致病性大肠杆菌的多样性、致病机制与公共卫生防控

来源：武汉市灰藻生物科技有限公司　　浏览量：99　　发布时间：2026-01-19 19:12:46

一、简介

1.1 致病性大肠杆菌的疾病谱

致病性大肠杆菌（Pathogenic Escherichia coli）可引起多种疾病，包括新生儿脑膜炎（neonatal meningitis）、胃肠炎（gastroenteritis）、尿路感染（urinary tract infections, UTIs）、溶血性尿毒综合征（hemolytic-uremic syndrome, HUS）、腹膜炎（peritonitis）、肺炎（pneumonia）、乳腺炎（mastitis）和败血症（septicemia）。

1.2 大肠杆菌的双重角色：从益生潜力到病原威胁

大肠杆菌（Escherichia coli）是一种普遍存在且具有多重功能的细菌（ubiquitous and multifaceted bacterium）。它在生物学研究中具有重要价值，尤其在重组DNA技术（recombinant DNA technology）中被广泛使用，并作为载体（vector）用于生产有用的蛋白质、抗原等。大肠杆菌属于肠杆菌科（Enterobacteriaceae）中的埃希氏菌属（genus Escherichia），是典型的“大肠菌群”（coliform group）成员。据称，它是最早定植于婴儿肠道的细菌之一——出生后40小时内即可在结肠黏膜上附着，不仅可抵御外来肠道病原体的入侵，还能合成有益分子如维生素K（vitamin K），因此具备作为益生菌（probiotics）的潜力。

图1.大肠杆菌（Escherichia coli）的扫描电镜图像（SEM）

1.3 传播途径与环境卫生指示意义

肠道菌群中约有0.1%为大肠杆菌，其传播途径主要为粪–口途径（faecal–oral route）。一旦在水体、沙拉、豆芽、厨房用具、饮用水等环境样本中检出大肠杆菌，即表明存在粪便污染（faecal contamination）。

1.4 系统发育与基因组多样性

根据系统发育（phylogenic）关系，大肠杆菌可分为六个进化群；而全基因组测序（whole genome sequencing）研究则将其划分为五个亚种（A–E）。但这种分类与致病性无直接关联：A群包含所有用于科研的菌株，E群则包括O157:H7型大肠杆菌的一个分支。值得注意的是，并非所有肠出血性大肠杆菌（enterohemolytic E. coli, EHEC）在遗传上都密切相关。

1.5 水平基因转移与毒力演化

大肠杆菌具有高度遗传多样性（genetically diverse），仅有约20%的基因在不同菌株间共享。其基因可通过接合（conjugation）和转导（transduction）进行水平转移（horizontal gene transfer），从而在现有种群中扩散遗传物质。其中，转导依赖噬菌体（bacteriophage）介导；例如，志贺毒素（Shiga toxin）编码基因即由志贺氏菌（Shigella）通过噬菌体转移至O157:H7型大肠杆菌。

1.6 基本生物学特性

大肠杆菌为革兰氏阴性（Gram-negative）、杆状、不产芽孢（non-sporing）细菌，具有周生鞭毛（peritrichous flagella），因而具有运动能力（motile）。它属于兼性厌氧菌（facultative anaerobe），最适生长温度为37°C（部分实验室菌株可在49°C下生长），在理想条件下每20分钟即可分裂一次。

1.7 血清分型基础：O、H、K抗原系统

大肠杆菌菌株通常通过抗原组合进行鉴定，包括O抗原（脂多糖，somatic lipopolysaccharide）、H抗原（鞭毛蛋白，flagellin）和K抗原（荚膜多糖，capsular polysaccharide），例如O157:H7。目前已知约有190个血清群（serogroups）。

O抗原由三部分组成：(a) 具有免疫原性的重复寡糖聚合物；(b) 磷酸化的非重复寡糖核心；(c) 脂质内毒素（lipid endotoxin）。目前已鉴定出O1至O181等多种O抗原，其中O31、O47、O67等以及O174至O181为暂定命名；部分还存在亚型，如O128ab和O128ac。

H抗原有H1至H56，但H13和H22并非大肠杆菌。

K抗原（荚膜抗原）为酸性多糖，呈厚实黏液状包裹细胞，编号为K1至K60。根据分子量可分为三类：KI型（约100 kDa）、II型（<50 kDa，常与肠外感染相关）和III型（介于两者之间，如K3、K10、K54/K96）。

