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用作“生物武器”的细菌长啥样?多张图像揭秘致病菌

编者按

细菌、寄生虫、病毒无处不在,但是它们个体微小,无法被我们的肉眼所识别,不过,借助不断进步的显微技术,我们现在可以看见这些微生物的真实模样。近期,IBM 公司特别展示了 50 张来自美国国家过敏和传染病研究所的扫描电镜图像,以展现微观世界的绚烂多彩。图片包括细菌、病毒、螺旋体和免疫细胞等。

此前,我们特别呈现了 20+ 张关于病毒与寄生虫的微观图像,今天,我们特别选取了其中关于细菌的图像,并对相关的知识进行简单介绍。

生物武器:土拉弗朗西斯菌

土拉弗朗西斯菌可以引起土拉杆菌病(兔热病),感染者会出现高热、浑身疼痛、腺体肿大和咽食困难等症状。由于该细菌最小感染剂量低、毒性强、易通过气溶胶传播,所以被视为一级恐怖主义生物制剂。

20 世纪初,针对该细菌开发了几种疫苗,其中研究最广泛的疫苗菌株是减毒活疫苗菌株(LVS),源自于土拉菌全北极亚种的毒性菌株。虽然,LVS 疫苗在人类和动物身上仍然具有一定的毒性,但已在人体上初步证明了其有效性[1]。目前,仅对高危人员进行该疫苗的接种,并未应用于大众。

上图是土拉弗朗西斯菌 LVS 株感染小鼠巨噬细胞的扫描电镜图像。制片过程中需要等到临界点干燥后,用玻璃纸胶带接触细胞表面,使巨噬细胞干裂,暴露出细胞内的细菌。细菌(蓝色)位于胞浆内或囊泡内。

淋病凶手:淋病奈瑟菌

淋病是世界上最常见的性传播细菌疾病之一,由淋病奈瑟菌感染引起,常见的症状有尿道分泌脓性分泌物、尿道疼痛等。如果治疗不及时,可能的并发症包括盆腔炎症和不孕症。

根据 WHO 的数据,每年的淋病患者人数高达到 7800 多万人[2],它是我国常见的性传播疾病,也是《中华人民共和国传染病防治法》中规定的需重点防治的乙类传染病。

上图是导致淋病的淋病奈瑟菌的扫描电镜图像。

结核病凶手:结核分枝杆菌

结核病是由结核杆菌感染引起的慢性传染病,可通过空气在人与人之间传播。由于耐药病例的不断增加,现已成为一个全球公共卫生问题。

结核分枝杆菌可侵入人体全身的各个器官,但主要侵犯肺脏,称为肺结核病,主要表现为咳嗽、咳痰。肾结核病常见症状为尿痛、尿急等。此外,结核患者一般还会出现虚弱、低热、盗汗等[3]。

上图是导致结核病的结核分枝杆菌的扫描电镜图像。

梅毒凶手:梅毒螺旋体

梅毒由梅毒螺旋体感染引起,可造成血管塌陷、局部供血受阻、血管炎症、组织坏死等,梅毒在世界范围内广泛传播,每年约有数百万人患病,而在低收入和中等收入国家,发病率和死亡率更是节节攀升[4]。

上图是导致梅毒的梅毒螺旋体的扫描电镜图像。

蜱传复发热:赫母斯氏包柔氏螺旋体

赫母斯氏包柔氏螺旋体可引起蜱传复发热,这种疾病在美国西部和加拿大不列颠哥伦比亚省南部的高海拔地区和针叶林中非常流行。

该病的患者通常是被感染赫母斯氏包柔氏螺旋体的蜱虫叮咬后,4 天到 18 天开始发病,其特点是反复出现发热并伴有各种其他表现,包括头痛、肌肉疼痛、关节痛、寒战、呕吐和腹痛等。

若患者血液镜检赫母斯氏包柔氏螺旋体阳性,则可确认为蜱传复发热[5]。

上图则是赫母斯氏包柔氏螺旋体的扫描电镜图像。

多重耐药:耐甲氧西林金黄色葡萄球菌

金黄色葡萄球菌是常见的致病菌之一,可引起食物中毒、皮肤和组织感染,甚至菌血症和心内膜炎。导管、支架等侵入性材料,被认为是金黄色葡萄球菌感染的主要因素之一。

在前抗生素时代,侵入性金黄色葡萄球菌感染造成的死亡率一直很高,直到青霉素的出现,这一局面才发生了转变。但好景不长,由于青霉素的广泛使用,金黄色葡萄球菌产生了青霉素耐药性。

为了应对耐青霉素金黄色葡萄球菌,甲氧西林,一种半合成的青霉素,在 1959 年面世。然而,耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)在很短的时间内迅速出现,并几乎对所有青霉素类抗生素都具有耐药性,成为了当前医院感染的主要致病菌[6]。

