具核梭杆菌和全身疾病相关性的综述

具核梭杆菌和全身疾病相关性的综述摘要：具核梭杆菌(Fusobacteriumnucleatum,F.nucleatum)属于革兰阴性专性厌氧菌，参与牙周疾病的炎症反应，是牙周炎的可疑致病菌之一。该菌除可引起口腔疾病外，还可在败血症相关感染，盆腔炎，脑、肝、肺、脾等脏器的脓肿中分离获得。近来关于F.nucleatum与早产低体重儿、结直肠癌及呼吸道感染相关性的研究成为热点，本将对F.nucleatum生物学功能及与口腔感染、全身疾病相关性的研究进展作一综述。F.nucleatum的生物学功能1.1生物学特性与分型F.nucleatum是一种革兰阴性无芽孢专性厌氧菌，两端尖锐，中间膨大，状如梭形。最适生长环境为37℃专性厌氧环境，血平板上菌落形态为扁平、边缘不齐、中央凸起的半透明茵落，呈玻璃屑或面包屑状。最早在1893年由vanLeeuwenhock从牙菌斑中分离到梭状的微生物，1898年Veillon和Zuber纯化了这种细菌并命名为成梭杆菌(Bacillusfusi-forrnis)1992年由Korr将F.nucleatum归类为梭杆菌属(Fusobacterium)。1990年Drink等根据全菌体蛋白电泳特征和DNA同源性等将F.nucleatum分为三个亚种：(1)具核梭杆菌具核亚种(nucleatumsubsp.nucleatum),其模式株为ATCC25586;(2)具核梭杆菌多形亚种(F.nucleatumsubsp.polymorphum),其模式株为ATCC10953;(3)具核梭杆菌文森亚种(F.nucleatumsubsp.vincentii),其模式株为ATCC19256。而后Gharbia等将具核梭杆菌动物株(F.nucleatumsubsp.animalis,模式株为NCTC12276)独立成一个亚种，人类株分成三个亚种，即具核亚种、多形亚种和成梭亚种(F.nucleatumsubsp.fusifome,模式株为NCTC11326)。细菌共聚作用共聚是指不同种细菌间的粘附。研究证实F.nucleatum凭借其表面不同的粘附素，可与几乎所有的口腔细菌发生共聚，在菌斑生物膜形成过程中担任“桥梁”分子，对菌斑生物膜的成熟至关重要。然而F.nucleatum与口腔早期定植菌和晚期定植菌的共聚形式是不同的。Kaplan等研究发现F.nucleatum细胞外膜蛋白RadD是一种精氨酸可抑制性粘附素,介导F.nucleatum与革兰阳性早期定植菌血链球菌的共聚［1］。F.nucleatum与革兰阴性晚期定植菌的共聚是由粘附素Fap—2介导的一种半乳糖敏感性的共聚［2］。粘附和侵入粘附和侵入宿主细胞是F.nucleatum发挥毒力作用的重要环节。研究证实F.nucleatum具有很强的粘附能力，可粘附于上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞、多形核白细胞等多种宿主细胞表面，并与唾液大分子、细胞外基质蛋白等结合，激发一系列宿主反应。通过糖抑制试验发现含有半乳糖的糖类强烈抑制F.nucleatum对上皮细胞的粘附，不含半乳糖的糖类仅有很弱的抑制作用或没有抑制作用，所以F.nucleatum对上皮细胞的粘附涉及到一种半乳糖限制性凝集素。2015年Coppenhagen-Glazer等研究证实粘附素Fap2不仅介导F.nucleatum与晚期定植菌牙龈卟啉单胞菌的半乳糖敏感性共聚，而且参与调控F.nucleatum对人胚胎肾细胞的粘附能力。Coppenhagen-Glazer等将F.nucleatumFap2突变株经由鼠尾静脉注射人怀孕15~17d的雌鼠体内，24h后收集孕鼠胎盘,发现F.nucleatumFap2突变株在胎盘的定植能力明显减弱［2］。目前认为细菌可通过胞吞和拉链两种机制侵入细胞。研究发现大部分的牙周致病菌如伴放线聚集杆菌和牙龈卟啉单胞菌等是通过胞吞机制侵入宿主细胞。Han等通过电镜观察首次证实了Fnucleaturn是通过拉链机制侵入上皮细胞，需要细菌编码的配体和宿主细胞表面的相应受体特异性结合，并不引起细胞表面形态的改变。2005年Han等发现了一种仅存于口腔梭杆菌属菌体表面，与梭杆菌粘附、定植宿主细胞密切相关的新型粘附素FadA。2007年Xu等构建了fadA基因缺陷株(F.