二、致病性大肠杆菌（Pathogenic E. coli）

致病性大肠杆菌可引起动物和禽类多种疾病，如新生犊牛腹泻与败血症、奶牛急性乳腺炎及大肠杆菌病（colibacillosis）。此外，它还可与其他弱致病菌协同，在各类动物组织中引发炎症，如心包炎（pericarditis）、腹膜炎（peritonitis）、肝周炎（peri-hepatitis）等。

在人类中，大肠杆菌是胃肠炎和尿路感染的常见病因。其致病途径多样：可通过内源性途径（如泌尿道）或外源性途径（如伤口、肠道）侵入机体。健康牛及其他动物可成为无症状携带者（shedders），通过受污染的食物和水源将病原传给人类；人与人之间的直接传播亦可发生。

Alizade等人（2019）对73项研究、共18,068株分离株进行荟萃分析，发现致泻性大肠杆菌（diarrhoeagenic E. coli, DEC）的分布如下：

产肠毒素型（ETEC）：16%
聚集黏附型（EAEC）：11%
肠致病型（EPEC）：11%
志贺毒素产生型（STEC）：9%
弥散黏附型（DAEC）：6%
肠侵袭型（EIEC）：4%
图2.产肠毒素大肠埃希氏菌（Escherichia coli ETEC）在琼脂平板上的菌落形态
图3.肠道集聚性大肠埃希氏菌（Escherichia coli EAEC）在琼脂平板上的菌落形态

伊朗地区的流行率较低。Nobili等人（2017）指出，2015年欧盟报告的志贺毒素型大肠杆菌（verotoxic E. coli, VTEC）感染为第四大常见人畜共患病（zoonosis），共5901例。其中，O157、O26、O103、O145、O111和O104等六个血清群构成重要的食源性公共卫生威胁。

2015–2016年意大利肉类污染调查显示：250份样本中，8.4%（21份）检出vtx毒素基因，2%成功分离出VTEC菌株，且这些菌株遗传背景多样，来源包括生绞牛肉、牛肉汉堡和生牛肉薄片（carpaccio）。

致病性大肠杆菌的来源为人和动物排泄物，凡被其污染的食物和饮品均可成为传染源。传播途径为粪–口途径。流行病学调查常追溯至以下原因：使用粪肥施肥或灌溉作物、污水污染水源、厨房交叉污染等。常见高风险食品包括生食（如豆芽、黄瓜、沙拉）及未充分加热的食品（如未经巴氏杀菌的果汁、牛奶和肉类）。在畜禽养殖环境中，苍蝇、直接接触甚至空气传播也可能发生。从业人员个人卫生不良亦是重要风险因素。

三、与食物中毒/胃肠炎相关的大肠杆菌（E. coli Associated with Food Poisoning/Gastroenteritis）

3.1 侵袭性大肠杆菌（Invasive E. coli）

侵袭性大肠杆菌在以下两种情况下大量存在：

炎症性肠组织中，其数量与炎症严重程度正相关；
溃疡性结肠炎（ulcerative colitis）和克罗恩病（Crohn’s disease）患者的肠黏膜中。

大肠杆菌是常见的食源性致病菌，多因食用未洗净的蔬菜或未充分烹煮的污染肉类所致。婴幼儿、老年人及免疫功能低下者病情尤为严重，部分菌株可产生致命毒素。

代表性血清型包括：O157:H7、O104:H4、O121、O26、O103、O111、O145 和 O104:H21。其中，O157:H7 属于肠出血性大肠杆菌（EHEC），可引起出血性腹泻；某些菌株兼具聚集黏附（enteroaggregative）和肠出血特性。

2006年，美国26个州报告了疑似大肠杆菌感染聚集病例。州公共卫生部门、CDC（疾病控制与预防中心）和FDA（食品药品监督管理局）联合开展调查并采取控制措施。183名患者中，52%需住院治疗，16%发展为溶血性尿毒综合征（HUS），1例于9月26日死亡。多数病例发病时间为8月19日至9月5日。回溯调查显示，95%的患者在发病前10天内曾食用生鲜菠菜。污染菠菜产自加州三个县。分离出的O157:H7菌株具有相同的脉冲场凝胶电泳（PFGE）图谱（MMWR, 2006年9月26日）。