上图是扫描电镜拍摄下的被细胞碎片包裹着的 MRSA。

上图显示的是 MRSA252 菌株与人白细胞的相互作用。MRSA252 菌株是美国和英国医院感染的主要原因之一。

上图是中性粒细胞摄入 MRSA 的扫描电镜图像。

上图展现了 MRSA 与死亡嗜中性粒细胞之间的纠缠。

医院获得性感染:耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌

肺炎克雷伯菌属于肠杆菌科,是人类口腔和肠道的正常微生物。但是部分肺炎克雷伯菌具有致病性,是引发医院获得性感染的常见微生物。20~80%的肺炎克雷伯菌对至少一种抗生素耐药,包括头孢菌素类、氟喹诺酮类、氨基糖苷类以及碳青霉烯类。

2002 年,希腊的一家医院出现了产生VIM型碳青霉烯酶的肺炎克雷伯菌,随后该菌在世界各地广泛传播。耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌是一种多重耐药菌,可引起严重的医院感染,治疗失败率和死亡率都很高,已对全球人类健康构成严重威胁[7]。

上面两幅图显示的是耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌与人类中性粒细胞的相互作用。

链球菌:A型和B型各有不同

链球菌隶属于厚壁菌门乳杆菌目,革兰氏染色阳性。链球菌的细胞分裂发生在同一个轴面上,因此当它们生长时,往往成对或成链,可能出现弯曲或断裂。大多数链球菌是兼性厌氧菌,常见的链球菌有 A 型链球菌和 B 型链球菌。

A 型链球菌可引起侵入性和非侵入性感染,其中常见的非侵入性感染,包括链球菌性咽喉炎、脓疱病和猩红热等。而由 A 型链球菌引起的侵入性感染,往往更严重,比如链球菌中毒性休克综合征、坏死性筋膜炎、肺炎和菌血症。

据估计,全球每年有 50 多万人死于 A 型链球菌感染,使其成为世界上主要的病原体之一[8]。

上图是 A 型链球菌(黄色)感染人嗜中性粒细胞的扫描电镜图像。

B 型链球菌可引起新生儿和老年人的肺炎和脑膜炎,它是 1~3 月龄婴儿脑膜炎最常见的病因。它们还可以定植于肠道和女性生殖道,增加妊娠期胎膜提早破裂的风险,并导致婴儿的感染[9]。

上图是 B 组链球菌的扫描电镜图像。

有好有坏:大肠杆菌

大肠杆菌在正常的动物肠道微生物组中自然存在,但是其中有一部分大肠杆菌在一定条件下会引起疾病,主要是由特定的菌毛抗原、致病性毒素等感染引起的。引发的疾病包括胃肠道感染、尿道感染、关节炎、脑膜炎以及败血症等[10]。

上图是生长在培养基上的大肠杆菌的扫描电镜图像。

参考文献:

1.Jia Qingmei,Horwitz Marcus A,F. tularensisLive Attenuated Tularemia Vaccines for Protection Against Respiratory Challenge With Virulent subsp. .[J] .Front Cell Infect Microbiol, 2018, 8: 154.

2.M?ynarczyk-Bonikowska Beata,Majewska Anna,Malejczyk Magdalena et al. Multiresistant Neisseria gonorrhoeae: a new threat in second decade of the XXI century.[J] .Med Microbiol Immunol, 2020, 209: 95-108.

3.Acharya Bodhraj,Acharya Ashma,Gautam Sanjay et al. Advances in diagnosis of Tuberculosis: an update into molecular diagnosis of Mycobacterium tuberculosis.[J] .Mol Biol Rep, 2020, 47: 4065-4075.

4.Gogarten J F,Düx A,Schuenemann V J et al. Tools for opening new chapters in the book of Treponema pallidum evolutionary history.[J] .Clin Microbiol Infect, 2016, 22: 916-921.

5.Schwan, Tom G.; Policastro, Paul F.; Miller, Zachary; Thompson, Robert L.; Damrow, Todd; Keirans, James E. (September 2003). Tick-borne Relapsing Fever Caused by Borrelia hermsii, Montana.[J]. Emerging Infectious Diseases. 9 (9): 1151C1154.

6.Jian M , Chen L , Wang J , et al. Current methodologies on genotyping for nosocomial pathogen methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA)[J]. Microbial Pathogenesis, 2017, 107:17-28.

7.Karampatakis Theodoros,Antachopoulos Charalampos,Iosifidis Elias et al. Molecular epidemiology of carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae in Greece.[J] .Future Microbiol, 2016, 11: 809-23.

8.Cohen-Poradosu R, Kasper DL (2007). Group A streptococcus epidemiology and vaccine implications. [J] Clin. Infect. Dis. 45 (7): 863C5. doi:10.1086/521263.

9.Schrag S, Gorwitz R, Fultz-Butts K, Schuchat A (2002). Prevention of perinatal group B streptococcal disease. Revised guidelines from CDC [J]. MMWR Recomm Rep. 51 (RR-11): 1C22.

10.https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%A7%E8%82%A0%E6%9D%86%E8%8F%8C/556836?fr=aladdin

作者|Jessica