《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：Microbial and host innate immune factors affecting the persistence of Staphylococcus aureus in cystic fibrosis airways
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慢性细菌性呼吸道感染是囊性纤维化（CF）肺部疾病的典型特征，约80%的囊性纤维化患者在青少年时期会感染金黄色葡萄球菌（S. aureus）。尽管存在强烈的嗜中性粒细胞炎症反应，S. aureus仍能在CF肺内存活并持续定植。由于中性粒细胞是机体抵御细菌的一线免
慢性细菌性呼吸道感染是囊性纤维化（CF）肺部疾病的典型特征，约80%的囊性纤维化患者在青少年时期会感染金黄色葡萄球菌（S. aureus）。尽管存在强烈的嗜中性粒细胞炎症反应，S. aureus仍能在CF肺内存活并持续定植。由于中性粒细胞是机体抵御细菌的一线免疫细胞，该菌在CF中的持续感染提示两方面机制：一是中性粒细胞杀伤S. aureus的能力存在缺陷，二是细菌自身的存活能力增强。S. aureus在CF肺内的持续定植由微生物因素、宿主遗传因素及微环境因素共同驱动，目前尚未发现单一决定性特征导致其在CF肺内毒力增强，已报道的促存活机制包括抗生素耐药性升高、小菌落变体（SCV）形成、生物膜构建、与铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）共感染，以及附属基因调节系统、杀白细胞素、葡萄球菌蛋白A等多种毒力因子。宿主层面的多种因素同样会影响中性粒细胞对S. aureus的清除效率：CF的致病基础——囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）功能缺陷会损害吞噬溶酶体杀伤过程，并促进形成对S. aureus杀伤效力更弱的中性粒细胞胞外诱捕网（NET）；此外现有数据提示CF肺微环境中的特定组分也可能干扰中性粒细胞的杀菌功能，但该类环境因子的具体构成仍需进一步研究明确。本综述系统梳理了S. aureus肺部感染在CF中的临床意义、促进其在CF肺内生存的微生物与宿主机制，以及CF背景下中性粒细胞与S. aureus互作的研究进展。阐明S. aureus在CF肺内的存活机制及中性粒细胞杀菌功能缺陷的原因，有望为挖掘潜在治疗靶点、减轻CF患者S. aureus呼吸道感染危害提供依据。
1 引言
囊性纤维化是由囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）基因突变导致的遗传性疾病，CFTR是一种负责转运氯离子及其他阴离子的离子通道，目前已发现2000余种可致CF的CFTR突变，其中最常见的是第508位苯丙氨酸缺失突变（ΔF508），美国约85%的患者携带该突变。CFTR功能异常会导致离子转运障碍，引起黏液层增厚、黏液纤毛清除功能受损，进而诱发细菌感染与炎症反应。慢性肺部感染是CF的核心特征，可导致肺功能进行性下降并最终引发呼吸衰竭，是CF患者首要死亡原因。CF气道感染多为多种微生物混合感染，除金黄色葡萄球菌与铜绿假单胞菌这两大主要病原体之外，流感嗜血杆菌、嗜麦芽窄食单胞菌、木糖氧化无色杆菌、洋葱伯克霍尔德菌复合群、脓肿分枝杆菌也常可从患者痰液中分离得到。CF的另一典型特征是气道慢性炎症，患者肺组织内白细胞介素-6（IL-6）、IL-8、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等促炎细胞因子水平升高，抗炎细胞因子IL-10水平降低，儿童患者肺内IL-1β水平尤为显著。上述细胞因子及其他趋化因子会招募大量中性粒细胞浸润至CF肺组织。生理状态下，中性粒细胞通过吞噬作用杀伤病原体，随后通过凋亡被巨噬细胞清除，避免过度炎症造成损伤；但CF肺微环境中的中性粒细胞会释放大量丝氨酸蛋白酶、活性氧、中性粒细胞胞外诱捕网及上述促炎细胞因子，这种过度炎症反应会进一步加重黏液纤毛清除障碍与肺组织结构损伤，形成恶性循环。尽管存在强烈的中性粒细胞浸润，细菌感染仍持续存在，提示CF中性粒细胞功能存在缺陷，其成因可能与CFTR突变本身或CF气道微环境特征相关。本综述聚焦CF患者的S. aureus感染，系统阐述其流行特征、在CF肺环境中的适应性改变，以及阻碍中性粒细胞有效清除该菌的宿主与微生物因素。
