致病性大肠杆菌和同一健康的相关性

Narelle Fegan,Kari S. Gobius

摘要 大肠杆菌（Escherichia coli）是恒温动物肠道内正常菌群的组成部分，虽然有一些型别能引起疾病，但通常对宿主无害。大肠杆菌中最重要的血清型为肠出血性大肠杆菌（enterohaemorrhagic E. coli, EHEC），能导致严重的人类疾病，甚至是死亡。EHEC存在动物宿主（特别是牛），所以也被认为是一种重要的人畜共患病病原体，对同一健康有重要影响。EHEC可通过食用由受感染动物制成的食品或被这些动物的排泄物直接或间接污染的食物而传播给人类。越来越多的证据表明，EHEC还与未煮熟的绿叶蔬菜和芽菜有关。大肠杆菌的几次大暴发强调了从同一健康的观点来应对这些生物的重要性。 

1引言 

大肠杆菌是恒温动物肠道内的一种微生物。在大多数情况下大肠杆菌不会对宿主产生危害，但是有些类型的大肠杆菌却可以引起动物或人类的疾病。大肠杆菌通常经粪—口途径传播，这使致病性大肠杆菌成为经食物和水传播的重要病原体。尽管大多数的致病性大肠杆菌被认为具有物种特异性，但从同一健康的角度来看，那些可以从动物传播到人类并引起疾病的大肠杆菌均具有特殊意义。这些大肠杆菌可以从动物宿主直接进入人类宿主，通过直接接触或是食用性动物制成的食品，或者是其他更复杂的途径。此过程不仅涉及原始宿主，也包括了其他的动物和环境因素。因此大肠杆菌是与同一健康有重要联系的病原体之一。 

2大肠杆菌——人和动物共同的致病菌

大多数大肠杆菌栖居于宿主肠道内，一般多不致病，但是某些血清型菌株在一定条件下可对人或动物宿主产生致病性，并且能引起如腹泻等胃肠道疾病或肠道外感染，如尿路感染、脑膜炎或败血症(Sousa 2006)。对于人类而言，大肠杆菌带来的最大的疾病负担来自于肠道感染，从自限性腹泻到出血性腹泻，甚至可能出现严重的并发症从而导致死亡。大肠杆菌也是一种具有兽医学意义的病原体，它可引起动物患病从而造成经济损失，如引起牛和猪的乳腺炎(Gerjets和Kemper 2009; Shpigel et al. 2008)，同时它还能造成禽类的大肠杆菌病(Olsen et al. 2011)或者致病于猫和狗等宠物。

按毒力因子、临床症状和血清学型别，致病性大肠杆菌可分为多种不同类型(Wasteson 2002)，最重要的类型将会在下文进行介绍。除EHEC外，当前大多数的致病性大肠杆菌由于宿主特异性并不作为主要的人畜共患病病原体。然而，大肠杆菌可以交换遗传物质，有可能出现能够跨越物种屏障引起人类疾病的新型致病原。下节将会简要介绍这些致病菌，因为它们可能与将来的新发人畜共患病有关。

与尿路致病性大肠埃希菌（UPEC）有关的尿路感染是由大肠杆菌引起的最常见肠道外感染。虽然多数人认为UPEC来自其宿主肠道，但也有新的证据表明，尽管目前动物作为这些肠外致病性大肠杆菌重要储存宿主的作用机制尚不清楚，但动物很有可能是这些病原体潜在的宿主(Belanger et al. 2011)。

有几类重要的致病性大肠杆菌能造成人和动物的胃肠道疾病，但很少有证据证明这些类型可以进行人兽之间的跨物种传播，包括肠毒性大肠埃希杆菌（ETEC）。该菌是造成“旅行者腹泻”的主要病原体，可产生耐热和不耐热肠毒素，并导致水样腹泻。ETEC可以引起人和新生动物发病，但是由于黏附于宿主肠道的黏附素具有物种特异性，因此人与感染动物会产生不同类型的ETEC(Nataro和Kaper 1998)。肠致病性大肠杆菌（EPEC）是造成发展中国家婴幼儿腹泻的重要原因，也可致病于动物。EPEC一个重要的特征是对肠黏膜上皮细胞的黏附抹平效应（A/E），这是由于细菌与微绒毛的紧密黏附以及随后发生的上皮细胞的细胞骨架变化，使得细菌黏附位点下方形成一个底座结构而引起的。A/E的基因是由一个LEE致病岛所编码的(Nataro和Kaper 1998)。黏附机制包括了由这种LEE致病岛编码的蛋白质——紧密黏附素、菌毛（如束状菌毛），它们对EPEC的病理机制和宿主特异性产生了重要作用(Mundy et al. 2007; Bardiau et al. 2010)。

