产气荚膜梭菌

引言

梭状芽孢杆菌是一种天然存在的致病细菌，它革兰氏阳性，存在于土壤、昆虫、腐烂的植被、海洋沉积物以及人类和其他哺乳动物的消化道中。

梭状芽孢杆菌引起食物中毒，有时即使摄入也不会对人造成危害。在拉丁语中，perfingens意为“穿透”，frango意为“破裂”，这描述了气性坏疽导致的组织破裂。

这些细菌的特定种群以不同的方式表达其主要毒素，根据它们表达的毒素将种群分为不同的菌株。食品行业尤其受到影响，因为预防食源性疾病需要处理这些细菌。

科学分类

• 域：细菌
• 门：芽孢杆菌门
• 类别： 梭状芽孢杆菌
• 目： 真细菌目
• 科： 梭状芽孢杆菌科
• 属： 梭状芽孢杆菌属
• 种： 产气荚膜梭菌

形态学

产气荚膜梭菌是一种革兰氏阳性、厌氧、能形成孢子的致病细菌。它呈多形性，有直杆菌或弯杆菌，有荚膜，无鞭毛，不运动。

产气荚膜梭菌的尺寸范围为长度3-8微米，宽度0.4-1.2微米。 这种细菌因其厌氧性质和孢子的存在而具有耐热性，孢子位于中心或亚端，能耐受恶劣的环境条件。

由于其孢子较宽，杆菌呈肿胀的纺锤形。产气荚膜梭菌的厚细胞壁由肽聚糖组成。此外，细丝沿着细菌的长度延伸，使其能够快速地在表面移动。

基因组

产气荚膜梭菌的平均基因组大小为3.5Mb，G+C含量稳定在27-28%。 这种细菌在革兰氏阳性菌中表现出高度多样性，仅共享12.6%的核心基因。尽管存在这种多样性，区分产气荚膜梭菌菌株的16S rRNA区域保持稳定。

大约1-5%的产气荚膜梭菌种群产生产气荚膜梭菌肠毒素（CPE），可用作微生物来源追踪（MST）以识别食品污染源。CPE基因存在于质粒和染色体DNA中，对细胞致病性至关重要。

产气荚膜梭菌还携带抗生素耐药性的质粒编码基因，包括四环素耐药性、外排蛋白和氨基糖苷耐药性。pCW3质粒是负责抗生素耐药性发展的主要接合质粒，并编码致病性产气荚膜梭菌菌株中的多种毒素。

对致病性产气荚膜梭菌菌株（特别是影响家禽生产的菌株）进行基因组测序至关重要，因为这些菌株中的抗生素耐药性正在增加。宏基因组分析有助于识别新型有害菌株，如产气荚膜梭菌B20。

运动性

过去认为产气荚膜梭菌不具运动性，因为它们没有鞭毛，但新的研究表明它们可以通过滑动运动。

超运动性差异

细菌的视频成像显示，在琼脂平板的菌落边缘常出现超运动性变异体。这些细菌表现出滑动作用，形成长而细的丝状结构，能够快速移动，类似于带鞭毛的细菌。

对菌株SM101和SM102（SM124和SM127）的超运动性后代的基因组测序显示，与亲本菌株相比，有10和6个核苷酸多态性（SNP）。细胞分裂过程中的基因改变是超运动性菌株的共同特征。

CpAL/VirSR机制

一些产气荚膜梭菌菌株可引起多种疾病，如肌坏死和气性坏疽。由VirSR双组分系统调控的产气荚膜梭菌Agr样（CpAl）系统，调节肌坏死必需的毒素产生。

细菌可以通过从感染部位的滑动运动向更深处扩散，导致肌坏死。其他致病性梭状芽孢杆菌利用群体感应机制CpAL/VirSR。研究人员正在研究CpAL/VirSR系统在调节滑动运动中的作用。

