大腸桿菌是動物腸道中的正常寄居菌，其中很小一部分在一定條件下引起疾病。大腸桿菌的血清型能夠引起人體或動物胃腸道感染，主要是由特定的菌毛抗原、致病性毒素等感染引起的，除胃腸道感染以外，還會引起尿道感染、關(guān)節(jié)炎、腦膜炎以及敗血型感染等。

圖源：百度百科

近日，來自奧斯陸大學(xué)和威康桑格研究所的Sergio Arredondo-Alonso博士，發(fā)現(xiàn)了一種特殊的有毒物質(zhì)大腸桿菌（E. coli）K1，它的出現(xiàn)比先前的估計的早了大約500年，目前導(dǎo)致血液感染的大腸桿菌菌株中有25%可以產(chǎn)生這種物質(zhì)。通過使用噬菌體酶，成功地去除了細菌的保護膠囊，為非抗生素治療鋪平了道路。

這項新研究的重點是大腸桿菌的一個特殊亞群，它有一種特殊的膠囊——包圍細菌的細胞外屏障——科學(xué)家們稱之為K1。已知帶有這種膠囊的大腸桿菌會導(dǎo)致侵入性疾病，如血液或腎臟感染，以及新生兒腦膜炎。這是因為這種特殊的保護層使它們能夠模仿已經(jīng)存在于人體組織中的分子，并在不被注意的情況下進入人體。研究人員提供的證據(jù)表明，靶向這種膠囊可以作為治療的基礎(chǔ)，為預(yù)防嚴重的大腸桿菌感染鋪平道路。

大腸桿菌生物學(xué)特征

理化特性

大腸桿菌是短桿菌，兩端呈鈍圓形，革蘭陰性。有時因環(huán)境不同，個別菌體出現(xiàn)近似球桿狀或長絲狀；大腸桿菌多是單一或兩個存在，但不會排列呈長鏈形狀；大多數(shù)的大腸桿菌菌株具有莢膜或微莢膜結(jié)構(gòu)，但是不能形成芽孢；多數(shù)大腸桿菌菌株生長有菌毛，其中一些菌毛是針對宿主及其他的一些組織或細胞具有黏附作用的宿主特異性菌毛。

生化特性

大腸桿菌的生化代謝非常活躍。大腸桿菌可以發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)酸、產(chǎn)氣，個別菌株不產(chǎn)氣，大腸桿菌還能發(fā)酵多種碳水化合物，也可以利用多種有機酸鹽。大腸桿菌在常用的生化特性檢測項目中，甲基紅試驗呈陽性，吲哚產(chǎn)生和乳糖發(fā)酵是陽性（個別菌株表現(xiàn)陰性），維-培試驗是陰性，尿素酶和檸檬酸鹽利用呈陰性（極個別菌株表現(xiàn)陽性），硝酸鹽還原試驗表現(xiàn)陽性，氧化酶表現(xiàn)陰性，氧化-發(fā)酵試驗表現(xiàn)為F型 。

致病作用特性

對人和多種動物來講，由于病原大腸桿菌常常傾向具有一定的宿主特異性，對人有致病作用的菌株常常是很少引起動物的感染，反之亦然，據(jù)此可將病原大腸桿菌大致上將其劃分為兩種：即人病原大腸桿菌和動物病原大腸桿菌。動物的致瀉性大腸桿菌已被明確的特征主要是類似于ETEC的菌株。UPEC是一群能夠引起人的尿道感染最常見的病原大腸桿菌。尿道感染是很少獨立存在于動物的大腸桿菌病中的感染癥狀。

