections and hospital-acquired infections, which can lead to infections in multiple parts of the body, such as the lungs, the bloodstream, the urinary system, and the central nervous system. Due to the irrational use of antibiotics, Klebsiella pneumoniae shows high virulence and multi-drug resistance, which seriously affects the treatment and prognosis of patients, and poses a serious challenge to clinical diagnosis and treatment. In this paper, the research progress of virulence characteristics and drug resistance of Klebsiella pneumoniae is reviewed. It provides precise and effective theoretical basis for clinicians’ anti-infective treatment and hospital infection prevention and control strategies.

1. 引言

肺炎克雷伯菌(klebsiella pneumoniae, KP)是肠杆菌科细菌的一种，是常见的革兰氏阴性杆菌，广泛存在于土壤、水体和动物肠道中，通常存在于健康个体的鼻腔、咽喉、皮肤和肠道菌群中，现已成为临床中常见的机会致病菌[1] [2]。KP可引起多种感染，包括肺炎、菌血症、尿路感染、脑膜炎、肝脓肿和手术伤口感染等[3]。经过演变，KP逐渐进化并形成了2个不同的克隆组：一个呈现高毒力，即所谓高毒力肺炎克雷伯菌(hypervirulent Klebsiella pneumoniae, hvKP)，另一个呈现多重耐药，甚至碳青霉烯耐药，即所谓经典普通型肺炎克雷伯菌(classic Klebsiella pneumoniae, cKP)。由于其高分离率和致死率，已成为全球公共卫生领域关注的焦点，成为最重要的流行病学和治疗挑战。

2. 流行病学

鉴于高毒力和多重耐药菌株在世界范围内迅速传播，KP已成为公共卫生的主要问题。hvKP最初于1980年代中期在亚太地区报道，先后在北美、南美、欧洲、澳大利亚、南非等世界多个地区见诸报道，主要集中在亚太地区[4]。自1990年代以来，hvKP已成为引起化脓性肝脓肿和其他侵袭性综合征的超级细菌[5]。由于感染进展迅速，hvKP感染患者的预后较差。1997年首次报道了耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌(carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae, CRKP)后，加拿大、巴西、英国、法国、中国等很多国家陆续报道CRKP感染病例[6]。在我国通过对14个省份的25个三甲医院进行的统计研究[7]发现，检出的664例耐碳青霉烯类肠杆菌的临床样本中有73.9%为KP。据2021年中国细菌耐药性监测网数据显示，KP对亚胺培南和美罗培南的耐药率在16年内增高了近8倍[8]。除此之外，目前已有高毒性合并多重耐药的相关报道[9]，临床上更需警惕其感染的发生。

3. 相关毒力特征

3.1. 高毒力肺炎克雷伯菌

目前关于hvKP的定义尚不明确，高侵袭性是其一个重要的特征，可在年轻和健康个体中引起多种严重感染；菌落呈现高粘液型，即拉丝试验阳性；基因水平上通常携带高毒力基因，更易感染糖尿病患者[10]。与cKP相比，hvKP具有一系列毒力因子，毒力因子使其在宿主体内引发感染时表现出更高的致病性，主要包括荚膜多糖、毒素、凝集素等，毒力因子协同作用使得细菌能够黏附于宿主细胞表面、逃避宿主免疫系统的攻击，并在宿主组织中繁殖[11]。

hvKP不仅可引发肺炎、脑脊髓膜炎和尿路感染等，还可导致健康宿主非传统部位严重感染如肝脓肿、眼内炎、脑膜炎等，且在健康宿主中引发的感染更易转移、播散[12]。hvKP特别在免疫功能低下的患者中表现出高致病性，在免疫抑制患者、老年人以及接受器官移植、化疗或免疫抑制治疗等免疫功能低下的患者中，这些感染可能演变为严重且具有高致死率的情况。这些不寻常的感染增加了对hvKP感染的诊断和治疗的挑战[13]。

3.2. 相关毒力因子

hvKP菌株依靠一系列毒力因子进行生存和感染，包括铁载体、脂多糖、荚膜和毒力质粒等都是特征明确的KP毒力因子，其中占主导地位的是荚膜和铁载体[14]。两者协同使得细菌能够黏附于宿主细胞表面、逃避宿主免疫系统的攻击，并在宿主组织中生长繁殖[15]。

