埃希菌属
文 / 刘晶星 陈 洪
埃希菌属（Escherichia）有5个种，在临床分离菌株中，大肠埃希菌（E. coli）是最常见的一个菌种。
大肠埃希菌自婴儿出生后数小时就进入肠道，并伴随终生，是肠道正常菌群中重要细菌之一，并能为宿主提供一些具有营养作用的合成代谢产物。但当宿主免疫力下降或细菌侵入肠道外组织器官，即可引起肠道外感染，特别是泌尿道感染。还有一些特殊血清型的大肠埃希菌能导致人类腹泻。
大肠埃希菌在环境卫生和食品卫生学中，常被用作粪便污染的检测指标。在分子生物学和基因工程研究中，大肠埃希菌是重要的实验材料。
一、生物学性状
形态结构 为0.4～0.7?m ?1～3?m中等大小的革兰阴性杆菌（图14-1）。无芽胞，多数菌株有周身鞭毛，能运动。有普通菌毛和性菌毛，有些菌株还有致病性菌毛。肠外感染菌株常有多糖包膜（微荚膜）。
图14-1 大肠埃希菌
扫描电镜 ?10000
培养特性 兼性厌氧，营养要求不高，在普通琼脂平板培养37℃24小时后，形成直径2mm～3mm的圆形凸起灰白色S型菌落。但在人和动物肠道中繁殖速度要慢得多，成倍增长的时间为一天。在血琼脂平板上有些菌株呈β溶血。在液体培养基中呈均匀浑浊生长。其生长温度范围广（15℃～45℃）。有些菌株对热的抗性较强，经60℃15分钟或55℃60分钟仍可存活。在肥沃的土壤表层可存活数月。
生化反应 能发酵葡萄糖等多种糖类，产酸并产气。绝大多数菌株发酵乳糖。在克氏双糖管中，斜面和底层均产酸产气，硫化氢阴性，动力阳性。可同沙门菌、志贺菌等区别。吲哚、甲基红、VP、枸橼酸盐（IMViC）试验结果为“++––”。凡IMViC试验示此结果的，判为典型的大肠埃希菌，表明被检物已有粪便污染，有传播肠道传染病的危险。大肠埃希菌一般不产生硫化氢。90%以上的菌株用4-methylumbellifery-β-glucuronide （MUG）作底物时，尿甘酸化物酶阳性，常用作尿道以外来自其他解剖部位大肠埃希菌分离菌株的确证试验。
DNA-DNA重组试验表明大肠埃希菌和志贺菌属于同一种遗传类型，因此可能有介于这两种细菌的中间株存在。某些无动力、厌氧、迟缓发酵或不发酵乳糖的菌株可能为这类菌中的一部分，它们易引起分类上的困难，现认为其为非典型大肠埃希菌。
抗原结构 大肠埃希菌抗原主要有O、H和K三种，是血清学分型的基础。通常使用的分型方法为细菌凝集试验。
O抗原为位于细胞壁最外层的脂多糖，由重复的多糖单位所组成。为细菌的内毒素。大肠埃希菌的O抗原超过170种。某些型别O抗原与腹泻和泌尿道感染密切相关。O抗原主要引起IgM型抗体。检测O抗原时，凝集试验必须采用加热煮沸过的菌体，以避免因K抗原和H抗原的存在而造成的不凝集现象。O抗原凝集相对较慢，呈颗粒状。大肠埃希菌之间，大肠埃希菌与枸橼酸杆菌属、沙门菌属、志贺菌属和耶尔森菌属中的细菌在O抗原上存在很多交叉反应。
H抗原位于鞭毛上，加热和用酒精处理，可使H抗原变性或丧失。大肠埃希菌H抗原超过56种，大多为单相，但亦存在双相菌株。H抗原主要引起IgG型抗体，与其它肠道菌基本无交叉反应。检测H抗原的凝集试验需采用经半固体培养基连续传代，福尔马林固定过的鞭毛丰富的菌株作抗原。H抗原的凝集出现较快，呈絮状。
K抗原位于O抗原的外层，为多糖。与细菌的侵袭力有关。大肠埃希菌K抗原在100种以上。K抗原分为L、A、B三型。L抗原实质上是一种菌毛抗原，A可能是荚膜，B则是一种荚膜抗原。一个菌株中，一般只含一个型别的K抗原。
表示大肠埃希菌血清型的方式是按O:K:H排列，例如O111:K58(B4):H2。