—cleaturnUS1)和互补株(F.nucleatumUSF81)，发现fadA基因缺陷株对细胞的结合力下降了70%~80%,而互补株的细胞结合增加了3~4倍，证明FadA与F.nucleatum的粘附性密切相关［3］。Han等通过动物实验证实F.nucleatum能经血行到达胎盘并粘附到胎盘内皮细胞上，引发怀孕大鼠的早产和死胎［4］。FadA在F.nucleatum粘附侵入胎盘内皮细胞中发挥重要作用［5］。而后Fardini［6］和Rubinsteinl［7］相继证明宿主细胞膜上的钙黏蛋白是FadA的受体，是F.nucleatum能高效附着细胞的必需条件。F.nucleatum与口腔感染以往的研究已经证实F.nucleatum是龈上菌斑、龈下菌斑、牙周袋及感染根管等口腔感染部位的主要优势菌，F.nucleatum的检出率和定植数量与牙周组织的炎症、破坏程度之间存在正相关关系［8］。此外，我们还可在牙龈炎和牙周炎患者唾液中检测到较高含量的F.nucleatum［9］真血清抗体滴度亦相应升高。F.nucleatum的含量受环境因素影响。吸烟可增加健康牙周和感染牙周袋内F.nucleatum的含量［10］。伴2型糖尿病的慢性牙周炎患者F.nucleatum含量较单纯慢性牙周炎患者高很多［11］。动物实验证实F.nucleatum可引发牙周感染。利用F.nucleatum单独感染小鼠可造成牙周骨缺损或牙周脓肿形成。当F.nucleatum分别与福赛坦菌、牙龈卟啉单胞菌共同感染小鼠时，菌群问的毒力协同作用加重了牙周骨缺损、脓肿程度，甚至导致小鼠的死亡［12-13］。F.nucleatum与全身疾病F.nucleatum与早产低体重儿早产低体重儿(pretermlowbirthweight,PLBW)的传统危险因素有习惯性流产、高龄孕妇(36岁以上)、低龄孕妇(18岁以下)、孕妇身材过矮或体重过轻、子宫内膜炎、细菌性阴道炎、吸烟、酗酒等。然而这些传统危险因素并不能完全解释PLBW的发生，至今仍有25-30的患儿病因不明。2O世纪9O年代Offenbacher等首次提出牙周炎与PLBW的相关性。牙周炎症主要可通过两条途径对妊娠结局产生影响：(1)牙周疾病使血液循环中炎性因子如白细胞介素-18(interleukin-1p,IL-113)、IL-6、基质金属蛋白酶、肿瘤坏死因子-a(tumornecrosisfactor—a,TNF-a)浓度上升，导致PLBW;(2)牙周致病菌直接侵入胎盘或某些细菌成分(如脂多糖)入血，刺激羊膜绒毛膜产生前列腺素E2(prostaglandinE2,PGE2)和TNF—a,造成胎膜破裂,引发PLBW。Koren等对胎盘微生物样本测序研究表明，与阴道、肠道、呼吸道等位点相比，胎盘微生物群落组成与口腔最为相似。Roberts对患有牙周炎的羊膜完整的早产孕妇羊水进行分离培养，检出最多的细菌是F.nucleatum。Mikamo等认为F.nuclea—turn产生的磷脂酶能使细胞膜的磷脂水解，花生四烯酸释放,产生的前列腺素诱发宫缩，导致早产。Han等为证实F.nucleatum的致病作用,将F.nucleatum注射到孕鼠静脉内，孕鼠发生了早产、死胎或幼鼠在出生后短时间内死亡，并首次在小鼠胎盘血管的上皮细胞中检出了F.nucleatum［4］,说明F.nucleatum可先侵入血管内皮细胞，随后感染胎盘导致早产和死胎等不良妊娠结局［14-15］。研究表明粘附素FadA在F,nucleatum粘附侵入胎盘内皮细胞中发挥重要作用［5］。Fardini等发现F.nucleaum可通过FadA直接与血管内皮钙黏蛋白415-534区域结合,改变后者在细胞内的分布,使其离开细胞一细胞连接处向胞内迁移,导致血管内皮细胞完整性改变,通透性增强,从而使F.nucleatum通过松开的细胞间结点穿过血管内皮，得以通过血液循环传播至机体其他脏器,甚至穿透胎盘和血-脑屏障。同时，FadA结合并作用于钙黏蛋白而破坏宿主细胞屏障的完整性,增强了大肠杆菌对血管内皮的穿透,说明F.nucleatum的感染与定植可为其他细菌的侵入创造条件［6］。综上所述,牙周健康状况不仅关系到全身健康,而且会影响到下一代。母亲牙周炎与早产低体重儿存在关联,可作为早产低体重儿的独立危险因素,而牙菌斑中的致病厌氧菌又是牙周炎的罪魁祸首。因此及时有效的清除牙菌斑就成为预防早产低体重儿发生的关键。F.nucleatum与结直肠癌结直肠癌(colorectalcancer,CRC)是最常见的恶性肿瘤之一,其发病率和病死率均在全球位居癌症前3位，近年呈上升趋势。