革兰氏阴性菌

革兰氏阴性菌是指在细菌鉴定的革兰氏染色技术中，不能保留结晶紫染色的细菌。它们具有特征性的细胞包膜，由薄薄的肽聚糖细胞壁组成。细胞壁外面是内细胞质膜和外细菌细胞壁。

由于对药物的强大抵抗力，革兰氏阴性菌（GNB）是世界上最严重的公共卫生问题之一。由于这些细菌通常需要患者留在重症监护室（ICU），在那里他们面临高发病率和死亡风险，因此它们在医院中具有重要的临床意义。大多数临床分离株由两大类引起：肠杆菌科和非发酵菌；然而，还存在其他临床相关的革兰氏阴性菌，例如奈瑟菌属、嗜血杆菌属、幽门螺杆菌和沙眼衣原体。

由于对药物的强大抵抗力，革兰氏阴性菌（GNB）是世界上最严重的公共卫生问题之一。革兰氏阴性菌是非常强大的致病微生物，因为它们将患者送入重症监护室，并导致高死亡率和发病率。

革兰氏阴性菌几乎可以在地球上的每一个生活区域找到。革兰氏阴性菌的一些重要例子是鼠疫耶尔森氏菌、铜绿假单胞菌和沙眼衣原体。它们对如此多的药物和抗生素具有抵抗力，因为它们具有坚韧的外膜，不仅保护它们免受药物的侵害，还保护它们免受洗涤剂的侵害。这些洗涤剂否则会破坏细菌的内细胞膜并影响溶菌酶。溶菌酶是通常由动物作为其免疫系统提供保护的一部分而产生的抗菌酶。除此之外，即使细胞能够借助其免疫系统杀死这些细菌，细菌膜的外层含有有害化合物脂多糖，其脂质成分对细胞非常危险。低血压、呼吸衰竭、氧气供应减少和乳酸性酸中毒都是由其毒性反应引起的败血性休克的症状。

已经开发出许多不同种类的抗生素来杀死革兰氏阴性菌，例如头孢菌素、叶酸拮抗剂、哌拉西林-他唑巴坦、脲基青霉素、内酰胺-β-内酰胺酶抑制剂、碳青霉烯和喹诺酮。它们是专门开发用于靶向革兰氏阴性菌的，但有时它们也对某些革兰氏阳性菌有效。

特性

革兰氏阴性菌（LPS-diderm）具有以下特征：

• 具有内细胞膜（细胞质）
• 具有薄薄的肽聚糖层（革兰氏阳性菌中厚得多）
• 它们的细胞壁有一个外膜，外膜又分为外层和内层。外层含有脂多糖，由脂质A、O抗原和核心多糖组成，内层由磷脂组成。
• 外膜中存在孔蛋白，充当特定分子的孔。
• 不存在磷壁酸或脂磷壁酸。
• 肽聚糖链和外膜之间也存在共价连接，称为布劳恩脂蛋白。
• 除少数例外，大多数不产生孢子。

分类

革兰氏染色，像细胞形状一样，是一种快速诊断测试，最初用于对细菌亚门中的物种进行分类。以前，莫内拉界根据革兰氏染色分为四个门：厚壁菌门（+）、纤毛菌门（）、软体菌门（0）和门多菌门（0）。自1987年以来，分子研究一直用于质疑革兰氏阴性菌的单系性。然而，一些作者，如卡瓦利埃-史密斯，认为它是一个单系分类群，并将该群称为“Negibacteria”亚界。

分类学

细菌通常根据其革兰氏染色反应分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。细菌也根据它们所含膜的数量进行划分。具有一个膜的革兰氏阳性菌称为单膜菌，而具有两个膜的革兰氏阴性菌称为双膜菌。传统上，这些分组被认为代表谱系，额外的膜只发展过一次，这意味着革兰氏阴性菌彼此之间比革兰氏阳性菌更密切相关。虽然这通常是准确的，但分类方法在某些情况下会失败，产生与染色结果不匹配的谱系组。因此，革兰氏染色不能始终用于确定细菌的家族关系。尽管如此，染色通常可以提供有关细胞膜组成（例如外脂膜的存在与否）的准确信息。