3.2.1. 荚膜

荚膜多糖是一种胞外多糖结构，是hvKP的一种主要表面抗原，保护细菌免受致命的血清因子和吞噬作用，使得宿主难以产生有效的免疫应答，被认为是KP的主要毒力因子[16]。迄今为止，已有100多种荚膜血清型在KP菌株中发现，它们与感染类型和疾病严重程度相关。作为KP的必需物质，荚膜多糖有82种血清型(K1~K82)。研究表明，hvKP的主要血清型主要是K1和K2 [17]。除了K1、K2型菌株外，另一种常见的K57型血清敏感性、中性粒细胞吞噬速率和生物膜形成能力均高于K1/K2，毒力更强，耐药性更高。

K1血清型主要与肝脓肿疾病有关，而K2血清型与侵袭性或血流感染相关。通常，K1和K2血清型菌株表现出显著的免疫逃逸特性，其抵抗巨噬细胞和中性粒细胞吞噬及胞内杀伤的能力显著优于其他血清型。这种强毒力特征源于多重协同机制[18]：首先，该类菌株荚膜多糖中特定甘露糖残基重复序列的缺失，阻碍了巨噬细胞表面甘露糖结合受体与肺部分泌的表面活性蛋白A (SP-A)的识别；其次，其表面表达的宿主同源唾液酸单糖通过分子拟态策略伪装成宿主自身成分，有效规避免疫监视；同时，该菌株通过调控中性粒细胞活性氧(ROS)生成通路，显著抑制宿主氧化杀伤系统的效能，从而增强组织定植能力；此外，丰富的O抗原血清型多态性为其提供了动态免疫逃避优势，使病原体能够持续突破宿主特异性防御屏障。这些综合机制共同解释了K1/K2血清型菌株在感染过程中的突出致病性。

主要有4个毒力基因对rmpA、rmpA2、iroN和iucA与荚膜多糖的合成及调控有关。其中rmpA基因调节细胞外荚膜多糖的合成，并负责表达其高黏度[19]。rmpA的消融可能导致荚膜丢失或变薄，从而降低逃避免疫反应的能力，从而导致细菌毒力降低。iroN和iucA分别负责编码铁载体需氧菌素生物合成的蛋白和铁载体受体的生物合成，其出现与毒力质粒pLVPK的存在相关。虽然侵袭性和非侵袭性hvKp分离株的毒力基因分布无显著差异，但毒力基因的高阳性率大大增加了侵袭性hvKp的毒力，使其临床治疗更加困难[20]。

3.2.2. 脂多糖

作为革兰氏阴性菌特征性组分的脂多糖(LPS)，其三级分子结构由外源性O抗原、中间寡糖核心及内层脂质A构成，该复合物同时承担内毒素的生物活性[21]。在KP中已鉴定出9种O抗原变异体，其中O1型因显著地表达优势成为临床分离株的主要抗原模式。寡糖核心通过抑制吞噬细胞效应介导细菌定植的免疫逃逸，而脂质A作为关键功能域，通过特异性拮抗抗菌肽等体液免疫因子实现宿主防御系统的中和效应。这种多级分子架构共同支撑LPS在病原微生物致病过程中的核心作用。

3.2.3. 铁元素

作为KP生存调控的核心代谢要素，铁元素获取涉及精密分子机制[22]。该病原菌通过分泌低分子配体型铁载体实现铁稳态调控，这类三价铁螯合分子在缺铁条件下经特异性转运系统完成胞内递送，突破宿主铁限制屏障并驱动感染进程。由于血浆游离铁浓度处于亚阈值水平，病原体进化出以高亲和力铁载体竞争宿主转铁蛋白结合铁的多维策略，相较于宿主转运蛋白，其铁结合系数大幅提升。高毒力株系尤其展现出铁摄取系统的功能集成特性，通过肠杆菌素、沙莫切林、耶尔森菌素及气杆菌素四类铁载体的协同作用，在规避宿主炎症防御的同时高效劫持铁资源，形成促进菌体增殖的代谢正反馈环[23]。最具代表性的为肠杆菌素(Ent)，为典型的儿茶酚酸铁载体，所有KP都能产生。需氧菌素是导致hvKP高致病性的最关键因素，需氧菌素及其同源受体由位于毒力质粒上的iucABCDiutA位点编码。在质粒上存在iutA基因，该基因编码铁载体受体，可与铁载体结合发挥作用，确保细菌摄取足够的铁维持生长和繁殖，有研究也将iutA阳性作为判断hvKP的标准之一[24]。