CRC的发生、发展与遗传、环境、饮食及生活方式等多种因素有关，但其真正病因及发病机制尚未完全明确。结肠长期暴露于肠道微生态环境下，CRC的发生可能是某些微生物作用的结果。Chen等检测了46例结肠癌患者的结肠癌组织和肠腔内的菌群组成，发现结肠癌组织中的梭杆菌比例(4.97)高于肠腔(O.47)。Kostic等利用全基因测序技术发现CRC组织中梭杆菌的富集现象，其中以F.nucleatum居多，提示F.nucleatum可能与结肠癌的发生相关。Castellarin等在大肠癌组织中亦测到高浓度的F.nucleatum,且F.nucleatum含量与淋巴结转移高度相关。Flanaga等亦发现F.nucleatum与CRC的侵袭能力(如淋巴结转移)相关E183。在此基础上Rubinstein等深入研究了F.nucleatum促进结肠炎及结肠癌发展的可能作用机制［7］。该研究发现结肠癌患者病变组织中的fadA基因表达水平高于正常人群的结肠组织，且同一患者病变部位的fadA基因表达水平也高于相邻正常结肠组织。体外实验对比F.nucleatum、F.nucleatumUS1和F.nucleatumUSF81对人结肠癌细胞HCT116的结合率，结果显示FadA是细菌粘附及侵入HCT116细胞的必需因子，且单独的FadA能与F.nucleatum同等程度地刺激肿瘤基因和炎症基因的表达，表明FadA是F.nucleatum在刺激结肠癌细胞增殖和激发细胞炎症反应中的主要毒力因子。同时，Rubinstein等发现F.nucleatum无法粘附和侵入不表达E-钙黏蛋白的结肠癌细胞，证明E-钙黏蛋白是FadA的关键性细胞结合受体。此外，FadA和F.nucleatum刺激HCT116细胞可诱导核转录因子NF-kB,促炎细胞因子IL-6、IL-8和IL-18,癌基因wnt7A、7B,e-myc和细胞周期蛋白D1的表达，但对表达E_钙黏蛋白的非结肠癌癌性细胞HEK293无促进细胞增殖和炎症反应的作用。Kostic等认为F.nucleatum产生的促炎性微环境能促进结肠癌的进展［19］。因此，FadA或许并不是结肠癌发生的罪魁祸首，但对结肠癌的进展起到推进作用。综上,FadA是口腔F.nucleatum的特异性粘附素，牙周可疑致病菌F.nucleatum很可能是连接牙周病与结肠癌的关键点。这不仅提示患者保持口腔卫生的重要性，未来还可思考将口腔内F.nucleatum的fadA基因表达水平作为结肠癌的预测和诊断指标。F.nucleatum与呼吸道疾病研究表明呼吸道感染具有较高的人群发病率和死亡率，且占据了绝大部分的居民健康保健费用。近年来牙周炎与呼吸道感染的关系越来越受到重视。1999年Scannapieco等提出口腔致病菌及分泌物的吸入可引发或加重呼吸道的感染,其作用机制可能为：(1)口腔致病菌如牙龈卟啉单胞菌、伴放线聚集杆菌被吸入肺部，可导致肺部感染；(2)唾液中与牙周炎相关的酶类可改变黏膜表面粘附受体，促进呼吸道致病粘附和定植，进而吸入肺内；(3)与牙周炎相关的酶类可破坏口腔致病菌表面的唾液薄膜，使其从口腔黏膜表面清除，粘附于呼吸道上皮；(4)来自牙周感染的炎性细胞因子可改变呼吸道上皮表面，促进呼吸道致病菌的感染。谭丽思等收集慢性阻塞性肺疾病患者痰标本利用realtimePCR技术检测到F.nucleatum的定植，而且F.nucleatum相对含量随着患者肺通气功能的减弱而增加，提示F.nucleatum与慢性阻塞性肺疾病密切相关[20]。大量的流行病学调查证实F.nucleatum很容易造成患有慢性疾病患者(如肿瘤、免疫缺陷、糖尿病等)的感染，呼吸道是其感染的主要来源，且具有很高的呼吸衰竭死亡率[21-22]。2014年Gedik等首次发现F.nucleatum感染造成健康儿童的支气管内损伤，提示我们不能一再地凭借经验主义应用广谱抗生素治疗儿童肺炎和肺脓肿，应该考虑到厌氧菌F.nucleatum感染[23]。鉴于呼吸道感染是导致囊性纤维化(cysticfibrosis，CF)患者死亡的主要因素，Kramer等分析经抗生素治疗后CF患者呼吸道菌群特性，发现F.nucleatum等厌氧菌群在CF患者痰标本中亦具有较高的含量和稳定度，说明F.nucleatum可能会影响CF患者气道菌群生态系，甚至改变菌群的致病性。