单膜原核生物被认为是两种结构不同的原核生物中最原始的。革兰氏阴性菌（双膜菌）的外膜是它们生存的适应性优势，因为它保护它们免受抗生素选择压力的影响。该理论基于许多观察结果，包括一些实验证明革兰氏阳性菌是对抗生素最敏感的细菌，而革兰氏阴性菌则具有抵抗力。然而，存在一类细菌，被认为代表了革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌之间的中间类别。虽然革兰氏染色由于存在厚厚的肽聚糖层而显示出革兰氏阳性菌的特征，但它们也显示出外细胞膜的存在，这是革兰氏阴性菌的特征。异常球菌是此类的一个例子。不含脂多糖（LPS）的简单双膜菌、外细胞膜中含有脂多糖的典型双膜菌和外细胞膜中含有分枝杆菌酸的双膜菌是三种类型的双膜菌（例如，分枝杆菌）。

一类特殊的细菌通过保守的细胞结构与其他革兰氏阴性菌区别开来。已经确定了多种具有这种性质的细菌。其中一些是纤维杆菌门、衣原体门、浮霉菌门、嗜酸菌门、水生菌门、绿菌门、假单胞菌门、拟杆菌门、“蓝细菌”、氢细菌门疣微菌门和螺旋体门。这些细菌要么属于芽孢杆菌门（一个单膜群），要么属于其附近的分支。它们的特点是没有GroEL特征。各种证据指出，这些细菌构成了一个单系群。其中一些证据包括在所有革兰氏阴性菌的序列物种中，CSI作为传统脂多糖的一部分存在，另一个证据是外膜的存在，所有物种都存在外膜，并且在进化过程中都没有失去它。

有一些具有医学意义的革兰氏阴性菌种，其中四种形式很重要，因为它们会导致性传播疾病、脑膜炎、呼吸问题等。这些例子包括淋病奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌、卡他莫拉氏菌、流感嗜血杆菌。

其他具有医学重要性的革兰氏阴性杆菌已知会导致呼吸问题、泌尿问题、胃肠道问题和其他疾病。这些例子包括肺炎克雷伯菌、嗜肺军团菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌、奇异变形杆菌、阴沟肠杆菌、粘质沙雷氏菌、奇异变形杆菌、粘质沙雷氏菌。一些细菌也已知与医院获得性疾病有关，因此它们会导致细菌呼吸机相关肺炎和继发性脑膜炎等疾病。

细菌具有通过水平基因转移方法转移遗传物质的能力，其中一个主要过程是细菌转化。外源遗传物质在水平基因转移中从一个细菌转移到另一个细菌。细菌使用的另外两种水平基因转移方法是结合和转导。在结合中，遗传物质通过在两个细胞之间形成桥梁的直接接触在两个细菌细胞之间转移。另一方面，在转导中，遗传物质通过间接接触从一个细菌细胞转移到另一个细菌细胞，即通过噬菌体病毒将外源DNA注入宿主细菌。

遗传物质在转化过程中通过中间介质传播，吸收完全依赖于受体细菌。

截至2014年，已知大约有80种细菌能够进行转化，革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的数量大致相等。然而，这个数字可能被夸大了，因为一些发现是基于单一研究。

一些细菌因其具有医学重要性而被研究用于转化。其中一些是脑膜炎奈瑟菌、幽门螺杆菌、流感嗜血杆菌、嗜肺军团菌、淋病奈瑟菌和霍乱弧菌。它还在革兰氏阴性土壤细菌如施氏假单胞菌和贝利不动杆菌以及革兰氏阴性植物病原体如茄科青枯菌和木醋杆菌中进行了研究。

疾病作用

革兰氏阴性菌外膜的结构是其众多独特特征之一。脂多糖（LPS）存在于膜的外层，其脂质A部分作为内毒素。如果由于某种原因，革兰氏阴性菌能够进入动物的循环系统，脂多糖将激活免疫系统，并触发先天免疫反应以产生细胞因子（一种荷尔蒙调节剂）。这会导致炎症，并可能导致毒性反应，从而导致发烧、呼吸急促和低血压。这就是革兰氏阴性菌已知会导致危及生命的休克的原因。

