当前位置:首页 >> 新闻资讯 >> 技术交流

细菌内毒素与临床疾病

日期∶2014-9-10
近十年来,在医药卫生领域的研究表明,细菌内毒素已成为病患者多种并发症的致病因子。由于血液细菌内毒素的产生没有区域性差异,其主要原因是机体创(烧)伤病灶或其它感染(如流感病毒感染)过程引发的肠道菌群失调与移位,使感染的外源性或肠源性革兰阴性细菌凋亡后,其菌体细胞壁被水解释放出大量的细菌内毒素物质。因其可随渗液进入血液循环形成“内毒素血症”,而引起一系列的病理、生理反应,如机体发热或热原反应,促使血管活性物质释放,导致微循环障碍或多器官功能衰竭等。
  内毒素血症与细菌感染关系密切,尽管感染诱发脓毒症、多器官功能障碍综合症的机制尚未完全明了,一般认为细菌内毒素对其发生、发展具有促进作用。大量研究揭示,内毒素具有广泛而又复杂的生物学效应,脓毒症、多器官功能障碍综合症的病理过程出现的失控炎症反应、免疫功能紊乱、高代谢状态及多脏器功能损害均可由内毒素直接或间接触发。目前,因医院临床常规病原学 “细菌培养”无法检查,给临床诊断带来极大困难。因“内毒素血症”的发生发展得不到及时诊断和治疗,其病死率有逐年上升的趋势。
  在临床医学研究方面已有大量文献报道,内毒素血症可引起一系列病理生理改变,而致使生物体的发热反应,促使血管活性物质释放而导致微循环障碍。其生理病理倾向是:引起白细胞和血小板减少,产生出血倾向,还可直接或间接损害肝脏和引起糖代谢紊乱及酶学、蛋白质代谢的改变。内毒素血症进一步的发展可能引起脓毒性休克、弥散性血管内凝血、急性呼吸窘迫综合症(serious acute respiration syndrome,SARS)、全身炎症反应综合症(systemic inflammatory response,SIRS)或多功能衰竭(multiple organ dysfunction syndrome,MODS)的发生而导致死亡。
  据有献报道,各类疾病内毒素血症的鉴别发生率为:急性肝炎37-64%;爆发性肝炎58-100%;丙肝61.54%;胆石症伴急性梗阻性化脓性感染85%;烧伤85%;败血症70%; 急性胰腺炎90%;皮肤软组织感染70-81.1%;腹腔感染72-84%;尿路感染70-80%(肾炎)、癌症70%;肺部感染和多器官功能衰竭可达100%;上感100%。据有关报道,每年超过50万的患者罹患内毒素血症,其中约40%-50%患者因得不到早期诊断和有效治疗而死亡。研究显示,流感病毒和非典型肺炎可能死于“急性内毒素中毒”,非典型肺炎死亡病例病理解剖显示,有明显的内毒素血症器官损害现象。
  常见的内毒素与临床疾病相关性举例介绍如下:
  一、肠源性内毒素血症
  经研究表明,严重烧伤后,需氧菌、厌氧菌、真菌均可经肠道侵入到肠系膜淋巴结、肝、脾、肾或血液。内毒素是革兰阴性菌外膜的组成部分,也是该菌的主要毒性部分,在细菌繁殖、裂解时均可释放,内毒素常与革兰阴性菌相伴而行。值得注意的是,严重创伤后,细菌既然可以经肠道侵入,称为“内毒素库”的肠道,其内毒素(分子量3000-5000)应更易侵入。经过放射性元素标记法证明,将标记了放射性元素的内毒素置入肠道(量值对健康动物无影响),进行了动物体内示踪,结果在烧伤后15min,门静脉中的内毒素值已经开始上升,3-6h可达到峰值,门静脉中的内毒素值,又常高于腔静脉,佐证内毒素来源于肠道;再以电镜放射自显影技术,证明内毒素颗粒在伤后6h,可出现在肝脏库普弗细胞与肝细胞中;进一步制备动物肠淋巴瘘,连续收集肠淋巴液,进行内毒素值的检测,证明肠淋巴循环是肠源性内毒素入侵的另一重要途径。其临床意义除可解释常年临床很感迷惑的无明显感染灶的脓毒症外,对一些不易靠液体复苏纠正的休克,应考虑到感染因素的早期介入;肠道菌和内毒素的移位有可能成为多内脏功能障碍的“启动器”。