综上所述，F.nucleatum是一种与口腔感染及身体其他部位感染性疾病密切相关的病原菌，对F.nucleatum毒力机制的研究，将为预防和治疗口腔及全身感染性疾病提供新的思路。参考文献[1]KaplanChristopherW,LuxRenate,HaakeSusanKinder,ShiWenyuan.TheFusobacteriumnucleatumoutermembraneproteinRadDisanarginine-inhibitableadhesinrequiredforinter-speciesadherenceandthestructuredarchitectureofmultispeciesbiofilm.MolecularMicrobiology.2008[2]Coppenhagen-GlazerS,SolA,AbedJ,etal.Fap2ofFusobacteriumnucleatumisagalactose-inhibitableadhesininvolvedincoaggregation,celladhesion,andpretermbirth[J].Infection&Immunity,2015,83(3):1104.[3]XuM,YamadaM,LiM,etal.FadAfromFusobacteriumnucleatumutilizesbothsecretedandnonsecretedformsforfunctionaloligomerizationforattachmentandinvasionofhostcells.[J].JournalofBiologicalChemistry,2007,282(34):25000.[4]HanYW,ShenT,ChungP,etal.Uncultivatedbacteriaasetiologicagentsofintra-amnioticinflammationleadingtopretermbirth.[J].JournalofClinicalMicrobiology,2009,47(1):38-47.[5]IkegamiA,ChungPHanYW.ComplementationofthefadAmutationinFusobacteriumnucleatumdemonstratesthatthesurface-exposedadhesinpromotescellularinvasionandplacentalcolonization.[J].Infection&Immunity,2009,77(7):3075-9.[6]KaplanChristopherW,LuxRenate,HaakeSusanKinder,ShiWenyuan.TheFusobacteriumnucleatumoutermembraneproteinRadDisanarginine-inhibitableadhesinrequiredforinter-speciesadherenceandthestructuredarchitectureofmultispeciesbiofilm.MolecularMicrobiology.2008[7]J.-H.Moon,J.-H.Lee,J.-Y.Lee.Subgingivalmicrobiomeinsmokersandnon-smokersinKoreanchronicperiodontitispatients[J].MoloralMicrobiol.2015(3)Fardini,Y,etal."FusobacteriumnucleatumadhesinFadAbindsvascularendothelialcadherinandaltersendothelialintegrity."MolecularMicrobiology82.6(2011):1468-80.[1]Rubinstein,MaraRoxana,etal."Fusobacteriumnucleatum,PromotesColorectalCarcinogenesisbyModulatingE-Cadherin/0-CateninSignalingviaitsFadAAdhesin."CellHost&Microbe14.2(2013):195.