大肠埃希菌能产生大肠菌素，大肠菌素产生菌株对自身的细菌素有抗性，可用于大肠埃希菌的分型。
二、致病性
肠道外感染 多数大肠埃希菌在肠道内不致病，但如移位至肠道外的组织或器官，如尿道、胆道、前列腺、肺、骨和腹腔中其他部位则可引起肠道外感染。
肠道外感染以泌尿系统和化脓性感染最为常见。化脓性感染如腹膜炎、兰尾炎、手术创口感染；婴儿、老人或免疫力低下者的大肠埃希菌败血症；新生儿大肠埃希菌性脑膜炎。在泌尿系统感染中，尿道炎、膀胱炎、肾盂肾炎常见。大肠埃希菌常来源于病人肠道，细菌逆向上行引起感染。女性尿道较短、较宽，不能完全有效防止细菌上行，故女性泌尿道感染比男性高。年轻女性首次尿道感染，90%以上是由本菌引起。性交、怀孕亦为危险因素。在男性，前列腺肥大也是最常见的诱因。此外，因尿道阻塞、尿道结石、先天畸形、神经功能紊乱等引起的尿潴留在两性均易发生尿道感染。插管和膀胱镜也有可能带进细菌，造成感染的危险。尿道感染的临床症状主要有尿频、排尿困难、血尿和脓尿等。这些能引起泌尿系统感染的特殊血清型统称为肾盂肾炎致病性大肠埃希菌或尿路致病性大肠埃希菌（nephropathogenic E. coli，NPEC或uropathogenic E. coli，UPEC）。常见的有O1、O2、O4、O6、O7、O16、O18、O75等。
从人类肠道外感染中分离的绝大多数大肠埃希菌能产生溶血素。动物实验和基因工程研究证明，产生溶血素的菌株比不产生溶血素的菌株毒力强；80%以上引起新生儿脑膜炎的大肠埃希菌具有K1抗原；K抗原也是上尿道感染的重要致病因子。第三个致病因子是引起尿路感染的大肠埃希菌具有P菌毛。P菌毛能特异粘附到人红细胞P血型抗原上和尿道上皮细胞上引起病变。
腹泻 某些血清型可引起人类腹泻，与食入污染的食品和饮水有关，为外源性感染。根据其致病机制不同，主要有五种类型。
1．肠产毒素型大肠埃希菌（enterotoxigenic E. coli，ETEC） 是5岁以下婴幼儿和旅游者腹泻的重要病原菌。污染的水源在疾病传播中有重要作用。临床症状可从轻度腹泻至严重的霍乱样腹泻。致病物质主要是肠毒素和定植因子，后者可使细菌粘附到小肠上皮细胞上。
ETEC的肠毒素有不耐热和耐热两种，均由质粒编码。不耐热肠毒素（heat labile enterotoxin，LT）（MW 80?103）与霍乱弧菌产生的肠毒素密切相关，对热不稳定，65℃30分钟可被破坏。LT由1个A亚单位和5个B亚单位（ MW 26?103）组成。A亚单位是毒素的活性部位。B亚单位与肠粘膜上皮细胞表面的GM1神经节苷脂结合后，使A亚单位穿越细胞膜与腺苷环化酶作用，令胞内ATP转化为cAMP。胞质内cAMP水平增高后，导致肠粘膜细胞内水、氯和碳酸氢钾等过度分泌至肠腔，同时钠的再吸收减少，引起可持续几天的腹泻。LT一般不 引起肠粘膜的炎症或组织病变。LT与霍乱肠毒素两者间的氨基酸组成同源性达75%左右；它们的抗原性高度交叉；两者B亚单位的肠粘膜结合受体都是同一个GM1神经节苷脂。LT可刺激机体产生相应中和抗体，有保护作用。
ETEC的耐热肠毒素（heat stable enterotoxin，ST）为低分子量多肽（MW 1500～4000），对热稳定，100℃加热20 分钟仍不失活性。免疫原性差。ST可分STa和STb两型， STa的作用机制与LT的不同，其引起腹泻是通过激活肠粘膜细胞上的鸟苷环化酶，使胞内cGMP量增多而导致腹泻。而STb引起非环苷酸依赖的分泌。很多STa阳性菌株同时产生LT ，具有更强的致病性。
