第6章 细菌感染与免疫

医学微生物学2细菌的感染与免疫BacterialInfectionandImmunity第三军医大学微生物学教研室胡福泉博士/教授重点与难点重点：1.名词概念：正常菌群、机会性致病菌、菌群失调、菌血症、毒血症、败血症、脓毒血症、ID50、LD50、病原体相关分子模式、模式识别受体等概念。2.细菌的致病性3.抗感染天然免疫与获得性免疫4.医院感染的防控难点：1.名词概念2.细菌的致病性：致病机理，内毒素，外毒素3.机体获得性免疫4.胞外菌感染、胞内菌感染及外毒素致病的免疫特点细菌的感染（infection）:是指细菌侵入宿主体内生长繁殖并与机体相互作用，引起的一系列病理变化过程•引起宿主感染的细菌称为病原菌（pathogen）或致病菌(pathogenicbacterium)。•病原菌从一个宿主到另一宿主体内并引起感染的过程称为传染（infectionorcommunication）。有些细菌在正常情况下并不致病，只有在某特定些情况下才可引起致病，这类细菌称为机会致病菌（opportunisticpathogen）或条件致病菌（conditionedpathogen）。抗感染免疫：是指微生物入侵宿主机体后，宿主免疫系统产生抗感染免疫应答,以抑制或避免微生物致病作用的过程。•免疫系统的这一功能被称为免疫防御。在宿主抗感染免疫的压力下，微生物还会还会产生免疫逃逸现象,以逃避宿主的免疫防御功能。•微生物对机体的感染与机体对微生物的抗感染免疫，构成了一对基本矛盾。这一对矛盾力量的消长决定着疾病的发生、发展与结局。第一节正常菌群与机会致病菌Normalfloraandopportunisticpathogen正常菌群(normalflora)：是指正常寄居在宿主体内，对宿主无害而有利的微生物群的总称。正常人的体表和与外界相通的腔道（如口腔、鼻咽腔、肠道、泌尿生殖道等）表面都寄居着不同种类和数量的微生物。表6-1列举了人体各部位常见的正常菌群。一、正常菌群表6－1正常菌群的生理学意义1.生物拮抗（biologicalantagonism)正常菌群在宿主体内的正常寄居可以妨碍或抵御致病微生物的侵入与繁殖，对宿主起着保护作用。2.营养作用正常菌群在宿主体内，对宿主摄入的营养物质进行初步代谢、物质转化和合成代谢，形成一些有利于宿主吸收、利用的物质，甚至合成一些宿主自己不能合成的物质供宿主使用。3.免疫作用宿主的免疫系统有赖于抗原的刺激才能发育与成熟。正常菌群作为抗原可促进宿主免疫器官的发育，刺激免疫系统的成熟与免疫应答。4.抗衰老作用研究表明，人一生的不同阶段，肠道正常菌群的构成与数量是不一样的，它们与人体的发育、成熟与衰老有着一定关联。•正常微生物群还与它们存在的环境（即宿主）之间存在相互依赖与相互制约的状态。这种状态始终处于动态过程之中。只要这种动态过程不会引起疾病，就被称为微生态平衡(microeubiosis)。•当宿主（免疫、营养及代谢等）、正常微生物群（种类、数量、位置等）或外界环境（理化和生物）等因素变化打破了微生态平衡，就会导致微生态失调(microdysbiosis)，最常见的是菌群失调(dysbacteriosis)。•微生态学(microecology)：它是从细胞水平或分子水平上研究微生物与宿主、环境三者之间相互关系的综合性学科。正常菌群的几个延伸概念当正常菌群与宿主间的生态平衡失调时,一些正常菌群会成为“机会致病菌”（opportunisticpathogen)而引起宿主发病，故机会致病菌也称为“条件致病菌”（conditionedpathogen)。常见的情况主要有：1.正常菌群的寄居部位改变2.宿主免疫功能低下3.菌群失调二、机会致病菌致病性(pathogenicity):细菌对宿主感染致病的能力。毒力(virulence)用于表示细菌致病性的强弱程度。一般常采用半数致死量（medianlethaldose,LD50）或半数感染量（medianinfectivedose,ID50）作为测定毒力的指标。