它们还对洗涤剂、染料和抗生素具有抵抗力，这些物质通常已知会损害细菌。这些细菌由于其外膜而对溶菌酶和青霉素具有抵抗力。这是因为存在一个外壁，保护内膜和细胞壁。分解或改变抗生素的酶也存在于周质空间（两个细胞膜之间的区域）中。用于治疗革兰氏阴性菌感染的治疗方法包括羧基、氨基和脲基青霉素。为了对抗可以消化这些药物的酶，有时它们与β-内酰胺酶抑制剂结合使用。β-内酰胺酶是一种存在于周质空间的酶，已知可以消化这些药物。治疗革兰氏阴性菌感染的一些药物包括头孢菌素、单环β-内酰胺类（氨曲南）、氨基糖苷类、喹诺酮类、大环内酯类、氯霉素、叶酸拮抗剂和碳青霉烯类。

抗生素耐药性

这些微生物通过多种方式抑制临床治疗中使用的许多抗菌剂。这些方法包括改变药物结合位点、改变药物构象形状导致耐药机制失活以及改变膜通透性。GNB有内外两层膜。脂多糖被认为是一种非常强的免疫反应诱导剂，它有三个重要组成部分。它们是疏水域，称为脂质A，亲水多糖和O抗原。疏水域表达在细胞膜的外部。疏水成分脂质a是内毒素作用的责任者。然而，LPS在细菌之间是可变的，并且由于基因变异，一些细菌只产生弱抗原，而这些抗原不被Toll样受体识别。然而，存在大量可以引发这种反应的BGN群体。免疫系统也被一些Toll样受体4（TLR4）激活，这些受体存在于许多参与免疫系统的细胞中，如巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞和树突状细胞。由LPS和TLR4受体介导的先天免疫反应激活导致反应增强，产生细胞因子、趋化因子和干扰素，并抑制反应。

免疫系统的反应取决于感染过程的严重程度以及侵袭性细菌中 LPS 的结构，这与 BGN 的毒力有关。因此，虽然一些细菌，如大肠杆菌，可以诱导免疫系统，但其他细菌，如幽门螺杆菌，只有微弱的抗原性。

肠杆菌科

肠杆菌科是一个多样化的细菌家族，遍布世界各地。它们占人体革兰氏阴性分离株的80%以上，引起各种疾病，如尿路感染、肺炎、腹泻、脑膜炎、败血症、内毒素休克等。大肠杆菌、变形杆菌属、肠杆菌属、克雷伯氏菌属、柠檬酸杆菌属、耶尔森氏菌属、志贺氏菌属和沙门氏菌属是通常感染人类的细菌。在微生物学方面，实验室表征至关重要。因此，强调肠杆菌科的特征至关重要，它们是无孢子、具有可变运动性的杆菌。此外，它们在有氧和无氧条件下生长，是产葡萄糖发酵生物，也是细胞色素氧化酶阴性，并且可以将硝酸盐还原为亚硝酸盐。抗菌素耐药性（抗菌素耐药性）（抗菌素耐药性）（抗菌素耐药性）

这些微生物通过结合传播它们的质粒，导致对目前所有可用抗生素的耐药性。考虑到携带此类质粒的细菌引起的感染可能导致跨物种传播和死亡率，碳青霉烯酶家族酶——KPC、NDM-1、IMP、VIM、OXA-48——无疑是本世纪最严重的健康问题之一。粘菌素是少数仍用于治疗多重耐药感染的抗生素之一，含有可移动的耐药基因MCR-1，来自世界各地的研究表明，肠杆菌科与该基因的传播有关。此外，它们通常将这些基因与其他耐药基因（CTX-M、NDM、IMP）联系起来，导致对头孢菌素和碳青霉烯类药物的耐药性，从而增强了细菌的有害作用。