3.2.4. 毒力质粒

hvKP的致病优势与其携带的移动遗传元件密切相关，其中pLVPK样毒力质粒构成核心毒力调控模块[25]。基因组分析显示，该质粒通过水平基因转移机制在hvKP克隆谱系中广泛分布，其功能架构包含粘液表型调控基因簇(rmpADC/rmpA2)、铁载体生物合成系统、PEG344代谢转运单元及ABC型铁摄取调控网络，形成多基因协同的致病增强平台。实验验证表明，pLVPK缺陷株的肠外播散能力和脓肿形成效率显著衰减，证实该质粒是维持高毒力表型的必要元件[26]。值得注意的是，新型杂交毒力质粒的进化突破了传统毒力–耐药基因的分离界限，通过耐药元件重组实现了多重抗性基因与毒力决定簇的共定位，这种遗传嵌合体可能加剧临床治疗的复杂性。

3.2.5. 其他毒力因子

ICE是位于染色体上的可移动遗传元件，它通过接合转移的方式介导细菌的基因水平转移，是传播毒力和产生耐药性的重要媒介。ICE在KP中分布广泛，尤其是hvKP，其主要通过基因水平转移在KP种群中动态循环，极大地促进了KP之间的遗传物质交换[27]。

VI型分泌系统(T6SS)是一种新型毒力因子(图1)。细菌分泌系统无处不在，通过分泌蛋白质作为毒力因子，细菌可以攻击其他微生物，逃避宿主免疫系统，造成组织损伤，并侵入宿主细胞。T6SS是一种跨膜复合物，用于将效应器输送到宿主或靶向细菌[28]。作为重要的毒力因子，T6SS在定植竞争和细菌

Figure 1. Structural schematic of the Type VI secretion system (T6SS)

图1. VI型分泌系统(T6SS)结构示意图

感染中起关键作用。细胞内增殖F家族蛋白(IcmF)、缬氨酸–甘氨酸重复蛋白(VgrG)和溶血素共调节蛋白(Hcp)为T6SS的核心蛋白。VgrG是T6SS的重要核心蛋白，其形成细胞穿刺尖端，可产生毒性感染；Hcp是转运效应蛋白的尾管结构，当VgrG从Hcp管中分离出来时，T6SS分泌的蛋白质也通过Hcp管释放到宿主细胞中；IcmF是T6SS的保守整合内膜蛋白，负责将效应蛋白递送到靶细胞，故icmF，vgrG和hcp阳性的菌株一般被指定为T6SS阳性[29]。

这些毒力因子相互作用，协同发挥作用，使hvKP能够在宿主体内迅速繁殖并引发严重感染。研究这些毒力因子的功能和相互关系对于更好地理解hvKP的病原机制，以及发展针对其感染的预防和治疗策略具有重要意义。

4. 相关耐药性研究

4.1. 耐药现状

近年来，由于抗生素的广泛使用，CRKP已成为医院和社区的严重威胁[30]。几乎所有菌株都对β-内酰胺类抗生素(包括青霉素、头孢菌素和碳青霉烯类)、喹诺酮类、复方新诺明(甲氧苄啶和磺胺甲噁唑的组合)、至少一种氨基糖苷类药物和呋喃妥因耐药[31]。由于产生染色体青霉素酶(SHV-1)，对氨苄西林、羧苄西林和替卡西林天然耐药的CRKP，通过获得染色体或移动元件(质粒和转座子)上携带的耐药决定簇，其多重耐药性越来越强[32]。在高毒力克隆中报告了突变的积累，包括喹诺酮类耐药决定区域的突变，孔蛋白基因突变和导致外排泵过度表达的突变，这些突变赋予对多种抗生素的耐药性，包括喹诺酮类、碳青霉烯类和替加环素类药物。CRKP是导致院内感染(包括肺炎、尿路和血流感染)的主要因素之一。CRKP产生超广谱β-内酰胺酶(ESBL)和碳青霉烯酶是高死亡率(40%~50%)的原因，主要见于危重症和免疫功能低下患者。

4.2. 耐药机制

由于抗生素在世界范围内的广泛使用，细菌对抗生素的耐药性日益增加，抗菌素耐药性基因(ARGs)可以通过水平基因转移机制在细菌之间传播，并从环境细菌传播到病原体。细菌的多耐药表型通常是水平基因转移的结果，将ARG聚集到一个细胞中，许多移动遗传元件，包括质粒、整合子和转座子，能够表达遗传连锁和共表达的ARG阵列，从而导致多耐药性[33]。

