"Superbugs" with hypervirulence and carbapenem resistance in Klebsiella pneumoniae: the rise of such emerging nosocomial pathogens in China.
Review，2023-09-29, 科学通报, [IF 18.9]
DOI: 10.1016/j.scib.2023.09.040
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323006758
主要完成单位：中日友好医院
通讯作者：曹彬（中日友好医院）
第一作者：蒲丹妮（北京协和医学院）
其他作者：常康，卓献霞
摘要
高毒力肺炎克雷伯菌(hvKP)和碳青霉烯耐药肺炎克雷伯菌(CRKP)是两种引发严重感染的细菌。hvKP通常在年轻健康的人群中引发社区获得性感染，如肝脓肿、眼内炎和脑膜炎。而 CRKP 则主要与医院获得性感染有关,包括尿路感染、肺炎、败血症和软组织感染。然而近年来出现了碳青霉烯耐药高毒力肺炎克雷伯菌(CR-hvKP)，使得两种细菌之间的界限逐渐模糊。CR-hvKP具有多重耐药性、高毒力和高传播性等特点,对人类健康造成了严重威胁。目前，大多数CR-hvKP的病例报告来自中国等亚洲国家。CR-hvKP的形成机制通常是hvKP或CRKP分别获得携带碳青霉烯耐药基因或毒力基因的质粒，或者两者的杂交质粒而成。该综述概述了 CR-hvKP的关键耐药机制、毒力因子、临床表现和预后，并探讨了其在中国的演化过程和流行情况。
CR-hvKP的毒力因子及耐药机制
CR-hvKP毒力因子包括荚膜和高黏液性、丰富的铁载体含量、毒力质粒和ICEKp移动遗传元件、1型和3型菌毛，外膜蛋白，6型分泌系统等（图1）。目前CR-hvKP高毒力的测定方法与hvKP的判定方法基本一致。临床上判定肺炎克雷伯氏杆菌的高毒力方法主要包临床表现，拉丝实验，然而事实证明，单靠这两种方法并不能很好的区分出hvKP菌株。
实验室对hvKP菌株的分子定义，通常基于几种预测性生物标志物(如rmpA和iucA-D)的存在来进行判定。Aerobactin是hvKP菌株产生的主要铁载体，在体外和体内增强毒力是必不可少的，这表明铁载体相关的编码基因，特别是iucA，是hvKP鉴定的重要标记。此外，由rmpA或rmpA2介导的胶囊合成增强也有助于高毒力表型。因此，研究者提出联合使用rmpA或rmpA2、iuc、基因型、临床特征来定义高毒力肺炎克雷伯菌，如使用HMV和aerobactin的存在来定义hvKP；铁载体产量>30 μg/ml和peg-344、iroB、iucA、rmpA和rmpA2区分hvKP等。此外，虽然对临床微生物实验室来说难度较大，但小鼠模型是评估肺炎克雷伯氏杆菌高毒力表型的金标准。
以上所述的多重定义使CR-hvKP的感染流行、检出和诊断情况模糊不清。作者在此也提出了对CR-hvKP高毒力表型定义的建议，即应结合小鼠脓毒症模型的高毒力表型、相应的毒力基因基因型(如rmpA和iucA)以及转移性感染的临床症状。然而，CR-hvKP菌株在临床实验室的微生物学鉴定仍具有挑战性。因此，迫切需要研究人员的持续努力，以建立CR-hvKP高毒力的一致定义。
而在耐药原因上，CR-hvKP的耐药原因与CRKP基本一致，包括碳青霉烯酶的合成、外膜孔蛋白的下调或缺失、外排泵系统的激活以及生物膜成分的改变等（图1）。除此之外，也出现了CR-hvKP对“最后一线抗菌药”如替加环素、粘菌素、头孢地尔/阿维巴坦等的耐药现象，中国CR-hvKP对替加环素的耐药机制主要涉及RND外排泵编码基因（如AcrAB和OqxAB）的过表达或负性调节因子（ramA和ramR）的失活，其他因素，包括rpsJ突变和质粒携带的tet(A)基因突变；CR-hvKP对粘菌素的耐药机制与脂质A修饰有关，包括MgrB蛋白的失活、双组分调控系统(PhoPQ和PmrAB)的过表达；最后，目前已有报CR-hvKP菌株可通过blaKPC基因突变产生对头孢他啶/阿维巴坦的耐药现象。
图1 CR-hvKP的毒力特征及碳青霉烯类耐药机制