非发酵菌

与肠杆菌科相比，非发酵型革兰氏阴性杆菌（BNF）的分离率较低；然而，它们是一个重要的类别，因为它们会导致严重的致命感染，尤其是在医院中。在重症监护室（ICU）中，接受侵入性手术的患者也会引发机会性疾病。最常见的BNF细菌是铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、洋葱伯克霍尔德菌、嗜麦芽窄食单胞菌、产碱杆菌属和莫拉氏菌属，它们会导致人类疾病。这些细菌以需氧和非产孢为特征；它们不能发酵碳水化合物，而是通过氧化途径利用它们。

在抗菌敏感性方面，BNF 最重要的问题无疑是其固有的耐药性，因为它们产生一系列具有不同途径的基因，能够抑制杀微生物作用。因此，它在铜绿假单胞菌、AmpC 型头孢菌素和赋予 β-内酰胺耐药性的外排系统中表现突出。最常见的是 MexAB-OprM 和 OprD 缺失（由于缺乏孔蛋白导致细菌细胞不透水）。鲍曼不动杆菌天然产生 AmpC 头孢菌素和恶唑青霉素酶 (OXA)，使其对多种药物产生耐药性。这种微生物的基因智能甚至更进一步，将极高的不透水性与基因适应性以及对广谱 β-内酰胺酶 (ESBL) 等机制的耐药性相结合。嗜麦芽窄食单胞菌具有固有的多重耐药模式，尤其是在接触过碳青霉烯类药物的个体中。嗜麦芽窄食单胞菌产生两种碳青霉烯酶，L1（对所有碳青霉烯类药物耐药）和 L2（头孢菌素），以及多个外排泵。无论它们是否相关，这些过程都严重限制了治疗选择。尽管它对磺胺甲恶唑-甲氧苄啶敏感，但它表现出质粒介导的耐药性。

病因

革兰氏阴性菌几乎可以感染人体的所有系统，包括消化系统、神经系统、泌尿系统和血液，引起从腹泻性胃肠炎到严重的脑膜炎等疾病。这些细菌侵入肠道、气道和皮肤，使其更容易传播到人体的其他区域，尤其是在免疫功能低下的人群中。此外，脑膜炎是一种可能致命的疾病，可在社区和医院环境中获得。泌尿道感染非常普遍，尤其是在年轻女性中。然而，随着多重耐药细菌的广泛出现，这些感染已成为一个问题。最后，菌血症是这些疾病的严重并发症，这是由于微生物对前面提到的抗生素具有耐药性。

流行病学

在分析了革兰氏阴性菌的普遍性质及其对人类造成伤害和引起各种感染的潜在能力之后，非常重要的是要强调医疗保健领域中最重要的问题是识别引起多重耐药疾病的细菌群。由于病原体对抗菌药物的反应不佳，而ESBL和碳青霉烯酶的产生已经基本压垮了这种反应，因此多重耐药革兰氏阴性菌感染（MDRs）现在是世界上最严重的健康问题之一。美国在二十多年前首次记录了KPC碳青霉烯酶感染，此后，类似的感染已在全球范围内蔓延。然而，自20世纪80年代以来，已有多起由革兰氏阴性ESBL菌株引起的医院感染导致多重耐药的报告。

根据疾病控制与预防中心（CDC）的数据，革兰氏阴性菌在美国非常常见，只有缅因州和爱达荷州等少数地方除外。然而，Livorsi 等人发现美国的发病率范围从每10万人年0.3到2.93例疾病不等。多重耐药细菌此前已在美国以外的几乎所有大陆都有报道。每年在欧洲，多重耐药（MDR）疾病导致约25000人死亡。