2011年，O104:H4菌株在德国引发大规模食源性疾病暴发，表现为EHEC感染和HUS，需紧急医疗干预，并波及欧洲及北美共16个国家。近期，法国波尔多地区再次出现聚集病例，瑞典亦报告一例（来源：EFSA/ECDC联合风险评估报告及WHO欧洲区通报）。

3.2 志贺毒素产生型大肠杆菌（Shiga toxin-producing E. coli, STEC）

STEC可在7–50°C、pH ≥ 4.4、水分活度 ≥ 0.95的食品中生长。彻底加热（食品各部位达70°C以上）可有效灭活。STEC是严重食源性感染的常见病因，常见于生或未熟透的绞肉、生乳、蔬菜及豆芽（WHO, 2023）。

O121型STEC曾在美国6个州引发暴发，19人感染，44%需住院。源头追溯至受污染的生三叶草豆芽（clover sprouts）（CDC, 2014年8月1日最终通报）。

另一起O157:H7暴发波及美国四州，58%患者住院，疑因食用污染绞牛肉，涉事产品已下架。两起事件中均未出现HUS病例。

其他血清型也常导致散发或暴发病例。

大肠杆菌按毒力因子分类（Classification by Virulence Factors）：

聚集黏附型（Enteroaggregative E. coli, EAEC）：人类致病株，引起无发热性腹泻；具有菌毛（fimbriae），可在体外使组织培养细胞聚集；黏附肠黏膜，产生热稳定肠毒素（ST）和溶血素（haemolysin），但不具侵袭性。
肠出血型（Enterohaemorrhagic E. coli, EHEC）：定植于人、牛、山羊肠道；引起无发热性出血性腹泻，可进展为HUS（突发肾衰竭）。其志贺毒素由噬菌体编码，引发强烈炎症，典型代表为O157:H7。
肠侵袭型（Enteroinvasive E. coli, EIEC）：人类致病株，引起类似志贺菌病（shigellosis）的剧烈腹泻伴高热。
肠致病型（Enteropathogenic E. coli, EPEC）：可感染人、犬、猫、马、兔等；通过名为“紧密素”（intimin）的黏附素结合宿主细胞，无菌毛；毒力因子与志贺菌相似，部分可产志贺毒素；可破坏肠上皮微绒毛（effacement），具中度侵袭性。

注：STEC O157:H7因对Vero细胞有毒性，又称“维罗毒素产生型”（Verotoxin-producing E. coli, VTEC）；因其引起血性腹泻，亦称EHEC。其他如O145、O26、O111、O103等非O157 STEC菌株也可导致严重腹泻、HUS及肾衰竭，但鉴定更为复杂。

产肠毒素型（Enterotoxigenic E. coli, ETEC）：引起无发热性腹泻，常见于儿童、旅行者及多种家畜（羊、猪、牛、马、犬）。非侵袭性，依靠菌毛黏附肠上皮细胞（enterocytes），产生两类肠毒素：

四、临床症状（Symptoms）

潜伏期通常为1–3天，症状持续3–4天。多数患者仅需支持治疗（补液、电解质），无需抗生素或住院。常见症状包括：大量水样腹泻、腹痛、发热、恶心（伴或不伴呕吐）、厌食、寒战、头痛和肌痛（myalgia）。部分患者恢复缓慢，可达3周。少数可继发溶血性尿毒综合征（HUS），多见于5岁以下儿童，但各年龄段均可发生。

五、肠外感染（Extra-Intestinal Infections）

肠外组织感染可导致腹膜炎、HUS等。细菌可通过穿孔性溃疡、阑尾破裂或手术失误从肠道扩散至腹膜。

5.1 尿路致病性大肠杆菌（Uropathogenic E. coli, UPEC）

大肠杆菌占社区获得性尿路感染（UTI）的80–90%，医院获得性UTI的30–50%。约25%的女性在急性发作后6个月内复发。

基于三重PCR（triplex PCR），大肠杆菌可分为A、B1、B2、D四个系统发育群。肠外致病性大肠杆菌（ExPEC）主要属于B2和D群。一项针对印度阿拉哈巴德（Allahabad）和芒格洛尔（Mangalore）医院分离株的研究显示：70.6%的ExPEC属于B2/D群，B1最少见。四群菌株均可引起败血症，但B2/D群更常与UTI相关。B2群菌株感染更持久、严重，易导致复发与死亡，可产生生物膜（biofilm，促进初始黏附）、多种黏附素及溶血素（强毒力因子）。而A/B1群菌株多产β-内酰胺酶（beta-lactamase），耐药性强；B2群则多敏感。