大腸桿菌是尿路和血液感染的常見原因，可導(dǎo)致早產(chǎn)兒和足月新生兒腦膜炎，死亡率高達40%。此外，在過去十年中，高毒力和多重耐藥大腸桿菌的增加意味著制定有效的戰(zhàn)略來預(yù)防和治療大腸桿菌現(xiàn)在已變得緊迫。了解這種細菌的解剖結(jié)構(gòu)以及它如何在致病過程中發(fā)揮作用，是預(yù)防嚴重感染的關(guān)鍵。到目前為止，科學(xué)家們對K1膠囊的流行、進化和功能特性缺乏基本的了解，這限制了它們對抗大腸桿菌感染的能力。

威康桑格研究所、奧斯陸大學(xué)、倫敦帝國理工學(xué)院和倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)繪制出了這種大腸桿菌菌株的進化、流行和分布。利用高分辨率人群基因組學(xué)、全基因組測序和先進的計算工具，他們分析了來自不同國家和不同時期的5065份臨床樣本。這些數(shù)據(jù)包括來自英國和挪威的大量樣本，來自巴西、墨西哥和老撾等六個國家的新生成人和新生兒樣本，以及1932年以后的前抗生素時代的樣本。

他們發(fā)現(xiàn)，這種具有特殊毒性的膠囊——K1——實際上可以追溯到更早的時候，比之前想象的要早大約500年。這突出了膠囊對細菌存活的重要性，以及細胞外屏障在大腸桿菌作為腸外感染的主要原因的成功中的作用。

來自奧斯陸大學(xué)和威康桑格研究所的Sergio Arredondo-Alonso博士是這項研究的主要作者，他說:“發(fā)現(xiàn)在過去的半個世紀里重建K1膠囊的進化史的可能性，以及看到膠囊基因是如何在幾個世紀里被許多不同的病原體物種一次又一次地獲得的，這是令人興奮的。由于K1的流行程度和歷史都不為人所知，感覺我們進入了真正未知的領(lǐng)域，并大大提高了對這一主要病原體物種的了解。”

該研究還表明，目前導(dǎo)致血液感染的大腸桿菌菌株中，有25%含有產(chǎn)生K1膠囊所需的遺傳信息。獲得這種菌株的完整進化歷史現(xiàn)在將使研究人員能夠首先了解細菌如何獲得負責(zé)嚴重毒性的遺傳物質(zhì)，并分析對抗它們的方法。

噬菌體是一種“感染并殺死”細菌的病毒，通過使用噬菌體中的酶，研究人員能夠去除細菌的細胞外屏障，使其容易受到人體免疫系統(tǒng)的攻擊。這組科學(xué)家在使用人類血清(實驗室研究中常用的一種血液液體部分)的體外研究中證明，針對這種膠囊可以在不使用抗生素的情況下廣泛治療大腸桿菌感染，這與之前在動物身上進行的實驗感染一致。

這項研究的通訊作者、來自倫敦帝國理工學(xué)院的Alex McCarthy博士說:“我們特別展示了通過將實驗微生物學(xué)與群體基因組學(xué)和進化建模工具相結(jié)合而取得的進步，為將研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為未來的臨床實踐打開了一扇窗。我們表明，治療性靶向K1膠囊使這些病原體更容易受到我們免疫系統(tǒng)的攻擊，并提供了預(yù)防嚴重感染的可能性。例如，它可以幫助治療由K1大腸桿菌引起的腦膜炎新生兒，這是一種罕見但危險的疾病，與高死亡率和嚴重的長期不良健康影響有關(guān)。”

來自威康桑格研究所和奧斯陸大學(xué)的Jukka Corander教授是這項研究的通訊作者之一，他說:“我們的研究表明，對病原體進行具有代表性的基因組調(diào)查是很重要的。這些研究將使我們能夠重建成功的細菌譜系的進化史，并查明它們的基因組成的變化，這些變化可能導(dǎo)致它們傳播和引起疾病的能力。這些知識最終為設(shè)計未來針對這些病原體的干預(yù)和治療提供了基礎(chǔ)。”

文獻參考：

Evolutionary and functional history of the Escherichia coli K1 capsule 15 June 2023, Nature Communications.