有些致病性大肠杆菌似乎只对人具有特异性，如肠黏附性大肠杆菌（EAEC）可以引起长达14天之久的持续性腹泻和旅行者急性腹泻。EAEC没有明确的定义，它包括了许多不同类型的大肠杆菌。EAEC的共同结构特征是由于黏附素存在而形成的“叠砖样”黏附结构，被称为集聚性黏附（AA）。尽管我们对EHEC在人体外的生态学知识了解甚少，但是可以明确的是EAEC没有明显的宿主。而与志贺菌属有密切联系并且引起相似疾病的EIEC似乎是人体特有的致病性大肠杆菌，目前并未从其他动物体内分离出来。

EHEC是一类有LEE致病岛，且可以产生志贺样毒素（Stx）的致病性大肠杆菌(Nataro和Kaper 1998)，因其可以引起人类严重疾病并且有其他动物宿主，这使得从同一健康的视角来看，EHEC是大肠杆菌中最重要的一类，而且它们会是这章的重点。EHEC可造成严重甚至致死的疾病，虽然有些型别的EHEC能造成幼年动物腹泻，但成年反刍动物仍是其主要宿主(Hornitzky et al. 2005)。由携带EHEC的动物所制成的食品有可能会受到污染并且导致疾病的大暴发，因此大肠杆菌已被世界卫生组织列为动物生产与食品安全未来发展的首要标准之一(Knight-Jones et al. 2010)。最广为人知的EHEC血清型是大肠杆菌O157:H7，但是许多该菌的其他血清型也能造成人类的严重疾病(Karmali 2005)。

3人类疾病、病理机制和治疗

EHEC引起的人类疾病可从无症状携带者、腹泻、出血性腹泻（出血性结肠炎）到可能致死的溶血性尿毒综合征（haemolytic uraemic syndrome, HUS）(Karmali 2005)。EHEC在感染早期（感染后1~4天内）会表现为腹绞痛和腹泻症状，也有可能出现出血性结肠炎，而10%~25%的病例会发生HUS(Nataro和Kaper 1998;Karmali 1989)。HUS可能会于腹泻后5~13天发生，临床表现包括因急性肾衰竭而导致尿量较少、微血管病性溶血性贫血（微小血管的病变引起红细胞破裂而发生溶血与贫血）以及血小板减少(Tarr et al. 2005)。大多数HUS病例都会完全恢复，但是有12%~30%的病例会出现严重的肾脏损害与其他并发症，5%病例甚至出现死亡(Nataro和Kaper 1998)。其他的并发症也会出现如心肌功能障碍、胰腺炎、肝炎、肺水肿和神经损害(Tarr et al. 2005)等症状。EHEC感染是儿童急性肾衰竭的主要原因(Karmali et al. 2010)，加上其潜在的致死性特征，已成为目前疾病防控的重点。

EHEC引起疾病的主要原因是因为该菌存在两个重要的毒力因子，一是由于EHEC感染而产生的、会引起很严重后果的志贺毒素，二是通过A/E的细胞病理学机制，可使细菌在肠道寄生的LEE致病岛(Nataro和Kaper 1998)。除了EHEC外还有很多大肠杆菌可产生志贺毒素，它们被统称为产志贺毒素大肠杆菌（Shiga toxigenic E. Coli, STEC），通常存在于动物体内(Karmali 2005)，而且不是所有的型别都能感染人类。志贺毒素有Stx1和Stx2两种类型，Stx1与痢疾志贺氏菌产生的毒素密切相关(Pennington 2010)。Stx由整合到细菌基因组的噬菌体所编码，并由肠道内细菌产生，能够穿过上皮细胞进入血管，并与人类肾细胞表面的球丙糖酰基鞘氨醇（Gb3）特异性结合(Pennington 2010)，一旦与Gb3结合之后，志贺毒素就会被细胞内化，从而抑制蛋白质合成，最终导致细胞凋亡(Pennington 2010)。LEE致病岛有助于EHEC附着于肠上皮细胞，但这不是HUS发生的主要原因。EHEC部分血清型在产生Stx的同时，可以利用其他的黏附机制来损害肠道(Doughty et al. 2002; Wu et al. 2010)，因此深刻认识毒力因子在STEC和EHEC引起人类疾病中的作用是将来研究的一个重要领域。