  人体肠道是人体内最大的“储菌所”、“内毒素库”。肠道一方面要完成对食物的消化、吸收等功能,另一方面,对有害的微生物与其产物有着严密的防御屏障。偶有少量内毒素的移位,肠相关淋巴组织与肝脏库普弗细胞等有足够的能力予以消除,由之还可以产生一些免疫耐受能力。但当人体遭受强烈的刺激后,其变化即是剧烈的。
  很早以前,临床就发现严重烧伤、脑外伤后可并发胃、十二指肠溃疡、出血或穿孔,当时称为克林溃疡,但临床关心的是上消化道,但下消化道潜藏着更大危害的内源性感染,即细菌和内毒素的移位。内源性感染的发生,关键是肠道屏障功能的损害。
  实验研究证明,静脉注射内毒素后,可引起寒战,继以高热,如加大剂量,动物在死亡前体温可降至正常以下。内毒素可引起广泛微动脉、微静脉的收缩,继收缩之后为扩张,血液渗出,大量血液淤滞于微血管内,有效循环量减少,血压下降,出现内毒素性休克。
  内毒素血症在血象方面表现为白细胞的增多或减少、血小板明显减少,凝血功能障碍,可发生弥散性血管内凝血(DIC)。
  中等量内毒素可引起高血糖,然后转为低血糖,同时有显著的肝糖原消耗现象。内毒素血症还可出现意识障碍、精神异常等。
  综上的表现与革兰阴性菌脓毒症非常相似,一方面因内毒素血症与革兰阴性菌血症常相伴存在,另一方面,内毒素有事革兰阴性菌的主要毒性成分。内毒素的致病作用,固然有本身的毒性问题,更主要的是能引发一些细胞,如单核额巨噬细胞、血管内皮细胞、中性粒细胞等释放多重的炎症介质;此外,还可介导补体系列、纤溶系列的变化,所以其主要作用是间接的。内毒素血症的特异性指标是血液内毒素的定量检测,对试剂要求精确、程序要求严谨、还要解决血液对鲎试验法的干扰问题,直至2010年中国才有相关检测产品注册上市,至今在临床也没有广泛开展,包括国内外的一些大医院。因此,多数临床医生理论上对内毒素有所认识,但缺乏检验数据的提醒,所以印象较深的只限于血液的细菌培养结果。不少学者研究证明在严重创伤或大手术后,如定量检测血液内毒素,常存在不同程度的内毒素血症,其来源多指向肠道。至于重症肝炎病人,内源性内毒素血症也常见。总之,如能常规开展内毒素定量检测,将会发现内毒素血症在危重病人中相当普遍。
  二、烧伤后多器官功能障碍综合症
  严重烧伤可导致病人体表、体腔机械屏障的破坏和大量坏死组织的存在,为细菌和其他微生物的入侵创造了条件。加之机体免疫功能抑制,感染成为严重烧伤后最常见的并发症。国内外的临床资料显示,感染是大面积烧伤病人的主要死亡原因,其中以全身性感染对伤员生命的威胁最大。近20年的研究表明,内毒素血症与细菌感染关系 密切,它是烧伤感染中的重要致病因素之一。实际上,在烧伤脓毒症中,内毒素常常与细菌协同致病,两者同时并存。尽管感染诱发脓毒症、多器官功能障碍综合症的确切机制尚未完全明了,一般认为细菌内毒素对其发生、发展具有促进作用。大量研究揭示,内毒素具有极广泛而又复杂的生物学效应,脓毒症、多器官功能障碍综合症病理过程中出现的失控炎症反应、免疫功能紊乱、高代谢状态及多器官功能损害均可由内毒素直接或间接触发。
  烧伤后的内毒素血症是否存在?其临床意义如何?为了试图在发生严重感染症状的烧伤伤员血液中寻找内毒素存在的证据,Cardis等利用鲎试验法首先报告了严重烧伤后内毒素血症的发生情况及临床意义。认为大面积烧伤后,早期可出现肠源性内毒素血症,它对于伤后病死率有一定的影响。其后,有人对35例烧伤患者进行了研究,依据不同烧伤面积,结合临床表现、鲎试验、辅助检查及尸检结果等将烧伤内毒素血症的临床变化分成五类。除Ⅰ型为单纯内毒素血症体征外,其余四型均为内毒素休克的晚期表现——呼吸衰竭、DIC、脑水肿、心肌及肝脏的脂肪变性、脓毒性休克等。这些早期研究资料对烧伤内毒素血症的认识具有较重要的影响。
