一种特殊的有毒物质大肠杆菌（E. coli）K1，助力非抗生素治疗

大肠杆菌是动物肠道中的正常寄居菌，其中很小一部分在一定条件下引起疾病。大肠杆菌的血清型能够引起人体或动物胃肠道感染，主要是由特定的菌毛抗原、致病性毒素等感染引起的，除胃肠道感染以外，还会引起尿道感染、关节炎、脑膜炎以及败血型感染等。

图源：百度百科

近日，来自奥斯陆大学和威康桑格研究所的Sergio Arredondo-Alonso博士，发现了一种特殊的有毒物质大肠杆菌（E. coli）K1，它的出现比先前的估计的早了大约500年，目前导致血液感染的大肠杆菌菌株中有25%可以产生这种物质。通过使用噬菌体酶，成功地去除了细菌的保护胶囊，为非抗生素治疗铺平了道路。

这项新研究的重点是大肠杆菌的一个特殊亚群，它有一种特殊的胶囊——包围细菌的细胞外屏障——科学家们称之为K1。已知带有这种胶囊的大肠杆菌会导致侵入性疾病，如血液或肾脏感染，以及新生儿脑膜炎。这是因为这种特殊的保护层使它们能够模仿已经存在于人体组织中的分子，并在不被注意的情况下进入人体。研究人员提供的证据表明，靶向这种胶囊可以作为治疗的基础，为预防严重的大肠杆菌感染铺平道路。

大肠杆菌生物学特征

理化特性

大肠杆菌是短杆菌，两端呈钝圆形，革兰阴性。有时因环境不同，个别菌体出现近似球杆状或长丝状；大肠杆菌多是单一或两个存在，但不会排列呈长链形状；大多数的大肠杆菌菌株具有荚膜或微荚膜结构，但是不能形成芽孢；多数大肠杆菌菌株生长有菌毛，其中一些菌毛是针对宿主及其他的一些组织或细胞具有黏附作用的宿主特异性菌毛。

生化特性

大肠杆菌的生化代谢非常活跃。大肠杆菌可以发酵葡萄糖产酸、产气，个别菌株不产气，大肠杆菌还能发酵多种碳水化合物，也可以利用多种有机酸盐。大肠杆菌在常用的生化特性检测项目中，甲基红试验呈阳性，吲哚产生和乳糖发酵是阳性（个别菌株表现阴性），维-培试验是阴性，尿素酶和柠檬酸盐利用呈阴性（极个别菌株表现阳性），硝酸盐还原试验表现阳性，氧化酶表现阴性，氧化-发酵试验表现为F型 。

致病作用特性

对人和多种动物来讲，由于病原大肠杆菌常常倾向具有一定的宿主特异性，对人有致病作用的菌株常常是很少引起动物的感染，反之亦然，据此可将病原大肠杆菌大致上将其划分为两种：即人病原大肠杆菌和动物病原大肠杆菌。动物的致泻性大肠杆菌已被明确的特征主要是类似于ETEC的菌株。UPEC是一群能够引起人的尿道感染最常见的病原大肠杆菌。尿道感染是很少独立存在于动物的大肠杆菌病中的感染症状。

大肠杆菌是尿路和血液感染的常见原因，可导致早产儿和足月新生儿脑膜炎，死亡率高达40%。此外，在过去十年中，高毒力和多重耐药大肠杆菌的增加意味着制定有效的战略来预防和治疗大肠杆菌现在已变得紧迫。了解这种细菌的解剖结构以及它如何在致病过程中发挥作用，是预防严重感染的关键。到目前为止，科学家们对K1胶囊的流行、进化和功能特性缺乏基本的了解，这限制了它们对抗大肠杆菌感染的能力。

威康桑格研究所、奥斯陆大学、伦敦帝国理工学院和伦敦大学学院的研究人员现在已经绘制出了这种大肠杆菌菌株的进化、流行和分布。利用高分辨率人群基因组学、全基因组测序和先进的计算工具，他们分析了来自不同国家和不同时期的5065份临床样本。这些数据包括来自英国和挪威的大量样本，来自巴西、墨西哥和老挝等六个国家的新生成人和新生儿样本，以及1932年以后的前抗生素时代的样本。

他们发现，这种具有特殊毒性的胶囊——K1——实际上可以追溯到更早的时候，比之前想象的要早大约500年。这突出了胶囊对细菌存活的重要性，以及细胞外屏障在大肠杆菌作为肠外感染的主要原因的成功中的作用。

来自奥斯陆大学和威康桑格研究所的Sergio Arredondo-Alonso博士是这项研究的主要作者，他说:“发现在过去的半个世纪里重建K1胶囊的进化史的可能性，以及看到胶囊基因是如何在几个世纪里被许多不同的病原体物种一次又一次地获得的，这是令人兴奋的。由于K1的流行程度和历史都不为人所知，感觉我们进入了真正未知的领域，并大大提高了对这一主要病原体物种的了解。”

该研究还表明，目前导致血液感染的大肠杆菌菌株中，有25%含有产生K1胶囊所需的遗传信息。获得这种菌株的完整进化历史现在将使研究人员能够首先了解细菌如何获得负责严重毒性的遗传物质，并分析对抗它们的方法。

噬菌体是一种“感染并杀死”细菌的病毒，通过使用噬菌体中的酶，研究人员能够去除细菌的细胞外屏障，使其容易受到人体免疫系统的攻击。这组科学家在使用人类血清(实验室研究中常用的一种血液液体部分)的体外研究中证明，针对这种胶囊可以在不使用抗生素的情况下广泛治疗大肠杆菌感染，这与之前在动物身上进行的实验感染一致。

这项研究的通讯作者、来自伦敦帝国理工学院的Alex McCarthy博士说:“我们特别展示了通过将实验微生物学与群体基因组学和进化建模工具相结合而取得的进步，为将研究结果转化为未来的临床实践打开了一扇窗。我们表明，治疗性靶向K1胶囊使这些病原体更容易受到我们免疫系统的攻击，并提供了预防严重感染的可能性。例如，它可以帮助治疗由K1大肠杆菌引起的脑膜炎新生儿，这是一种罕见但危险的疾病，与高死亡率和严重的长期不良健康影响有关。”

来自威康桑格研究所和奥斯陆大学的Jukka Corander教授是这项研究的通讯作者之一，他说:“我们的研究表明，对病原体进行具有代表性的基因组调查是很重要的。这些研究将使我们能够重建成功的细菌谱系的进化史，并查明它们的基因组成的变化，这些变化可能导致它们传播和引起疾病的能力。这些知识最终为设计未来针对这些病原体的干预和治疗提供了基础。”

文献参考：

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