目前尚无有效的方法可治疗EHEC感染，主要依靠支持疗法，如维持体液和电解质平衡(Goldwater和Bettelheim 2012)。EHEC可在感染后很短的时间内产生毒素，并在EHEC从肠道清除后继续在体内循环(Nataro和Kaper 1998)。EHEC感染通常不会使用抗生素治疗，因为抗生素可以刺激志贺毒素的释放(Wong et al. 2000)。目前已有多种方法用来应对人体受感染后志贺毒素的作用并且预防感染者发展为HUS，包括使用志贺毒素特异性中和抗体、其他毒素结合剂或中和剂(Goldwater和Bettelheim 2012)。目前相关疫苗在动物模型中取得一定进展，但要用于人类预防感染方面仍有很长的路要走(Goldwater和Bettelheim 2012)，而防止发生严重疾病的最有效方法是预防首次感染。

4疾病暴发及与动物的联系

EHEC的低剂量（低于10个细胞）摄入就可以引起感染的发生(Hara-Kudo和Takatori 2011)，因此即使是极少量细菌的感染也可造成健康风险。EHEC引起的感染多是散发的，并且没有明显的食品或动物来源。人际间传播可引起疾病暴发，尤其是在幼儿园幼年儿童间的传播(Gilbert et al. 2008; Raffaelli et al. 2007)，但更多暴发与食品污染尤其是与动物源性食品的污染有关。1992—2008年间在英格兰和威尔士有过84次的EHEC暴发，共造成1168人感染，其中286例住院，12例死亡(Gormley et al. 2011)。在已经确定的44次食源性暴发中，因食用红肉所致的占37%，饮用牛奶和奶制品引起的占到30%，说明EHEC暴发和牛及其相关动物制品间有很强的关联(Gormley et al. 2011)。

在动物园、农场、牛仔竞技表演或展览中，直接与动物及其周围环境的接触是几次EHEC暴发的原因(Stirling et al. 2008;Steinmuller et al. 2006;Lanier Et al. 2011)。有些地方，水果经带菌水源、肥料或土壤污染后，会导致饮用果汁也可引起EHEC的暴发(Vojdani et al. 2008)。1996年，饮用未消毒的苹果汁而引起的大肠杆菌O157:H7暴发造成了美国西部和加拿大British Columbia的70人感染。调查结果显示，供应水果的果园中养殖了感染大肠杆菌O157:H7的鹿群，而掉落的苹果很可能因接触土壤和鹿的排泄物而受到污染(Cody et al. 1999)。其他许多地方的新鲜农产品所引起的暴发也可能与植物和肥料、污水、灌溉水和其他径流的接触有关(Beuchat 2006)。农场径流可以污染饮用水水源，如果处理系统不完善将有可能导致疾病暴发。2000年，加拿大Walkerton发生空肠弯曲菌和大肠杆菌O157:H7的大暴发。这场大暴发导致了2300例胃肠炎病例（该镇人口为4800人）发生，其中包含27例HUS及7例死亡(Hrudey et al. 2003)。原因是连日的暴雨使得农场径流污染了城市用水的地下水井，同时，水处理厂的加氯装置未能有效清除供水水体中的污染物(Danon-Schaffer 2001)。这些暴发均说明了通常导致人类疾病事件关系链与致病菌传播途径的复杂性。

5传染源和传播途径

有人已经在很多反刍动物中分离到EHEC的O157:H7血清型菌株，包括绵羊、山羊、鹿、野牛和水牛，但其最重要的宿主是牛(Ferens和Hovde 2011)。大肠杆菌O157:H7偶尔也可以从猪、狗、大鼠、兔、马、两栖类、鱼类、各种鸟类和昆虫（包括苍蝇和甲虫）等体内分离。但这些动物并不是这种病菌的主要宿主，仅在动物、人类和环境相互传播中起到部分作用(Garcia et al. 2010; Ferens和Hovde 2011)。牛和其他反刍动物被认为是大肠杆菌O157:H7最重要的人兽共患传染源，但存在于一些未知动物宿主中的大肠杆菌也可以作为牛感染的长期来源(Garcia et al. 2010)。除了大肠杆菌O157:H7之外的其他EHEC（如O111和O26）已从多种动物体内分离(Bettelheim 2007)，包括有腹泻症状的幼年期动物(Hornitzky et al. 2005; Jenkins et al. 2008; Badouei et al. 2010)。