生物被膜形成也是KP耐药的重要机制[34]。KP可产生不同类型的胞外多糖，对应于不同的荚膜抗原血清型。与生物膜形成相关的基因包括ORF4 (荚膜多糖转运)、ORF14 (糖基转移酶，荚膜生物合成)、wzm (LPS转运途径)和wbbM (LPS生物合成)等[35]。生物被膜形成时，在胞外多糖聚合物和细菌耐药基因等作用下，可以对抗生素产生耐药性[36]。

4.3. 耐药性

4.3.1. 碳青霉烯类耐药

KP的耐药演化进程始于20世纪60年代青霉素耐药表型的初现，该阶段同步鉴定出blaSHV-1与blaTEM-1等第一代β-内酰胺酶基因的原始谱系。具有里程碑意义的突破发生在1980年代，研究者从德国重症监护病房(ICU)患者分离株中首次解析blaSHV-2基因的广谱β-内酰胺水解特性，这不仅确立了该基因为超广谱β-内酰胺酶(ESBL)家族的首个成员，更揭示了耐药基因通过临床压力驱动进化的分子流行病学特征[37]。

CRKP由于抗生素耐药表型的扩展和通过移动遗传元件的全球传播，已成为临床环境中迫在眉睫的威胁，导致的死亡率远高于对碳青霉烯类敏感的KP。CRKP在世界范围内的报道越来越多，根据中国抗菌素监测网(CHINET)的数据，KP对美罗培南的耐药率由2005年的2.9%上升至2019年的26.8%。根据欧洲疾病预防和控制中心(ECDC)的数据，在意大利，CRKP引起的血流感染的30日总死亡率达到41.6%。碳青霉烯酶的产生、外排泵系统的激活和外膜蛋白(OMP)表达的丧失是KP-β-内酰胺类耐药的主要原因[38]。

碳青霉烯酶作为KP耐药机制的核心遗传元件，其分子演化轨迹深刻影响着碳青霉烯类药物的临床失效进程。流行病学研究揭示，ST11型菌株已成为CRKP的优势克隆群，其耐药表型主要归因于blaKPC-2基因的广泛携带——该基因在包括中国在内的全球监测体系中持续占据碳青霉烯酶基因谱的优势地位。值得注意的是，blaKPC-2不仅主导着常规CRKP菌株的耐药特征，更在hvKP的耐药进化中发挥枢纽作用。分子溯源研究表明，中国医疗机构于2007年首次分离鉴定出产KPC-2酶菌株，此后该耐药决定簇通过可移动遗传元件实现跨地域传播，逐步演变为全球性公共卫生威胁的耐药基因标记物[39]。

碳青霉烯酶依据其分子机制可分为A、B、D三个功能类别(表1)，其中A类作为主导型丝氨酸β-内酰胺酶，展现出对绝大多数β-内酰胺类抗生素的广谱催化分解能力。B类即金属-β-内酰胺酶(MBLs)，其活性中心依赖锌离子的配位催化作用，具备分解除单环类外的各类β-内酰胺抗生素的独特属性。相较之下，D类酶群以苯唑酶OXA-48及其变异型OXA-181为代表，虽保留基础碳青霉烯酶活性，但其对碳青霉烯类药物的水解效能显著弱于前两类[40]。

Table 1. Characteristics of different classes of carbapenemases (A, B, D classes)

表1. 不同类别碳青霉烯酶(A、B、D类)的特点

类别	Ambler分子分类	代表性酶	底物谱	抑制剂敏感性
A类	丝氨酸酶(Serine β-lactamases)	KPC (KPC-2、KPC-3等)、GES(GES-2、GES-4等)、IMI/NMC-A、SME、SHA-38、SFC-1	广谱：可水解青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类(如亚胺培南、美罗培南)等抗生素	可被新型抑制剂(如阿维巴坦、雷利巴坦、法硼巴坦)抑制，部分亚型对克拉维酸敏感，但不被EDTA抑制
B类	金属酶(Metallo-β-lactamases, MBLs)	NDM (NDM-1等)、IMP (IMP-1等)、VIM (VIM-1等)、GIM、SPM、SIM	广谱：可水解青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类(如亚胺培南、美罗培南)等抗生素，但对氨曲南水解活性较弱	不被常规β-内酰胺酶抑制剂(如克拉维酸、舒巴坦)抑制，可被EDTA等金属螯合剂或巯基化合物抑制
D类	丝氨酸酶(OXA型)	OXA-48、OXA-181等	对苯唑西林(如甲氧西林)水解活性强，对碳青霉烯类水解效能较低(需与其他耐药机制协同作用)	OXA-48可被阿维巴坦抑制，其他亚型(如OXA-23、OXA-24/OXA-40、OXA-58)无有效抑制剂