  随着我国鲎试剂的生产工艺技术的不断进步和产品质量水平的提高,并逐渐应用于临床感染疾患的早期诊断研究。余庆等人用鲎试验法检测了5例烧伤病人的血浆内毒素含量,结果表明烧伤病人的创面被革兰阴性菌感染后,其血浆中即可测出高低不等的内毒素含量,引起轻重不同程度的内毒素血症。革兰阴性菌脓毒症病人血浆中持续地检测出较高水平的内毒素是一项危险信号,预示着此类病人极易发展成致死性内毒素休克。提示鲎试验在内毒素血症的快速诊断及估测预后上具有一定的实用价值。
  三、 内毒素血症的来源
  既往多认为烧伤后内毒素血症来源与烧伤创面或血液循环中革兰阴性菌感染感染后大量释放。随着外科领域中肠源性感染研究的深入,人们对烧伤后内毒素血症产生的途径有了新的看法。在较大面积烧伤的早期,患者血浆内毒素水平即显著升高,常表现出明显的脓毒症症状,而此时烧伤创面并无大量细菌繁殖,或者血培养无细菌生长。这些现象提示,烧伤早期的内毒素血症主要不是起源于创面,肠道蓄积的内毒素过量侵入血液循环可能是最重要的来源。Dobke等观察清楚地显示,伤后7-12h循环中内毒素含量达峰值,另一峰值则出现在伤后第4天。作者认为这种早发的内毒素血症主要来源于肠道,与创面细菌无关。其后内毒素的再度上升则可能与创面脓毒症有联系。另有资料证实,烧伤面积超过60%的5例病人,伤后1天鲎试验均呈阳性反应,并于烧伤后1-4天内出现多器官功能衰竭,均未发现明确的感染灶。上述临床研究,均不同程度地说明烧伤早期可发生肠源性内毒素血症,肠源性内毒素及细菌移位可能是导致脓毒症、多器官功能衰竭的重要原因之一。
  现已证明,大鼠重度出血性休克仅30min,1/3的动物已经出现肠源性内毒素血症,至休克2h,其阳性率高达87.5%,同时约半数动物伴有菌血症。实验显示,从循环中清楚的内毒素迅速分布到肝、肺、肾等组织巨噬细胞内。内毒素及其代谢产物经巨噬细胞代谢转运后可逐渐由胆道排泄,采用酚/水抽提法提取从内毒素血症大鼠胆汁中排出的内毒素,发现它对小鼠仍具有极强的致死活性。说明内毒素攻击时,尽管循环中内毒素迅速呗单核/巨噬细胞系统所清除,但进入组织中的内毒素仍可保留一定的生物活性。大量的动物实验研究证明,严重烧伤后常伴有不同程度的休克期。由于创伤应激状态,往往破坏肠上皮细胞之间的紧密连接,导致肠系膜屏障功能削弱,肠黏膜通透性迅速增高。从而使肠道中蓄积的内毒素得以侵入机体内形成内毒素血症,循环中的内毒素又反馈性促进肠道中内毒素、细菌持续入血,形成一恶性循环链。所以对烧伤休克期的治疗,除了液体复苏外,还应注意拮抗早期内毒素血症,以减免或减少对机体的继发性损害。
  四、肠道细菌移位
  早在上世纪50年代,Fine就提出肠道细菌和内毒素的入侵是失血性休克向不可逆转化的重要因素。人体肠道含有大量的细菌,同时因细菌繁殖、裂解而产生大量的ET。因此,称肠道是人体内最大的“内毒素库”。
  正常情况下,肠道具有屏障功能,能够保证肠道内的内毒素不侵入血循环。①机械性屏障,完整严密的组织结构,包括完整的肠黏膜、黏膜上皮细胞间的紧密结合等;②化学性屏障,正常胃肠道的生理性分泌含有抑菌、降解和中和内毒素的的物质,包括胃酸、胆汁、溶菌酶、蛋白质分解酶,以及杯状细胞分泌的糖蛋白所形成的肠黏液,有一些可以润滑肠道、非特异性结合ET,形成粪便;③肠腔内菌群含400多个菌种,95%是厌氧菌。正常情况下其数量和分布相对稳定,菌群之间相互拮抗又相互依存;④免疫性屏障,肠道本身也是人体重要的免疫器官,肠道集合淋巴结(Payer patch)可产生大量的淋巴细胞,肠道浆细胞可产生分泌型IgA而中和内毒素。
  肠道屏障功能的减弱将造成肠道细菌移位(bacterial translocation,BT)和肠源性感染(gut origin septic states)。BT指肠道微生物及其产物(包括内毒素)穿过完整肠壁到达外周的过程,最常发生移位的是大肠杆菌、克雷白杆菌和假单胞菌,而厌氧菌几乎不发生移位,这决定于细菌本身的粘附力和侵袭力。体外循环后BT的发生对全身炎症反应、菌血症及脓毒血症的发生有重要意义。