EHEC的最重要的宿主是牛，我们经常可以在牛的肠道内发现EHEC，并且该菌还可以随粪便排出体外，在牛皮和牛的口腔中也常有发现(Fegan et al. 2005; Keen和Elder 2002)。大肠杆菌O157:H7通常会选择性地寄生在靠近直肠肛管交界处的直肠远端(Naylor et al. 2003)，这种寄生特异性是由LEE致病岛和大肠杆菌O157:H7携带的质粒所介导的(Sheng et al. 2006; Naylor et al. 2005)。在肠道中所发现的其他EHEC血清型并未显示出特定的组织嗜性(Aktan et al. 2007)。调查发现，EHEC在动物的传播范围较广，从非患病动物到大多数动物都可以排出病原菌(Barlow和Mellor 2010;Rhoades et al. 2009; Masana et al. 2010; Kobayashi et al. 2009; 54 N. Fegan和K. S. Gobius Hussein 2007)。目前对于EHEC动物携带者的大多数了解都来自对大肠杆菌O157:H7的研究，动物大肠杆菌O157:H7排出量是可变的，通常取决于该动物的年龄（2月~2岁之间的动物排出量更高）和当地的天气（在有些国家天气较温暖时排出量更高）(Garcia et al. 2010)。尽管有些动物是病原菌的持续性排出者(Robinson et al. 2004)，但大多数动物都是间歇性的，仅能在某一段时间、短期内排出大肠杆菌O157:H7。大多数动物的排泄物中仅有少量大肠杆菌O157:H7（<1000或10000cfu/g），但也有少数动物可排出大量的大肠杆菌O157:H7，它们被称为高水平携带者或超级带菌者(Low et al. 2005; Omisakin et al. 2003)，少数的超级带菌动物可排出的大肠杆菌O157:H7会占到全部动物排出量96% (Omisakin et al. 2003)，在牛群中传播(Cobbold et al. 2007; Matthews et al. 2006)和动物尸体处理(Fegan et al. 2005, 2009)时存在很大的危险性。病原菌的大量排出也同样可以发生于EHEC的其他血清型中(Menrath et al. 2010)。目前，还不清楚关于这些细菌大量排出的影响因素，但是关注这些动物，对于减少人的EHEC感染来说是十分重要的(Chase-Topping et al. 2008)。

EHEC在动物和人之间的传播可以是直接的，如直接接触，也可以更为复杂。由携带EHEC的动物制成的食品，如肉类和奶制品，可能会在其生产加工过程中受到污染，若被人体摄入后则会引起疾病。另外，由于肥料和排泄物中可能带有EHEC，所以牛排泄物中的大肠杆菌也会污染农场环境(Fremaux et al. 2008)。虽然适当的堆肥或排泄物处理可以杀灭大肠杆菌O157:H7，但在不同的土壤和肥料成分中，大肠杆菌存活时间不同（可以达到几个月甚至更长）(Fremaux et al. 2008; Ferens和Hovde 2011)。降雨可使得农场中的大肠杆菌散布至附近的水域，如果用污水灌溉新鲜农产品(Hilborn et al. 1999)、饮用污水或是在其中游泳都会导致疾病发生(Olsen et al. 2002; Centres for Disease Control and Prevention 1996; Hrudey et al. 2003)。了解EHEC在动物、人和环境之间的传播机制，制定措施以控制其传播将对降低该致病菌在人群中的发病风险具有重要作用。

6肠出血性大肠杆菌的防控

目前几乎没有治疗感染肠出血性大肠杆菌患者的有效方法，因此防止机体摄入病原菌是最有效的控制方法，降低食品生产系统和环境中病原菌含量是预防疾病最重要的方面(Garcia et al. 2010; Khanna et al. 2008)。要有效降低人类感染肠出血性大肠杆菌的风险，防控措施应该注重控制传播途径方面，包括对动物、环境、食物链和人类进行干预。针对动物屠宰前所开展的防控管理，有多种方法可以减少EHEC，包括使用大肠杆菌O157:H7疫苗、针对O157:H7特异地使用具裂解性的噬菌体、添加益生菌、直接饲喂微生物、控制饮食和管理饲料添加剂，这些措施一定程度上可以降低动物EHEC流行，但不能完全消除病原体(Berry和Wells 2010)。成本、应用频率、功效和监管要求等方面均将影响控制措施在未来的应用。减少动物排出EHEC将会减少EHEC在动物制品和环境中的传播，从而降低传播到人类的机会。适当的堆肥和控制含肥料和废物的径流将使环境、新鲜农产品和供水的污染减少。在食品生产中采取屠宰前控制管理（如对奶制品的牛奶进行巴氏消毒、肉制品清洁其表皮和动物尸体）也可以减少食品中的EHEC，从而减少人感染风险(Berry和Wells 2010; Oliver et al. 2009)。良好的制造工艺及保证食品生产各个阶段（从农场到零售到消费）的卫生对于减少人感染EHEC至关重要。