菌毛粘附素（adhesin）是ETEC致病的另一重要因素。能形成肠毒素而无菌毛的菌株，不会引起腹泻。菌毛粘附素常被称之为定植因子（colonization factor，CF）。与ETEC致病有关的定植因子主要包括K88、K99、?987P、F41、CFA/I（colonization factor antigen type I）和CFA/II等；其中CFA/I和CFA/II只在人源性ETEC中发现；ETEC菌毛的粘附作用具有高度专一性，如CFA其作用不被甘露糖所抑制，与大肠埃希菌Ⅰ型菌毛的受体完全不同。大肠埃希菌第一个被认识的定植因子是猪大肠埃希菌的表面抗原K88，菌毛性质，由转移性质粒控制。K88在小猪肠炎中具有重要的致病作用，实验表明大肠埃希菌O141失去K88质粒，其引起小猪腹泻的能力即随之消失；尚若从其它大肠埃希菌重新导入K88质粒，则毒力又重新恢复。猪有一基因编码小肠上皮细胞的K88受体，失去该受体，带有K88抗原的大肠埃希菌则不能在小肠上定植。定植因子具有很强的抗原性，能刺激宿主产生特异性抗体。在兽医界已制成口饲菌毛疫苗，在猪群中人工免疫后，可抵抗猪ETEC的侵袭。
CFA/I和CFA/II均由质粒介导，这些质粒也可同时编码LT和（或）ST。
与ETEC致病有关的物质尚有其内毒素LPS，以及具有抗吞噬作用的K抗原等。
2．肠侵袭型大肠埃希菌（enteroinvasive E. coli，EIEC） 较少见，主要侵犯较大儿童和成人。所致疾病很像菌痢，腹泻呈脓血便，有里急后重，故曾称志贺样大肠埃希菌（shigelloid E. coli）。EIEC不产生肠毒素，能侵袭结肠粘膜上皮细胞并在其中生长繁殖。细菌经消化道进入大肠后，穿过粘液层，粘附到肠上皮细胞上，引起细胞内吞，被带入细胞内空泡中。其毒力主要表现在能使空泡破坏，细菌进入上皮细胞胞浆中增殖，最后杀死细胞，再扩散到邻近细胞，导致组织破坏和随后的炎症发生。EIEC的侵袭与一种大质粒（120MD～140MD）有关，其携带有编码与侵袭有关的外膜蛋白基因及这些蛋白插入细胞膜所必须的基因。质粒还与细菌从胞浆空泡中逃逸及侵入临近宿主细胞有关。带有该质粒的菌株可引起豚鼠角膜Sereny试验阳性，并可侵袭HeLa细胞。EIEC的大质粒与志贺菌编码侵袭性蛋白 的大质粒高度同源，用侵袭性基因作探针，EIEC和志贺菌中的有毒株均能与之发生特异性反应。
EIEC无动力、生化反应和抗原结构也近似志贺菌。因此，若不注意，容易误诊为志贺菌。
3．肠致病型大肠埃希菌（enteropathogenic E. coli，EPEC）是在流行病学研究中最早发现的引起腹泻的大肠埃希菌。是婴幼儿腹泻的主要病原菌，严重者可致死，特别在热带国家。在医院中常引起暴发流行，但在发达国家已不常见。该菌成人感染少见。EPEC不产生肠毒素及其它外毒素，无侵袭力。病菌在十二指肠、空肠和回肠上段粘膜表面大量繁殖，粘附于微绒毛，导致刷状缘被破坏、微绒毛萎缩、上皮细胞排列紊乱和功能受损，造成严重水样腹泻，常为自限性，但可转变成慢性。
EPEC粘附和破坏肠粘膜结构的步骤有三：①Bfp（bundle forming pili）介导菌与细胞的疏松粘附，Bfp由EAF（EPEC adherence factor）质粒上的bfpA基因编码和受dsbA基因的调控使之活化；②信号传递，由染色体上的eaeB （E. coli attachment B）基因介导，eaeA基因受per（plasmid encoded regulator）基因产物作用而活化；③紧密粘附素（intimin）介导菌与细胞的紧密结合。紧密粘附素由染色体上eaeA基因编码，它是一种外膜蛋白。在此最末阶段，细胞内肌动蛋白重排，导致微绒毛的破坏。严重干扰对肠道中液体等的吸收功能。