[8]Yang,N.Y.,etal."ProgressionofperiodontalinflammationinadolescentsisassociatedwithincreasednumberofPorphyromonasgingivalis,Prevotellaintermedia,Tannerellaforsythensis,andFusobacteriumnucleatum."InternationalJournalofPaediatricDentistry24.3(2014):226-233.[9]Zhou,X.,etal."Real-timePCRquantificationofsixperiodontalpathogensinsalivasamplesfromhealthyyoungadults."ClinicalOralInvestigations19.4(2015):937-946.[10]Bizzarro,S,etal."Subgingivalmicrobiomeinsmokersandnonsmokersinperiodontitis:anexploratorystudyusingtraditionaltargetedtechniquesandanext-generationsequencing."JournalofClinicalPeriodontology40.5(2013):483-492.[11]Casarin,R.C.V.,etal."Subgingivalbiodiversityinsubjectswithuncontrolledtype-2diabetesandchronicperiodontitis."JournalofPeriodontalResearch48.1(2013):30-6.[12]Settem,RajendraP.,etal."FusobacteriumnucleatumandTannerellaforsythiaInduceSynergisticAlveolarBoneLossinaMousePeriodontitisModel."Infection&Immunity80.7(2012):2436-43.[13]David,Polak,etal."MousemodelofexperimentalperiodontitisinducedbyPorphyromonasgingivalis/Fusobacteriumnucleatuminfection:bonelossandhostresponse."JournalofClinicalPeriodontology36.5(2010):406-410.[14]Han,Y.W,etal."Uncultivatedbacteriaasetiologicagentsofintra-amnioticinflammationleadingtopretermbirth."JournalofClinicalMicrobiology47.1(2009):38-47.[15]Tahara,T,etal."Fusobacteriumincolonicfloraandmolecularfeaturesofcolorectalcarcinoma."CancerResearch74.5(2014):1311-8.[16]CastellarinM,WarrenRL,FreemanJD,etal.Fusobacteriumnucleatuminfectionisprevalentinhumancolorectalcarcinoma.[J].GenomeResearch,2012,22(2):299-306.[17]FlanaganL,SchmidJ,EbertM,etal.Fusobacteriumnucleatum,associateswithstagesofcolorectalneoplasiadevelopment,colorectalcanceranddiseaseoutcome[J].EurJClinMicrobiolInfectDis,2014,33(8):1381-1390.[18]KosticAD,ChunE,RobertsonL,etal.Fusobacteriumnucleatumpotentiatesintestinaltumorigenesisandmodulatesthetumor-immunemicroenvironment[J].Cellhostµbe,2013,14(2):207-215.[19]谭丽思,王宏岩,赵海礁,等.呼吸道内具核梭杆菌与阻塞性肺疾病相关性研究[J