CTX-M、TEM、SHV、PER、VEB 和 TLA）是水解广谱头孢菌素的广谱 β-内酰胺酶。CTX-M 及其变体是此类中最常见的酶。在 ESBL 暴发初期，它们与医院环境有关联，但现在在来自社区的患者中检测到它们。碳青霉烯酶（KPC、NDM-1、IMP、VIM、OXA-48）是水解碳青霉烯类和其他 β-内酰胺抗生素的酶。KPC、NDM 和 OXA-48 是美国最常见的酶；在欧洲，OXA-48、KPC 和 VIM 最常见，NDM 较不常见。此外，这些酶通过质粒的转移，通常包括额外的耐药基因，使这些革兰氏阴性菌具有泛耐药性。

最后，种间传播的巨大潜力是这些基因在全球传播的另一个途径。患有合并症、在重症监护室住院、曾使用抗生素以及持续使用中心静脉导管的患者也被认为有感染多重耐药感染的风险。

身体和历史背景

革兰氏阴性菌感染具有非特异性症状，使其难以在体格检查中与其他感染性疾病区分开来。发烧、胸痛、呼吸困难和化脓性咳痰是肺炎的常见症状，可能伴有心动过速、呼吸急促、低氧血症和听诊可闻及实变证据。然而，这些症状并非该疾病特有。培养是确定您正在处理何种微生物的唯一方法。细菌性脑膜炎的一些常见症状是虚脱、剧烈头痛、呕吐、精神错乱、发烧、颈部僵硬和恶心。然而，这些特征并非独有，要得出这种微生物的结论需要更多数据。

求值

虽然革兰氏阴性菌感染与其他病因引起的感染几乎无法区分，但实验室特征化有助于识别微生物及其抗生素敏感性谱。革兰氏染色是细菌分离株的另一项重要测试；虽然基础，但它可以立即辨别治疗干预的进程。肠杆菌科高度异质，可通过各种生化测试进行识别，如脲酶、过氧化氢酶、细胞色素氧化酶、运动性柠檬酸盐、DNA酶、赖氨酸羧化、吲哚等。这些在初次分离琼脂中培养。由于大肠杆菌是一种强大的酸发酵剂，它产生大量的混合酸，这会提高培养基的pH值，导致粉红色菌落。因此，培养物构成了这些疾病的金标准评估，然而，它们的缺点是周转时间长。

然而，需要注意的是，识别对多种药物具有耐药性的细菌菌株可能需要使用分子技术，而这些技术并非总能在实验室中获得。使用 EDTA 的表型技术，如改良 Hodge 和联合扩散盘是很好的替代方法。MHT 是一种测试，它利用具有碳青霉烯酶的细菌菌株使碳青霉烯失活，从而允许敏感菌株生长到含有抗生素的盘周围，同时接种受检菌株。该测试主要建议用于最小抑制浓度或在盘中抑制区减小的菌株。CDT 中存在碳青霉烯抗生素测试盘，它由扩散组成，其中插入了含有和不含 EDTA 的碳青霉烯盘，它们的连接预测该生物体是否产生碳青霉烯酶。

管理/治疗

革兰氏阴性多重耐药感染的治疗选择很少，并且由于耐药性，结果通常令人沮丧。MDRs持续进化，导致对新抗菌药物的耐药性。随着新药的出现，一些以前被放弃的选择，例如多粘菌素和粘菌素，它们具有相当大的毒性，已经重新出现（肾毒性和神经毒性）。此外，已经发现耐药基因，例如MCR-1，引起了进一步的担忧。然而，已知将这些药物与碳青霉烯类药物结合使用可以增强它们的协同作用。替加环素是另一种选择，因为它已显示出对MDR的体外疗效；然而，它也有缺点，例如需要大剂量和低组织渗透，这限制了其体内疗效。

磷霉素，一种曾经常用于治疗尿路感染的抗生素，已成为多重耐药感染的可能治疗方法。然而，这种药物的单药治疗会导致耐药性。因此，最好与其他抗生素如碳青霉烯类和多粘菌素联合使用。由于其适度吸收，这些药物只能治疗泌尿道感染。氨基糖苷类药物，以前因肾毒性和耳毒性而被拒绝，由于其对革兰氏阴性菌的效力而重新出现。除了尿路感染，这些药物对多重耐药菌的效果不佳；它们也比多粘菌素和替加环素毒性更小，因此可能在联合治疗中有效。

