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用作「生物武器」的細菌長啥樣?多張影象揭秘致病菌

2021-04-02 00:00:00健康

編者按

細菌、寄生蟲、病毒無處不在,但是它們個體微小,無法被我們的肉眼所識別,不過,藉助不斷進步的顯微技術,我們現在可以看見這些微生物的真實模樣。近期,IBM 公司特別展示了 50 張來自美國國家過敏和傳染病研究所的掃描電鏡影象,以展現微觀世界的絢爛多彩。圖片包括細菌、病毒、螺旋體和免疫細胞等。

此前,我們特別呈現了 20+ 張關於病毒與寄生蟲的微觀影象,今天,我們特別選取了其中關於細菌的影象,並對相關的知識進行簡單介紹。

生物武器:土拉弗朗西斯菌

土拉弗朗西斯菌可以引起土拉桿菌病(兔熱病),感染者會出現高熱、渾身疼痛、腺體腫大和咽食困難等症狀。由於該細菌最小感染劑量低、毒性強、易透過氣溶膠傳播,所以被視為一級恐怖主義生物製劑。

20 世紀初,針對該細菌開發了幾種疫苗,其中研究最廣泛的疫苗菌株是減毒活疫苗菌株(LVS),源自於土拉菌全北極亞種的毒性菌株。雖然,LVS 疫苗在人類和動物身上仍然具有一定的毒性,但已在人體上初步證明瞭其有效性[1]。目前,僅對高危人員進行該疫苗的接種,並未應用於大眾。

上圖是土拉弗朗西斯菌 LVS 株感染小鼠巨噬細胞的掃描電鏡影象。製片過程中需要等到臨界點乾燥後,用玻璃紙膠帶接觸細胞表面,使巨噬細胞乾裂,暴露出細胞內的細菌。細菌(藍色)位於胞漿內或囊泡內。

淋病兇手:淋病奈瑟菌

淋病是世界上最常見的性傳播細菌疾病之一,由淋病奈瑟菌感染引起,常見的症狀有尿道分泌膿性分泌物、尿道疼痛等。如果治療不及時,可能的併發症包括盆腔炎症和不孕症。

根據 WHO 的資料,每年的淋病患者人數高達到 7800 多萬人[2],它是中國大陸常見的性傳播疾病,也是《中華人民共和國傳染病防治法》中規定的需重點防治的乙類傳染病。

上圖是導致淋病的淋病奈瑟菌的掃描電鏡影象。

結核病兇手:結核分枝桿菌

結核病是由結核桿菌感染引起的慢性傳染病,可透過空氣在人與人之間傳播。由於耐藥病例的不斷增加,現已成為一個全球公共衛生問題。

結核分枝桿菌可侵入人體全身的各個器官,但主要侵犯肺臟,稱為肺結核病,主要表現為咳嗽、咳痰。腎結核病常見症狀為尿痛、尿急等。此外,結核患者一般還會出現虛弱、低熱、盜汗等[3]。

上圖是導致結核病的結核分枝桿菌的掃描電鏡影象。

梅毒兇手:梅毒螺旋體

梅毒由梅毒螺旋體感染引起,可造成血管塌陷、區域性供血受阻、血管炎症、組織壞死等,梅毒在世界範圍內廣泛傳播,每年約有數百萬人患病,而在低收入和中等收入國家,發病率和死亡率更是節節攀升[4]。

上圖是導致梅毒的梅毒螺旋體的掃描電鏡影象。

蜱傳復發熱:赫母斯氏包柔氏螺旋體

赫母斯氏包柔氏螺旋體可引起蜱傳復發熱,這種疾病在美國西部和加拿大不列顛哥倫比亞省南部的高海拔地區和針葉林中非常流行。

該病的患者通常是被感染赫母斯氏包柔氏螺旋體的蜱蟲叮咬後,4 天到 18 天開始發病,其特點是反覆出現發熱並伴有各種其他表現,包括頭痛、肌肉疼痛、關節痛、寒戰、嘔吐和腹痛等。

若患者血液鏡檢赫母斯氏包柔氏螺旋體陽性,則可確認為蜱傳復發熱[5]。

上圖則是赫母斯氏包柔氏螺旋體的掃描電鏡影象。

多重耐藥:耐甲氧西林金黃色葡萄球菌

金黃色葡萄球菌是常見的致病菌之一,可引起食物中毒、皮肤和組織感染,甚至菌血症和心內膜炎。導管、支架等侵入性材料,被認為是金黃色葡萄球菌感染的主要因素之一。

在前抗生素時代,侵入性金黃色葡萄球菌感染造成的死亡率一直很高,直到青黴素的出現,這一局面才發生了轉變。但好景不長,由於青黴素的廣泛使用,金黃色葡萄球菌產生了青黴素耐藥性。

為了應對耐青黴素金黃色葡萄球菌,甲氧西林,一種半合成的青黴素,在 1959 年面世。然而,耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)在很短的時間內迅速出現,並幾乎對所有青黴素類抗生素都具有耐藥性,成為了當前醫院感染的主要致病菌[6]。