OMP是抗生素进入细菌的通道，OMP的变化也会影响细菌的耐药表型。膜孔蛋白下调使外膜通透性增加，阻止分子类物质扩散到胞质，使MIC值提高。在KP中，多黏菌素可改变细菌外膜蛋白和脂质成分，从而发挥抗菌作用[41]。

4.3.2. 氨基糖苷类耐药

氨基糖苷类抗生素通过不可逆结合核糖体30S亚基实现抗菌效应，其杀菌机制涉及双重分子效应：一方面引发蛋白质合成全面阻滞导致细菌裂解，另一方面通过翻译过程扰动诱导mRNA密码子错译。在20世纪40~80年代的临床治疗黄金期，随着该类药物的广泛应用，肺炎克雷伯菌逐步进化出三位点化学修饰网络(磷酸化/乙酰化/核苷酸化)作为核心耐药策略，由氨基糖苷类磷酸转移酶(aph)、氨基糖苷类乙酰转移酶(aac)和氨基糖苷类核苷酸转移酶(ant)等酶系构成的修饰系统通过质粒介导或染色体编码机制，实现对氨基糖苷类结构的靶向失活。值得注意的是，质粒载体的水平基因转移能力与染色体突变积累的垂直遗传压力协同驱动了耐药表型的全球性扩散，这种双重耐药进化路径显著削弱了氨基糖苷类药物的临床效用[42]。

氨基糖苷类药物的使用量减少减缓了新型抗性基因的进化，有研究表明，Cirit等人于2019年在土耳其和叙利亚进行的一项流行病监测发现，临床分离的肺炎克雷伯菌的氨基糖苷类耐药性主要由存在于armA基因家族染色体的aac(3)-II介导[43]。与氨基糖苷类耐药性发展相关的另一种机制是获得性16S rRNA甲基转移酶(16S RMTase)的产生，该酶甲基化药物的结合位点，从而导致对临床上重要的氨基糖苷类药物(如阿米卡星，妥布霉素和庆大霉素)的高水平耐药性。迄今为止，在几种肠杆菌科中检测到八个标记为armA，rmtA，rmtB，rmtC，rmtD，rmtE，rmtF和npmA的16S RMTase基因，其中armA和rmtB基因在亚洲最普遍和分布最广泛[33]。

4.3.3. 四环素耐药

就CRKP分离株的多耐药性而言，替加环素和多粘菌素耐药性较弱，作为CRKP感染的“最后一线”抗生素在临床实践中起着至关重要的作用[44]。CRKP中新出现的替加环素耐药性是一个日益严重的威胁，一旦CRKP对替加环素产生耐药性，治疗选择就会更加有限。替加环素耐药的机制复杂，尚未完全阐明，药物外排和核糖体保护是许多革兰阴性菌中四环素耐药的主要机制。获得性粘菌素耐药与脂质A修饰的基因改变有关，包括双组分调控系统的过表达、MgrB蛋白失活以及携带mcr-1的质粒[45]。CRKP对替加环素的耐药机制主要由编码在移动遗传元件上的外排泵介导，RND外排泵的过表达或外排泵负调节因子失活，其他的决定因素，如质粒携带的tet(A)变异基因和突变的rpsJ基因，也有助于降低替加环素敏感性[46]。最近的许多研究表明，一些菌株通过LPS修饰获得粘菌素耐药性，并且这些粘菌素耐药分离株的频率正在逐渐增加[47]。

5. 总结与展望

本文阐述了KP的高毒力亚型分子特征及其关键毒力决定因子，概括了该病原体耐药表型分布格局与耐药机制演化规律，揭示其引发的临床感染在诊治层面面临的双重挑战。肺炎克雷伯菌的高毒力和耐药性是全球现象，其在国内外分离率呈逐年上升趋势，但对于其机制方面的许多研究尚不深入，未来研究需整合多组学技术、人工智能预测模型及单细胞解析平台。

通过基因分析、快速诊断技术及新型抗菌药物研发，有望建立包含早期监测、精准治疗和综合防控的应对体系，从而有效控制感染传播并改善患者预后。

基金项目

山东省医药卫生科技发展计划项目(202211000699)，肺炎克雷伯菌毒力特征与耐药性的研究；济宁市重点研发计划(2023YXNS191)，2014-2021年血流感染肺炎克雷伯菌耐药性变迁。

NOTES

^*通讯作者。