半数致死量（LD50）指即在一定条件下能引起50%的实验动物死亡的微生物数量或毒素剂量。半数感染量（ID50）是指能引起50%实验动物或组织培养细胞发生感染的微生物数量。微生物毒力越强，LD50或ID50数值越小。第二节细菌的致病作用PathogenicityofBacteria病原菌的毒力是由许多基因所决定的。这些致病性相关基因在病原菌的基因组内可以是散在存在的，也可以是簇集存在的。簇集存在的与细菌致病性相关的DNA序列称为致病岛(patho-genicityisland,PAI）。毒力岛的GC平均含量往往较大地偏离于细菌基因组的GC含量，提示毒力岛可能是通过水平转移获得的。是指致病菌突破宿主皮肤、黏膜等生理屏障，进入机体并在体内定植和繁殖扩散的能力。细菌的侵袭力包括与黏附、定植和产生侵袭性相关物质的能力。与侵袭力有关的物质主要有黏附素、荚膜、侵袭素、侵袭性酶类和细菌生物被膜等。(一）黏附素（adhensin）黏附素是一类存在于细菌表面的与黏附相关的物质，可分为菌毛黏附素和非菌毛黏附素两大类。表6-2列举了部分细菌的黏附素及其靶细胞受体一、侵袭力（invasiveness）参见表6－2（二）细菌的荚膜荚膜（capsule）是细菌菌体表面的一种特殊结构。细菌的M蛋白、Vi抗原、K抗原等称为微荚膜。它们在致病中的作用表现为：1.抗吞噬细胞吞噬2.抵抗体液中杀菌物质：如抗体、补体等（三）侵袭性酶类致病性葡萄球菌凝固酶，能使血浆中的可溶性纤维蛋白原转变为固态的纤维蛋白包绕在菌体表面，有利于抵抗宿主吞噬细胞的吞噬。A群链球菌产生的透明质酸酶可分解细胞间质透明质酸，利于细菌及其毒素的扩散。淋病奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌、血链球菌、口腔链球菌、流感嗜血杆菌等可产生sIgA的蛋白酶，分解免疫球蛋白IgA，破坏黏膜的特异性防御功能。某些致病菌被吞噬细胞摄入后，可产生一些酶类物质抵抗杀灭作用，如葡萄球菌能产生过氧化氢酶，抵抗中性粒细胞的髓过氧化物酶的杀菌作用,有利于细菌随吞噬细胞在组织中播散。（四）侵袭素(invasin)细菌的这一侵袭能力受侵袭基因(invasivegene,inv)所控制。inv基因编码产生侵袭素(invasin)。具有侵袭素的细菌：伤寒沙门菌、福氏志贺菌、侵袭性大肠埃希菌、淋病奈瑟菌、空肠弯曲菌等。（五）细菌生物被膜(biofilm)细菌生物被膜是由细菌及其所分泌的胞外多聚物(胞外多糖或蛋白质)附着在有生命或无生命材料表面后形成的膜状结构。定植于静脉导管表面的表皮葡萄球菌生物膜二、细菌的毒素（bacterialtoxins)（一）外毒素（exotoxin）•通常为蛋白质•毒性作用强，对组织器官有选择性毒害作用•一般不耐热，容易被破坏•抗原性强外毒素可分为三大类神经毒素(neurotoxin)：对神经系统有毒性作用细胞毒素(cytotoxin)：致组织细胞变性、坏死肠毒素(entertoxin)：引起肠黏膜细胞分泌功能紊乱外毒素的种类及其毒性作用详见表6-3•多为G-菌的细胞壁物质•化学成分是脂多糖(LPS)•理化性质稳定，耐热，LPS污染后不易被灭活•不能用甲醛脱毒成类毒素•毒性作用相对较弱且对组织无选择性（二）内毒素（endotoxin）内毒素的生物学作用•致发热反应•引起白细胞数量变化•内毒素血症与内毒素休克LPS的生物学作用示意图6-4三、体内诱生抗原只有在细菌侵入宿主体内才诱导表达的基因，称为体内诱生抗原（invivoinducedantigen,IVIA）。其中有些体内诱导基因与致病性密切相关。研究表明绝大多数病原菌都有体内诱导表达基因存在。四、超抗原超抗原（superantigen）是一类具有超强能力刺激淋巴细胞增殖和刺激产生过量T细胞及细胞因子的特殊抗原，其刺激淋巴细胞增殖的能力是植物凝集素的数千倍。五、免疫病理损伤有些本来没有直接毒性的抗原物质，有可能通过激活机体免疫应答，基于超敏反应机理引起组织细胞免疫病理性损伤，最终导致疾病。