EPEC对细胞的粘附有两种类型。局限性粘附指病菌呈块状粘附在肠粘膜细胞表面的某一部分；弥散性粘附是指病菌主要以单个分散粘附在细胞表面。由于两者在生物学特征、致病特点等方面存在较大差异，有学者建议称弥散粘附的EPEC为EPECⅡ型或弥散粘附型大肠埃希菌（diffusely adherent E. coli，DAEC）。
4．肠出血型大肠埃希菌（enterohemorrhagic E. coli，EHEC）亦称为vero毒素大肠埃希菌（verotoxigenic E. coli，VTEC）。为出血性结肠炎和溶血性尿毒综合征的病原体。1982年首先在美国发现，其血清型为0157:H7。以后在世界各地有散发或地方小流行。1996年日本大阪地区发生流行，患者逾万，死亡11人。5岁以下儿童易感染，感染菌量可低于100个。症状轻重不一，可为轻度水泻至伴剧烈腹痛的血便。约10% 10岁以下患儿可并发有急性肾衰竭、血小板减少、溶血性贫血的溶血性尿毒综合征（hemolytic uremic syndrome，HUS），死亡率达10%左右。污染食品是EHEC感染的重要传染源，牛可能是O157:H7的主要储存宿主。
EHEC的致病因子主要有菌毛和毒素。病菌进入消化道后，由紧密粘附素介导与宿主末端回肠、盲肠和结肠上皮细胞结合，然后释放毒素，引起血性腹泻。该毒素能使vero细胞（非洲绿猴肾细胞系）产生病变，故称vero毒素；又因同志贺菌的毒素在生物学特性、物理特性和抗原性等方面相似，亦称志贺样毒素（shiga-like toxin，SLT）； EHEC的VT 分两型，VT-Ⅰ与痢疾志贺菌的ST基本相同，可被抗志贺菌抗毒素中和。VT-Ⅱ则与ST有60%的同源。两型毒素均由溶原性噬菌体介导。VT由1个A亚单位和5个B亚单位组成。B亚单位与宿主细胞特异糖脂结合；A亚单位内在化后裂解成两个分子，其中A1片段与28S rRNA的4324位腺嘌呤作用，使核糖体灭活，终止蛋白质合成。HUS在产生VT-Ⅱ的EHEC中较多，实验表明VT-Ⅱ能选择性地破坏肾内皮细胞。与EHEC致病有关的尚有内毒素和溶血素。
EaeA基因编码紧密粘附素，它与EPEC的eaeA高度相似。stx基因编码VT毒素。
能产生VT的大肠杆菌血清型至少有160种，可从人、动物，特别是牛和猪中分离得，另发现非大肠杆菌中亦有产VT的菌株，如枸橼酸杆菌属中的某些种。产VT的大肠杆菌血清型以O157:H7为主，但不同国家的流行株不一定相同。例如美国、日本为O157:H7；意大利为O111:H11；澳大利亚为O111:H-；德国为弗劳地枸橼酸杆菌（Citrobacter freundii）等。
5．肠集聚型大肠埃希菌（enteroaggregative E. coli，EaggEC） 引起婴儿持续性腹泻，脱水，偶有血便。不侵袭细胞。可产生毒素和粘附素。毒素为肠集聚耐热毒素（enteroaggregative heat-stable toxin，EAST），抗原上与ETEC的ST有关，可导致大量液体分泌。另一毒素似大肠埃希菌的α溶血素。有4种不同形态的菌毛，其中集聚性粘附菌毛I（aggregative adherence fimbriae I，AAF/I）与EPEC中bfp基因编码的菌毛很相似。细菌通过菌毛粘附于肠粘膜上皮细胞，在细胞表面聚集，形成砖状排列，阻止液体吸收，并产生毒素。