产气荚膜梭菌培养特征

尽管是厌氧菌，但它可以在微需氧环境中生长。形成大、半透明、丝状、扁平且边缘不规则的菌落。

• pH值：5.5至8.0
• 温度：20°C至50°C，平均37°C
• 在45°C时，其世代时间为10分钟。

罗伯逊熟肉汤中的产气荚膜梭菌

• 酸性反应。
• 糖分解菌株： 粉红色
• 蛋白水解菌株： 黑色

含石蕊的牛奶与产气荚膜梭菌

风暴发酵和酸凝块。

产气荚膜梭菌的血琼脂

• 靶向溶血
• 双区 β-溶血
• 内区：完全溶血。
• 外区：部分溶血。

蛋黄琼脂上的产气荚膜梭菌

用于检测卵磷脂酶C。

麦康凯琼脂与产气荚膜梭菌

绿色荧光菌落

硫代甘醇酸盐环丝氨酸（TSC）琼脂与产气荚膜梭菌

分离产气荚膜梭菌的营养体和孢子。

致病性和传播

虽然产气荚膜梭菌通常与食源性疾病有关，但它会从胃肠道来源转位进入血液，引起菌血症，导致败血性休克和毒素介导的血管内溶血。产气荚膜梭菌还引起气性坏疽，症状包括水泡、高血压（心动过速）、水肿和黄疸。

多发性硬化症中的新生病灶（III型）可能与产气荚膜梭菌的一个菌株有关。两种产生 ε-毒素（ETX）的肠道产气荚膜梭菌菌株已被证明在鼠类中引起类似于多发性硬化症（MS）的脑损伤。在MS患者中发现 ε-毒素免疫反应性比健康个体高十倍。产气荚膜梭菌的产气荚膜梭菌溶血素-O（pfoA）菌株与早产儿的坏死性小肠结肠炎有关。

感染

气性坏疽是由α-毒素等毒素引起的，该毒素通过在细胞膜上形成空隙来破坏细胞过程。产气荚膜梭菌是一种多微生物厌氧感染，常引起气性坏疽。产气荚膜梭菌C型引起的食物中毒可导致坏死性小肠炎，也称为“猪皮病”，通常是致命的。

在坏死性小肠炎中，产气荚膜梭菌在肠道内生长并释放外毒素，导致肠道坏死、出血和穿孔。炎症通常发生在空肠，导致败血性休克和死亡。坏死性小肠炎的危险因素包括低蛋白饮食、不当的食物准备、红薯等食物中高含量的胰蛋白酶抑制剂，以及容易发生蛔虫感染的地区（蛔虫感染会产生胰蛋白酶抑制剂）。

当产气荚膜梭菌感染坏死组织时，会产生组织气体。组织气体的常见原因包括褥疮、坏死性筋膜炎、坏疽以及被土壤、粪便或水中的产气荚膜梭菌污染的伤口进入开放性伤口。

毒力因子

产气荚膜梭菌的毒力成分可分为四类功能

• 成孔毒素
• 水解酶
• 膜损伤酶
• 细胞内毒素。

主要毒素

产气荚膜梭菌产生五种主要的毒素，分别称为α、β、ε和肠毒素，它们能增加细胞通透性，导致离子失衡；而ι毒素则分解细胞的肌动蛋白细胞骨架。有七种“毒素类型”：A、B、C、D、E、F和G。

• α-毒素 (CPA)
  它是一种含锌的磷脂酶C，具有两个协同作用的结构域，可破坏细胞膜。产气荚膜梭菌的五种变种都产生α-毒素。这种毒素与人类和动物的气性坏疽有关。
• β-毒素 (CPB)
  这种毒素可引起人类（C型）和动物（B型）的出血性坏死性肠炎和肠毒血症。感染的后果是便血和肠道坏死。胰蛋白酶是一种可以分解和抑制CPB的蛋白水解酶。
• ε-毒素 (ETX)
  它是产气荚膜梭菌B型和D型菌株产生的蛋白质。ETX主要引起绵羊和山羊的肠毒血症，有时也会影响牛。
  当ETX过量产生时，肠道通透性会增加，导致肾脏和大脑出现显著水肿。由于ETX的LD50极低，其被用作生物武器的潜在风险引起了担忧。
• ι-毒素
  它是产气荚膜梭菌E型菌株产生的蛋白质。ι-毒素抑制肌动蛋白丝状物的产生，导致细胞骨架被破坏，最终导致细胞因无法维持体内平衡而死亡。
• 肠毒素 (CPE)
  它导致与产气荚膜梭菌F型菌株相关的食物中毒。在肠上皮细胞中，它会改变细胞间的紧密连接。体外，这种成孔毒素可以结合并使人回肠和结肠上皮发生坏死。这种毒素可以通过caspase-3通路诱导受影响细胞的凋亡。