  肠道内毒素穿过肠道屏障后,大致有以下几条途径进入机体:门静脉途径、淋巴途径、少数情况下直接穿过肠壁到达腹腔。有研究表明,复跳后60min时,右心房与门静脉内毒素含量差异有显著性,门静脉内毒素含量明显高于腔静脉,门静脉通道可能是内毒素进入机体的主要途径。
  五、肝脏网状内皮系统功能下降
  肝脏是机体清除内毒素的主要器官,也是阻止肠源性内毒素进入体循环的重要屏障。研究表明,给人、大鼠或兔等注射内毒素主要通过肝脏清除。给烧伤的大鼠肠腔内注入放射性标记内毒素,发现经肠道入血的内毒素进入肝脏后不仅被单核巨噬细胞所摄取,而且可以迅速进入肝细胞内,在线粒体上呈优势分布,最终经胆道系统清除肝脏的单核巨噬细胞主要是通过LPS-LPS结合蛋白(lipopolysaccharide-binding protein,LBP)-CD14途径发挥吞噬作用的;同时,网状内皮系统(RES)亦被激活,加速内毒素及其诱生物的廓清,RES途径是机体抗内毒素的重要途径。
  体外循环心脏手术后,由于缺氧和应激的原因,吞噬细胞功能降低,肝细胞功能受损,使得对内毒素的解毒能力下降,导致内毒素从肝脏中进入体循环。吸收入血的内毒素反过来又可以加重肠黏膜上皮细胞及肠壁微血管内皮细胞的损害,形成恶性循环。
  六、内毒素血症对全身脏器的影响
  内毒素的致伤作用主要来源于两个方面:1.直接损伤作用,即内毒素与组织细胞结合,直接导致细胞损伤,影响脏器功能;2.间接损伤作用,即内毒素激活血小板、中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、内皮细胞以及补体系统和凝血系统,促使内源性介质和炎性细胞因子的过度分泌和释放,后者造成实质细胞的损害。其中病理变化最明显的脏器是肝脏和肺脏,其次为肠、肾、心、脑。
  内毒素引起机体实质细胞损害的程度与内毒素的量有关,然而量的差别仅仅体现在病程上。小剂量的内毒素即可以引起典型的病理表现,但是具有自限性;大剂量内毒素引起相同的病理改变,但是病程较长,实质细胞的损伤常常是不可逆的。
  (一)肺损伤
  内毒素所致肺损伤的表现类似于ARDS,主要为血管内皮细胞和肺上皮细胞弥漫损伤,间质性水肿、局灶性肺泡内出血以及透明膜形成等。一系列的体内或体外、直接或间接的实验,均证实内毒素可以直接损伤内皮细胞。在内毒素刺激后30min,即可观察到内皮细胞收缩,胞膜皱缩,细胞间连接松解,间裂形成,微血管通透性增加。这些表现发生在炎性细胞因子的血浆峰值及黏附分子表达之前。同时,内毒素可以刺激巨噬细胞,释放大量炎性因子,招募中性粒细胞并放大炎性反应造成急性肺损伤(acute lung injury,ALI)。
  (二)肝损伤
  内毒素致肝细胞直接损伤的机制为:1.肝细胞接触一定量类脂A后,类脂A被转运至线粒体内膜,与特异性受体结合,抑制ATP合成酶和NADH脱氢酶使能量合成受阻、阻止呼吸链电子传递,氧分子接受电子不足,产生氧自由基损伤生物膜,导致肝细胞坏死;2.通过激活磷脂酶A2或启动肝细胞线粒体膜脂质过氧化作用,使自由基含量增高,参与肝细胞损伤;3.抑制肝毛细胆管膜上Na-K-ATP酶活性,致ATP减少,使得肝实质细胞对胆汁酸的主动摄取、代射和分泌不足、毛细胆管排泄障碍,而导致肝细胞内胆汁淤积。内毒素间接损伤肝脏的作用机制主要有:1.刺激炎性因子释放,对肝细胞造成损伤;2.导致肝脏微循环障碍,肝血流量减少,引起的肝组织缺血;3.刺激血液成分或组织细胞释放缩血管物质,引起门静脉高压;4.抑制胆盐合成,阻碍肠源性内毒素吸附;5.通过替代途径激活补体,引起肝窦内皮细胞的损伤并影响淋巴细胞的功能。
  (三)心脏损伤
  内毒素可刺激机体产生TNF-a,IL-1、6,NO等炎症因子损伤心脏,其本身的毒性也可直接损伤心脏。内毒素对心脏的毒性作用与冠脉流量以及氧供无关。