UTI可能通过非自然性行为传播，此类菌株称为UPEC。女性因如厕后从前向后擦拭不当，或肛交后转为阴道性交，男性因肛交，均可导致肠道细菌进入泌尿生殖道。细菌可沿尿道上行至膀胱、肾脏（女性）或前列腺（男性）。由于女性尿道较短，UTI风险比男性高14倍。

致病机制包括：

肾盂肾炎菌毛（P-fimbriae）：结合尿路上皮细胞上的P血型抗原（含D-半乳糖-D-半乳糖结构），部分人群因缺乏该受体而不易感。
α/β溶血素：破坏未成熟红细胞及尿路上皮细胞，导致肾小管堵塞，引发HUS；微血栓可阻塞脑、肺、肾、四肢毛细血管，引起水肿，影响器官功能，升高血压。
Dr家族黏附素：结合红细胞及多种细胞上的Dr血型抗原（Dra），诱导细胞膜包裹细菌，激活炎症反应，导致膀胱炎及妊娠期肾盂肾炎。
形成胞内细菌群落（IBC）：逃避免疫系统的补体攻击。
产K抗原（荚膜多糖）菌株：多引起上尿路感染，其生物膜可抵抗免疫因子与抗生素。
血源性感染：罕见，细菌经血流播散至肾、膀胱、输尿管。

5.2 新生儿大肠杆菌脑膜炎（E. coli Neonatal Meningitis）

由携带K1抗原的菌株引起。新生儿经产道感染，肠道定植后发生菌血症。此阶段母体IgM抗体无法通过胎盘提供保护。更重要的是，K1抗原结构与脑组织糖肽（cerebral glycopeptides）高度相似，被机体识别为“自身抗原”，从而逃避免疫清除，引发严重脑膜炎。

此外，某些大肠杆菌可产生基因毒性物质大肠杆菌素（colibactin），在肠道黏膜屏障因并发感染受损时注入肠上皮细胞，损伤DNA，促进肿瘤发生（tumorigenesis）。

六、诊断（Diagnosis）

6.1 细菌培养（Bacterial Culture）

粪便或可疑食品接种于麦康凯琼脂（MacConkey agar）或伊红美蓝琼脂（EMB agar）。

MacConkey上呈粉红色菌落；
EMB上呈黑色带绿色金属光泽菌落。

进一步鉴定：

三糖铁（TSI）培养基：产酸/产酸/产气/不产硫化氢（A/A/g+/H₂S⁻）；
IMViC试验：吲哚（+）、甲基红（+）、VP（−）、枸橼酸盐利用（−），即 ++--。

通过哺乳动物细胞培养检测致病性，凝集试验（agglutination test）用于血清分型。

6.2 DNA指纹图谱（CDC PulseNet = PFGE）

对腹泻与非腹泻但共用可疑食物/水源/接触动物者的粪便中O157分离株进行PFGE分析。若图谱一致，则提示同源，可归因于特定暴露源，并据此追踪共同暴露人群以深入调查。

时间线参考：

潜伏期：1–3天；
样本采集窗口：症状出现至就医前1–5天；
实验室诊断：1–3天；
PFGE分析：理想1天，实际2–4天；
加上运输时间：0–7天。

七、治疗（Treatment）

首要措施为补充丢失的液体和电解质。常用抗生素为氟喹诺酮类（fluoroquinolones）。应依据药敏试验（antibiotic susceptibility test）选择最适药物。

八、预防（Prevention）

关键在于个人卫生：

饭前便后、烹饪前后勤洗手；
厨房操作规范：生熟分开、避免交叉污染；
冷冻食品勿在室温解冻；
剩菜及时冷藏或冷冻保存。

参考文献

1.Alizade H, Teshnizi SH, Azad M, Shojae S, Gouklani H, Davoodian P, Ghanbarpour R (2019) An overview of diarrhoeagenic Escherchia coli in Iran: a systematic review and meta-analysis. J Res Med Sci 24:23

2.Nobili G, Franconieri I, La Bella G, Basanisi MG, Salandra GL (2017) Prevalence of verocytoxigenic Escherichia coli strains isolated from raw beef in southern Italy. Int J Food Microbiol 257:201–205

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