鉴别诊断是指区分两种情况的过程。

• 革兰氏阳性细菌感染
• 病毒引起的感染
• 分枝杆菌属和诺卡氏菌属引起的真菌感染

毒性和副作用的管理

多粘菌素自20世纪70年代以来一直停用，原因是其有据可查的毒性，特别是其肾毒性作用。在革兰氏阴性多重耐药病原体出现后，它们重新获得使用。然而，已经出现了毒性问题和对某些药物耐受性增加的情况。这些药物主要通过氧化应激引起肾脏损伤，导致线粒体功能障碍和该细胞器的膜电位丧失。这种药物的另一个作用是激活肺上皮细胞中的caspases 3、8和9，导致细胞凋亡。多粘菌素的毒性与其浓度成正比。然而，目前的药代动力学和药效学已经表明，这类药物的剂量不足，需要进一步研究以解决该问题，这可能会降低药物的毒性。

氨基糖苷类是另一类具有潜在毒性的药物，主要引起耳毒性和肾毒性。这些药物还会阻断内耳纤毛细胞中的阳离子通道。它们对这些细胞的机械敏感转导通道具有相同的影响，导致代谢变化，从而增加细胞内钙和活性氧（EROS）的产生，这两者都会导致不可逆的细胞死亡。这些药物发挥毒性的机制是内吞作用，这导致溶酶体内容物的释放；此外，它们还会阻断钙通道，导致这种离子以及镁和钾的流失。

预后

由于革兰氏阴性菌感染存在诸多因素，确定这些细菌引起的疾病预后既具有挑战性又在文献中存在矛盾。然而，此类感染通常与不良预后相关，尤其是在老年患者、有合并症的患者、接受过实体器官移植的患者以及患有恶性疾病的患者中。致病微生物和感染部位也决定了治疗效果。延迟或不充分的抗生素治疗与高死亡率的严重感染相关，而适当的抗生素给药与患者生存相关。此外，对于这些感染缺乏明确的治疗程序可能导致治疗失败，因为剂量效率低下或不足，从而导致不良结果。最后，单药治疗效率低下，特别是与联合治疗相比，后者与良好的预后相关。

并发症

耐多药细菌在人群中越来越普遍，如果不能有效治疗，此类感染可能导致肾衰竭、败血症甚至死亡。革兰氏阴性菌感染，特别是水解碳青霉烯的产酶细菌，可能导致各种问题。其中之一是尿路感染，这正在成为一种令人担忧的疾病。同样，免疫力低下、合并症和暂时性免疫抑制的脆弱患者的医院感染给医疗保健提供者带来了挑战。

在这方面，烧伤患者需要特别注意，因为有更多的细菌进入点，感染。而且，根据微生物负荷和病原体本身，此类患者的感染可能致命且具有侵袭性。另一个问题是呼吸道感染，这最常与机械通气相关，由革兰氏阴性菌引起，包括肠杆菌科和非发酵菌，并具有很高的死亡率潜力。

患者教育和劝导

治疗高度耐药的革兰氏阴性菌感染面临的主要挑战是医院中抗生素的过度使用。随着MDRs日益普遍，很明显，滥用这些抗菌剂是需要立即解决的促成因素之一。为了改变公众和医护人员的习惯，需要旨在改变这些药物使用方式的努力，例如教育宣传活动，以及打击自我用药，例如药物消费监测和药房注册。

提高医疗团队绩效

由革兰氏阴性菌引起的感染，具有高度耐药性，正以惊人的速度增长。然而，由于缺乏有效的药物，消除耐药病原体具有挑战性。因此，建议采取基本预防措施，例如适当的手部卫生、医疗设备消毒以及隔离疑似或诊断为 MDR 细菌的患者——特别是那些正在进行侵入性手术的患者——并注意外部人员的进入。另一项重要活动是，分离出 MDR 病原体的实验室工作人员应迅速通知医疗机构的流行病学监测团队，以便尽快实施预防和控制措施。每个人都应遵守医疗保健系统制定的传染病预防指南。