  内毒素血症时心肌组织的血管及毛细血管扩张充血、出血、渗血、炎症细胞浸润,在内毒素血症出现后12h最为明显。轻度损伤或在内毒素血症早期即观察到血管内皮细胞及器官实质细胞凋亡的现象。内毒素使心肌细胞线粒体嵴消失,呈空泡变性,心肌纤维断裂。心肌细胞核周、间质肿胀,线粒体疏松或退变,血管内皮细胞水肿及大量吞饮小泡存在。
  内毒素可以抑制甘油三脂(TG)代谢的限速酶脂蛋白酯酶(LDL),阻碍心肌对能量的设却和利用。心肌内酮体氧化减少,酮体在细胞内堆积,脂质沉积增加。
  内毒素对血流动力学亦有影响。实验动物注射内毒素后平均动脉压(MAP)明显下降,1h后下降约44mmHg,至4h后仍未见明显的回升,平均肺动脉压(MPAP)明显增高,肺动脉锲压(PCWP)有所增高,全身血管阻力(SVR)显著下降,较基础状态降低2倍,肺血管阻力(PVR)增高。内毒素注射1h后心输出量(CO)明显增高,其后略有下降,但仍高于正常。内毒素使心脏指数(CI)、每搏指数(SI)、左室作功能指数(LVSWI)和右室作功能指数(RVSVI)均降低。内毒素还可以引起血浆儿茶酚胺类物质释放,但此时机体血管对这些缩血管活性物质的反应性明显降低,因此不能改善血流动力学的紊乱。
  内毒素激活白细胞影响冠脉微循环。小剂量内毒素对正常的冠状动脉流量(CAF)影响不大,是因为内毒素未破坏冠脉的自动调节。当患有冠状动脉粥样硬化时,内毒素可使CAF升高。
  (四)肾损伤
  内毒素中的脂质A能够强烈收缩动脉,兴奋交感神经,增加儿茶酚胺的释放。内毒素血症时,肾血管阻力明显升高,能诱发肾血流量、肾小球滤过率和滤过分数减少。同时,内毒素刺激血栓素A2的合成和其它环氧化酶的生成,这些缩血管物质使肾脏缺血更加严重。
  内毒素血症时,机体产生一系列炎症反应和抗炎反应,释放大量细胞因子和炎症介质。同时循环RAS激活,引起血管收缩,导致微循环障碍,可进一步加重组织细胞缺血、缺氧,严重时可能导致肾功能衰竭。
  (五)肠损伤
  肠道为内毒素的来源,然而内毒素也可以损伤肠道的结构和功能。大鼠腹腔注射内毒素后,早期主要表现为肠粘膜和粘膜下层充血、水肿。肠上皮细胞皱缩,细胞间隙增大。因此,内毒素血症的临床检测。
  近年来国内外报道G-菌感染有逐年增加的趋势,故快速诊断G-菌所致的败血症和内毒素血症已被越来越重视。但现有的细菌学检查需时间较长,且由于抗生素的广泛应用使培养阳性率降低。现在更多的报道已阐明内毒素血症可存在无菌血症的各种情况,如网状内皮系统功能障碍;肠道粘膜损伤;局部阴性细菌感染;污染大量内毒素的注射药品、输液及输血等。
  部分临床研究证实,内毒素浓度与患者疾病进展、严重程度和预后有密切的关系。Markus等发现,体内内毒素核心抗体浓度越低,则心脏手术术后患者呼吸支持时间越长。由此可见,血浆内毒素浓度及相关指标很可能成为一种“预警”方式。所以,尽早地发现和监测人体液中内毒素水平的动态变化,对诊断疾病、指导临床、评价预后具有重要意义。鉴于内毒素对机体多方面损害作用,内毒素水平越高,对机体的不良影响越大,故内毒素水平亦可作为衡量体外循环心脏手术或手术期安全性的一个指标。
  七、其他
  内毒素作用机制非常复杂、临床处理颇为棘手,其内容涉及感染、炎症、免疫及组织损害等一系列基础问题,并与机体多系统、多器官病理生理改变密切相关。大量资料证实,内毒素血症是内、外科危重病人常见的并发症,常见致脓毒症和多器官功能障碍综合征,是危重病人的主要死亡原因之一。因内毒素系许多基础医学、临床学科和预防医学共同关注的新课题,加强其研究和认识有助于促进多学科的相融与发展。因此,对内毒素血症的早期诊断与防治研究,是现代医学亟待解决的重大课题,因此临床血液细菌内毒素的检测研究无疑具有十分重要的理论价值与临床意义。