三、微生物学检查法
临床标本的检查 采用细菌分离与鉴定的方法。
1．标本 肠外感染采取中段尿、血液、脓液、脑脊液等；腹泻则取粪便。
2．分离培养与鉴定
（1）肠道外感染
①涂片染色检查：除血液标本外，均需作涂片染色检查。脓、痰、分泌物可直接涂片，革兰染色后镜检。尿液和其它液体先低速离心，再取沉淀物作涂片。
②分离培养：血液接种肉汤增菌，待生长后再移种血琼脂平板。体液标本的离心沉淀物和其它标本直接划线分离于血琼脂平板。35-37℃孵育18-24小时后观察菌落形态。
③鉴定：初步鉴定根据IMViC（++--）试验，最后鉴定靠系列生化反应。尿路感染尚需记数菌落量，每毫升≥10万才有诊断价值。
（2）肠道内感染 将粪便标本接种于鉴别培养基，挑选可疑菌落并鉴定为大肠杆菌后，再分别检测不同类型致腹泻大肠埃希菌的肠毒素、毒力因子和血清型等特征。
①ETEC：过去用动物或细胞培养测定LT或ST，较为复杂；现可用ELISA法、RIA法或基因探针检测这些肠毒素。
②EIEC：与志贺菌相似，多数EIEC无动力，乳糖不发酵或迟缓发酵。毒力试验可将被检菌液接种于豚鼠眼结膜囊内，可产生典型的角膜结膜炎症状，并在角膜上皮细胞内有大量细菌，是为Sereny试验阳性。毒力试验亦可在组织培养中进行。
③EPEC：用特异性多价和单价O、H抗血清与分离菌作凝集试验，测定特异血清型，亦可以ELISA、细胞培养法和DNA探针来检测粘附因子。
④EHEC：O157:H7血清型多数对山梨醇不发酵或缓慢发酵。VT毒素可用ELISA法测定，灵敏度达60pg/ml，亦可用PCR法结合基因探针检测VT基因。
⑤EAggEC：用液体培养-集聚试验（liquid-culture clump aggregation）检测受检菌的粘附性，或用探针技术测定EAST基因。
卫生细菌学检查 以大肠菌群数和细菌总数为指标。
寄居于肠道中的大肠埃希菌不断随粪便排除，可污染周围环境、水源、饮料及食品。样品中检出此菌愈多，表示被粪便污染愈严重，也间接表明可能有肠道致病菌污染。因此，卫生细菌学以“大肠菌群数”作为饮水、食品等粪便污染的指标之一。
1．大肠菌群数 指每1 00毫升（克）样品中的大肠菌群最近似数。大肠菌群系指在37℃ 24 小时内发酵乳糖产酸产气需氧和兼性厌氧的肠道杆菌，包括埃希菌属、枸櫞酸杆菌属、克雷伯菌属及肠杆菌属等。我国卫生标准规定，大肠菌群在每升饮水中不得超过3个；每100ml瓶装气水、果汁中不得超过5个。
2．细菌总数 检测每毫升或每克样品中含细菌数。样品稀释后以平皿倾注法做细菌菌落计数。卫生标准为每毫升饮用水细菌总数不得超过100个。
四、防治原则
疫苗免疫预防已在畜牧业领域中开展了广泛研究。在家畜中，用菌毛疫苗防治新生畜崽腹泻已获得成功。例如在孕牛产前6个月接种大肠杆菌K99株的菌毛抗原，则新生牛犊吮乳后可被动获得特异菌毛抗体而受到同型菌毛型大肠杆菌感染的免疫保护。一种使用ST与LT B亚单位交联的人用疫苗正在研究中。
大肠埃希菌很多菌株都已获得耐一种或几种抗生素的质粒，耐药性非常普遍。因此抗生素治疗应在药物敏感试验的指导下进行，特别是细菌性脑膜炎。尿道插管和膀胱镜检查应严格无菌操作。对腹泻病人应进行隔离治疗，及时校正水和电解质平衡；污染的水和食品是ETEC最重要的传染媒介，EHEC则常由污染的肉类和未消毒的牛奶引起，如美国多次EHEC流行，传染源多是汉堡包中污染EHEC的牛肉馅。