7病例研究

下面将会用两个病例研究来说明同一健康模式对EHEC问题的重要性。在动植物食品生产中人类活动的复杂性、全球化的食品贸易、控制人类和动物疾病所涉及的抗生素使用，以及微生物生态学，它们之间敏感的相互关系都深刻影响着同一健康的发展。

病例研究1 2006年，美国发生了一场大型的、波及多个州的大肠杆菌O157食源性暴发，这场暴发造成了严重的疾病症状、高住院率（50%）和高HUS发病率（10%）(Manning et al. 2008)。美国大多数的EHEC感染都是通过食用未煮熟的牛肉汉堡传播，而这次暴发中袋装菠菜是食品传染源(CDC 2006)。追溯被污染菠菜的来源，是位于加利福尼亚中部海岸的食品加工厂和四个菠菜农场。进一步的调查表明可能由于在同一地理区域（但不是同一个新鲜农产品农场）的牛将大肠杆菌O157传播给野生猪，进而猪的排泄物污染菠菜。地表水也被认为是大肠杆菌O157由牛传播到猪体内的一个可能的途径(Jay et al. 2007)。对导致疾病暴发的菌株进行的分子学和基因组学分析显示其具有独特的基因组结构，并且在细菌染色体的一个新位点整合了Stx-2噬菌体基因组(Manning et al. 2008)，属于高毒力的分型(Kulasekara Et al. 2009)。这种新的Stx2噬菌体可产生高水平的Stx2毒素，从而可能导致这种大肠杆菌O157:H7株具有高毒力(Neupane et al. 2011)。

病例研究2 2011年当欧洲发生疾病暴发时，结合以细菌基因组序列为基础的基因分型的应用和产品追溯，识别可引起罕见HUS的、不常见的食源性病原菌致病性大肠杆菌成为可能。人们食用由进口葫芦巴种子种出的芽菜制成的沙拉而引起血清型O104:H4大肠杆菌感染，共造成患病例数3842例，其中HUS855例、3死亡5例，由感染引起的非HUS并发症所造成的18例死亡病例(Muniesa et al. 2012)。暴发菌株未能从葫芦巴种子中分离出来，但使用分子分型方法从法国和德国暴发中分离出来的菌株显示他们是共同的病原体，并且帮助识别了其有共同的食物来源。快速基因测序显示感染源不是大肠杆菌O157，而是来自于EAEC另一个致病的血清型别，它在噬菌体转导过程中获得了编码Stx2的噬菌体(Rohde et al. 2011)。基因组序列也提示暴发菌株已经获得不少于10种的不同的抗生素抗性基因。显然，与EAEC发病机制的特异结合被志贺毒素放大，组成了一个非常强大的毒力库(Rohde et al. 2011)。

以上病例分析显示了同一健康网络中的一些特定的要素。如果通过一个微观的角度看，网络的不同节点似乎是独立且无关的，然而如果从更宏观角度来看，这个网络之间的联系变得十分清楚。在两个案例中，未煮熟的蔬菜（通常被认为是健康且营养的）是大肠杆菌进入人体胃肠道的媒介。因为EAEC O104:H4严格以人体为宿主（不像人兽共患的EHEC）(Kuijper et al. 2011)，所以极有可能葫芦巴籽的大肠杆菌O104:H4污染是直接或者间接地来自人排泄物。暴发菌株的多重耐药性增加了这种说法的可信度，这种耐药性是多次用药选择的结果，说明这种病原体曾经在腹泻后接受抗生素治疗的人体内出现过。由于有些抗生素能促进大肠杆菌内Stx噬菌体快速繁殖(Bielaszewska et al. 2012)，所以也有可能使用人体抗生素引起Stx2编码噬菌体转移到EAECO104:H4菌株中。

我们对同一健康重要性的新认识正在促使我们做出更多努力，从错综复杂的关系中探索更深入的知识，这种认知有助于我们更好的管理人、动物、植物和环境卫生之间良好平衡的相互依存性。

文章来源：人民卫生出版社《同一健康与食品安全》（主译  陆家海  郝元涛），本文经主译同意发布，未经主译允许不得转载