如长期或反复链球菌感染，可通过Ⅲ型变态反应引起肾小球肾炎、风湿性关节炎、风湿性心脏病等；结核杆菌可通过IV型变态反应引起免疫病理损伤。第三节宿主的抗感染免疫Anti-infectionofhost病原微生物或其产物进入机体时,机体首当其冲就面临一个对病原微生物及其产物的识别。识别这些外来异物后，通过天然免疫（innateimmunity）机制和获得性免疫(acquiredimmunity)机制清除进入外来异物。这个过程称为机体的抗感染免疫。天然免疫也称固有免疫（intrinsicimmunity）,获得性免疫也称适应性免疫（adaptiveimmunity）。机体天然免疫系统对病原体的识别是通过“病原体相关分子模式”(pathogen-associatedmolecularpattern，PAMP)与宿主体内的“模式识别受体”(patternrecognitionreceptor，PRR)之间的特异性结合来实现的，这种识别称模式识别。一、天然免疫中的模式识别（一）病原体相关分子模式（PAMP）病原体体内存在一些进化上非常保守的、与致病性相关的、能与宿主体内的模式识别受体特异性结合的结构称为“病原体相关分子模式”（PAMP)。PAMP往往不是完整的分子，通常是一些病原体相关分子中的某些片段或模体（motif)。细菌细胞壁的成份如肽聚糖(peptidoglycan,PGN)和脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)、细菌蛋白、细菌脂类以及细菌和病毒的核酸残基等都可能成为PAMP。微生物种类繁多，它们的抗原分子数不胜数。但若从分子结构中抽提出“分子模式”，就可以把无限的抗原特异性种类归纳为有限的“分子模式”。因此，PAMP的数量是有限的。模式识别是机体内的一种经济的识别方式。（二）模式识别受体(PRR)PRR是存在于机体血清中、免疫细胞膜表面甚至细胞浆内的与识别PAMPs有关的受体。PRR在机体内的特异性种类是有限的。PRR对PAMP的结合不是刚性的和十分准确的，只要两者在结合部位基本适合，就可结合且可通过分子振动提高结合的适合度，实现柔性结合。PRR对抗原非钢性结合的“模式识别”大大提高了机体对外来异物识别的有效性。（一）屏障结构1.皮肤与黏膜（1）阻挡和排除作用（2）分泌多种抗菌物质:如乳酸、脂肪酸、溶菌酶等（3）正常菌群对外来菌的拮抗作用二、天然免疫的构成与功能2.血脑屏障（blood-brainbarrier,BBB）血脑屏障由软脑膜、脉络膜、脑毛细血管和星状胶质细胞等组成。通过脑毛细血管内皮细胞层的紧密连接和吞饮作用，阻挡病原体及其毒性产物从血流进入脑组织或脑脊液，从而保护中枢神经系统。3.血胎屏障（blood-placentabarrier)由母体子宫内膜的基蜕膜和胎儿绒毛膜共同组成。此屏障可防止母体内的病原微生物进入胎儿体内，保护胎儿免受感染。吞噬过程(phagocytosis)趋化：吸引吞噬细胞穿过毛细血管壁，聚集到局部炎症部位识别与黏附：吞噬细胞表面受体，识别病原表面分子吞入：吞噬细胞伸出伪足，吞入病原体形成吞噬体杀灭与消化：吞噬细胞内的超氧阴离子（活性氧、活性氮）以及各种溶菌酶的作用杀灭并消细菌（二）吞噬细胞吞噬细胞对细菌的吞噬和消化过程示意图吞噬作用的结果：•完全吞噬•抗原提呈•组织损伤（三）体液因素的作用1.补体的生物学活性•溶解和杀伤作用：C56789攻膜复合物的作用•趋化作用:C3a,C5a等吸引吞噬细胞进入病灶•促吞噬作用：通过C3b介导免疫黏附，促进吞噬2.溶菌酶（lysozyme）血清、唾液、泪液、乳汁和黏膜分泌液中的溶菌酶，可作用于革兰阳性菌的胞壁肽聚糖，使细菌细胞壁裂解而溶菌。3.抗微生物肽（antimicrobialpeptide）抗微生物肽是一类富含碱性氨基酸的小分子多肽，一般只有十多个到四十多个氨基酸。其杀菌机制是破坏细菌细胞膜的完整性，使菌细胞溶解死亡。三、适应性免疫（adaptiveimmunity）适应性免