其他毒素

产气荚膜梭菌B、C和G型菌株含有TpeL毒素。它与A型毒素属于同一蛋白质家族。它使得G型菌株更具毒性。它通过糖基化Ras和Rho GTP酶来干扰宿主细胞信号传导。

临床特征

1. 气性坏疽
   产气荚膜梭菌最常见的菌株是自发性（非创伤性）气性坏疽的重要促成因素。气性坏疽的特点是广泛的局部组织坏死，进展为严重的休克和死亡。在1至3天内，感染从污染的伤口扩散，导致皮下组织和肌肉出现捻发音、有异味的排出物、快速进展的坏死、发烧、溶血、毒血症、休克和死亡。
2. 食物中毒
   这是由食用温热肉类中大量繁殖的梭状芽孢杆菌引起的。当病原体在胃中形成孢子时，会产生毒素。在7至30小时内，通常会出现腹泻和腹部绞痛，通常没有呕吐或发烧。疾病仅持续一到两天。

实验室诊断

食物中毒的检测

在粪便中鉴定出特定类型的细菌毒素，或进行检测以确定细菌的数量。 必须在症状出现后48小时内，每克粪便中检测到106个产气荚膜梭菌孢子。

其他感染

样本

• 组织
• 脓液
• 伤口

革兰氏染色涂片显示大的革兰氏阳性杆菌，提示为梭状芽孢杆菌。进行厌氧培养，接种血琼脂平板、切碎的肉葡萄糖和硫代甘醇酸培养基。在厌氧培养平板上选择菌落后，通过生化反应、溶血和菌落形态确定纯培养。蛋黄培养基上菌落周围形成的沉淀物可作为卵磷脂酶活性的类似物。最终鉴定需要进行毒素生成以及特定抗毒血清的特异性中和。

纳格勒试验

通过在蛋黄培养基平板上培养可疑生物，可以使用纳格勒反应来鉴定产气荚膜梭菌。平板的一侧有抗-α-毒素。 两侧都接种有可疑生物的划线。没有抗-α-毒素的一侧会形成浑浊带，表明卵磷脂酶活性不受抑制。

反应

• 过氧化氢酶： 阴性
• 斑点吲哚： 阳性
• 卵磷脂酶： 阳性
• 脂肪酶： 阴性
• 石蕊牛奶： 风暴发酵
• 反向CAMP板： 阳性
• 气液色谱产品： 乙酸、丁酸和乳酸。

预防

大多数食物通过加热到适当的内部温度，无法杀死产气荚膜梭菌的孢子。厨房温度计是检查内部温度最准确的工具。

产气荚膜梭菌的生长温度为15°C-50°C。剩余食物应冷藏至4°C及以下。 剩余食物在食用前必须重新加热至至少74°C。味道、气味或外观异常的食物不应食用。

治疗

治疗最关键的部分是清除细菌喜欢生长的所有坏死组织，并通过彻底手术尽快清除受感染区域。同时，开始使用抗菌治疗，特别是青霉素。

产气荚膜梭菌对万古霉素的敏感性更高，20%的菌株对克林霉素有耐药性，10%的菌株对甲硝唑有耐药性。高压氧疗法可能有助于梭状芽孢杆菌组织感染的医学治疗。

当产气荚膜梭菌引起食物中毒时，大多数患者无需抗生素即可康复，只需在腹泻消失前定期饮用额外液体即可。

结论

产气荚膜梭菌是一种厌氧、革兰氏阳性、能形成孢子的细菌，通常存在于人类和动物的肠道中。当摄入量足够大时，它会导致食物中毒。产气荚膜梭菌引起皮肤和深层组织感染等疾病，称为“梭状芽孢杆菌肌坏死”或“气性坏疽”，起源于产生的毒素。