上圖是掃描電鏡拍攝下的被細胞碎片包裹著的 MRSA。

上圖顯示的是 MRSA252 菌株與人白細胞的相互作用。MRSA252 菌株是美國和英國醫院感染的主要原因之一。

上圖是中性粒細胞攝入 MRSA 的掃描電鏡影象。

上圖展現了 MRSA 與死亡嗜中性粒細胞之間的糾纏。

醫院獲得性感染:耐碳青黴烯類肺炎克雷伯菌

肺炎克雷伯菌屬於腸桿菌科,是人類口腔和腸道的正常微生物。但是部分肺炎克雷伯菌具有致病性,是引發醫院獲得性感染的常見微生物。20~80%的肺炎克雷伯菌對至少一種抗生素耐藥,包括頭孢菌素類、氟喹諾酮類、氨基糖苷類以及碳青黴烯類。

2002 年,希臘的一家醫院出現了產生VIM型碳青黴烯酶的肺炎克雷伯菌,隨後該菌在世界各地廣泛傳播。耐碳青黴烯類肺炎克雷伯菌是一種多重耐藥菌,可引起嚴重的醫院感染,治療失敗率和死亡率都很高,已對全球人類健康構成嚴重威脅[7]。

上面兩幅圖顯示的是耐碳青黴烯類肺炎克雷伯菌與人類中性粒細胞的相互作用。

鏈球菌:A型和B型各有不同

鏈球菌隸屬於厚壁菌門乳桿菌目,革蘭氏染色陽性。鏈球菌的細胞分裂發生在同一個軸面上,因此當它們生長時,往往成對或成鏈,可能出現彎曲或斷裂。大多數鏈球菌是兼性厭氧菌,常見的鏈球菌有 A 型鏈球菌和 B 型鏈球菌。

A 型鏈球菌可引起侵入性和非侵入性感染,其中常見的非侵入性感染,包括鏈球菌性咽喉炎、膿皰病和猩紅熱等。而由 A 型鏈球菌引起的侵入性感染,往往更嚴重,比如鏈球菌中毒性休克綜合徵、壞死性筋膜炎、肺炎和菌血症。

據估計,全球每年有 50 多萬人死於 A 型鏈球菌感染,使其成為世界上主要的病原體之一[8]。

上圖是 A 型鏈球菌(黃色)感染人嗜中性粒細胞的掃描電鏡影象。

B 型鏈球菌可引起新生兒和老年人的肺炎和腦膜炎,它是 1~3 月齡嬰兒腦膜炎最常見的病因。它們還可以定植於腸道和女性生殖道,增加妊娠期胎膜提早破裂的風險,並導致嬰兒的感染[9]。

上圖是 B 組鏈球菌的掃描電鏡影象。

有好有壞:大腸桿菌

大腸桿菌在正常的動物腸道微生物組中自然存在,但是其中有一部分大腸桿菌在一定條件下會引起疾病,主要是由特定的菌毛抗原、致病性毒素等感染引起的。引發的疾病包括胃腸道感染、尿道感染、關節炎、腦膜炎以及敗血癥等[10]。

上圖是生長在培養基上的大腸桿菌的掃描電鏡影象。

參考文獻:

1.Jia Qingmei,Horwitz Marcus A,F. tularensisLive Attenuated Tularemia Vaccines for Protection Against Respiratory Challenge With Virulent subsp. .[J] .Front Cell Infect Microbiol, 2018, 8: 154.

2.M?ynarczyk-Bonikowska Beata,Majewska Anna,Malejczyk Magdalena et al. Multiresistant Neisseria gonorrhoeae: a new threat in second decade of the XXI century.[J] .Med Microbiol Immunol, 2020, 209: 95-108.

3.Acharya Bodhraj,Acharya Ashma,Gautam Sanjay et al. Advances in diagnosis of Tuberculosis: an update into molecular diagnosis of Mycobacterium tuberculosis.[J] .Mol Biol Rep, 2020, 47: 4065-4075.

4.Gogarten J F,Düx A,Schuenemann V J et al. Tools for opening new chapters in the book of Treponema pallidum evolutionary history.[J] .Clin Microbiol Infect, 2016, 22: 916-921.

5.Schwan, Tom G.; Policastro, Paul F.; Miller, Zachary; Thompson, Robert L.; Damrow, Todd; Keirans, James E. (September 2003). Tick-borne Relapsing Fever Caused by Borrelia hermsii, Montana.[J]. Emerging Infectious Diseases. 9 (9): 1151–1154.

6.Jian M , Chen L , Wang J , et al. Current methodologies on genotyping for nosocomial pathogen methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA)[J]. Microbial Pathogenesis, 2017, 107:17-28.

7.Karampatakis Theodoros,Antachopoulos Charalampos,Iosifidis Elias et al. Molecular epidemiology of carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae in Greece.[J] .Future Microbiol, 2016, 11: 809-23.

8.Cohen-Poradosu R, Kasper DL (2007). Group A streptococcus epidemiology and vaccine implications. [J] Clin. Infect. Dis. 45 (7): 863–5. doi:10.1086/521263.

9.Schrag S, Gorwitz R, Fultz-Butts K, Schuchat A (2002). Prevention of perinatal group B streptococcal disease. Revised guidelines from CDC [J]. MMWR Recomm Rep. 51 (RR-11): 1–22.

10.https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%A7%E8%82%A0%E6%9D%86%E8%8F%8C/556836?fr=aladdin

作者|Jessica