CR-hvKP的临床影响
CR-hvKP通常以独特的毒力引起与医疗相关的疾病，因此与高发病率和死亡率相关。在最初报告之前，在中国分离出的臭名昭著的ST11 CR-hvKP已广泛传播，并导致5名感染者发展为致命的呼吸机相关性肺炎。此后，越来越多的CR-hvKP医院内暴发被报道。CR-hvKP不仅可以导致与（hvKP）相关社区获得性感染，如化脓性肝脓肿、眼内炎，脑膜炎，心内炎等，还可以导致与 CRKP相关的医院获得性尿路感染、肺炎、败血症和软组织感染等。与此同时，由于CR-hvKP菌株在医院的不断传播，该病的总负担无疑也在增加。
CR-hvKP的临床影响提出了许多值得关注的问题。首先，CR-hvKP的暴发和在医疗环境中的快速传播对医院感染控制提出了重大挑战。高水平的致病性和耐药性经常导致不理想的临床结果。其次，CR-hvKP似乎能够在多重抗生素胁迫下定植于胃肠道和呼吸道。
图2 CR-hvKP引起的原发性和转移性感染的常见部位。
高毒力和碳青霉烯类耐药性趋同的机制
而以上所述的CR-hvKP高毒力和碳青霉烯耐药性双重表型的融合是多种机制的结果。这一进化过程可以通过三种进化路径发生:K1/K2 hvKP菌株获得碳青霉烯耐药质粒，CRKP菌株获得毒力质粒，以及通过摄取同时含有高毒力和碳青霉烯耐药基因的融合质粒（图3）。毒力质粒的获得是CRKP毒力增强的重要机制，在三种机制中最为普遍。毒力质粒本身虽不能传播，但经常在其他ICEs或接合型耐药质粒（如IncF质粒，IncN质粒）以及外膜囊泡(OMVs)的帮助下动员到其他宿主中。
同样地，携带可移动碳青霉烯类耐药基因的质粒、转座子、噬菌体和插入元件从CRKP向hvKP的水平转移也可导致CR-hvKP的形成。而含有高毒力和碳青霉烯耐药基因的融合质粒的形成是通过包含插入元件的基因片段之间的重组来完成，即两个单链片段在独特的融合位点发生变化或发生同源重组。除获得毒力质粒外，这些质粒也可整合到细菌染色体中，导致高毒力菌株的进化。整合过程涉及质粒DNA插入染色体，可由各种MGEs介导。
图3 高毒力和碳青霉烯类耐药趋同的机制
CR-hvKP在中国的流行病学和遗传背景
鉴于中国已被确定为CR-hvKP的主要流行地区且报告病例数量最多，作者对2012年到2023年间CR-hvKP在中国的流行情况进行了调查，发现自2012年以来，CR-hvKP的流行在中国超过一半的地区呈上升趋势，且存在显著的地区差异。浙江、江苏和北京的发病率最高，分别为553(28.5%)、377(19.4%)和229(9.7%)，其次为河南188(9.7%)、山东114(5.9%)和河北105(5.4%)。blaKPC-2基因的广泛存在是CR-hvKP对碳青霉烯类抗生素耐药的主要原因，检出率高达80.7%(1565/1940)，NDM、OXA、IMP和VIM碳青霉烯酶基因检出率分别为2.5%(48/1940)、1.8%(34/1940)、0.1%(2/1940)和0%(1/1940)。1.8%(35/1940)的菌株检出多种碳青霉烯类耐药基因，0.09%(17/1940)的菌株检出其他耐药原因，4.9%(96/1940)的CR-hvKP未进行碳青霉烯类耐药分析。ST11是我国CRKP最常见的克隆型，占80.7%(1565/1940)，其次为ST23，占2.4%(46/1940)和ST15，占2.3%(44/1940)。血清型以KL64为主[743株(38.3%)]，其次为KL47[265株(13.7%)]。
结论
综上，CR-hvKP已在中国广泛传播并引起严重的医院感染，但目前缺乏有效的治疗方法。碳青霉烯类耐药性和毒力基因主要通过质粒传播。高毒力和碳青霉烯类耐药的趋同是通过毒力质粒和耐药质粒在同一菌株中同时出现或通过携带这两种基因的杂交质粒的出现而形成的。此外，CR-hvKP的高突变率和传播率主要归因于含有可移动基因的质粒的转移以及质粒在细菌间的融合和重组。了解耐药和毒力质粒的分子进化过程，以及CR-hvKP在我国的流行情况，可以更有效地跟踪和管理我国的这些超级细菌。我国肺炎克雷伯氏杆菌毒力质粒和(或)碳青霉烯类耐药的研究和防控策略亟待加强。