2 金黄色葡萄球菌在CF中的流行特征与临床意义
S. aureus是CF患者生命早期最早定植于气道的病原体之一。2015年单中心研究显示成人CF患者中24%检出S. aureus，60%检出铜绿假单胞菌；2018年数据显示2岁以下CF患儿感染率达半数，青少年时期累积感染率超过80%。2024年美国囊性纤维化基金会患者登记年报显示，48%提供样本的患者至少检出1次甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌（MSSA）。约1/3的CF患者早期S. aureus感染会转为慢性，但成年后S. aureus流行率逐渐下降，铜绿假单胞菌成为优势呼吸道病原体。2022年一项研究显示美国ΔF508纯合突变的18岁以下CF患者中55%检出S. aureus，而英国同人群检出率仅为10%，提示地理区域可能影响流行率。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）是CF感染领域的突出问题，2024年美国近20%的患者痰培养MRSA阳性，而2016年加拿大流行率为6.4%，2015年澳大利亚仅为2.6%。总体来看，S. aureus是幼年CF患者最常见的气道病原体，尤其在患者前20年生命周期中构成显著临床挑战。
关于S. aureus感染对CF患者长期肺功能下降及急性加重的影响，尤其是老年患者中的关联，目前学界仍存在争议。多项研究支持S. aureus气道感染与不良临床结局相关：持续S. aureus培养阳性的6岁以上患者，咽部高细菌载量与更陡峭的肺功能下降速率相关；S. aureus小菌落变体（SCV）的存在与患者整体肺功能更差相关；儿童队列中SCV感染即使在调整铜绿假单胞菌与MRSA因素后仍独立与肺功能更快下降相关；4岁前发生MSSA慢性感染的患者，8岁时肺功能更差，肺急性加重风险升高79%；巴西年轻患者队列中，S. aureus感染者的用力肺活量（FVC）、第一秒用力呼气容积占预计值百分比（FEV1%）低于铜绿假单胞菌感染者，肺急性加重发作频率更高；系统综述显示SCV定植患者的FEV1%比典型菌落变体定植者低近17%。
但也有研究未发现二者存在显著关联：84例成人CF患者回顾性分析显示，单纯S. aureus感染（无铜绿假单胞菌共感染）者的肺急性加重次数更少、C反应蛋白水平更低；一项肺功能和微生物群落关联研究发现，肺功能下降人群中铜绿假单胞菌更易占据优势地位，而S. aureus则较少成为优势菌；同一研究中S. aureus为优势菌的患者生存率下降10%，但无统计学显著性；成人患者分析显示单纯S. aureus感染者的临床病情严重程度低于铜绿假单胞菌感染者，而二者共感染者的住院频率、住院时长及急性加重次数均高于单纯S. aureus感染者；一项前瞻性纵向研究中，25种S. aureus毒力基因的存在均未与临床恶化（FEV1%下降或急性加重）相关。
综合现有证据，S. aureus是幼年CF患者最高发的病原体，常与早期炎症及肺功能下降相关，而在无铜绿假单胞菌共感染的成年患者中其致病性可能相对较弱。SCV、高细菌载量、与其他病原体共感染、抗生素耐药（尤其是MRSA）等特定感染特征，是导致CF患者肺功能更快下降、预后更差的独立危险因素。全球范围内CF的葡萄球菌治疗推荐存在差异：英国、德国、澳大利亚推荐所有CF儿童常规使用抗生素预防，而美国仅推荐在疾病急性加重期用药，原因是预防性抗葡萄球菌治疗会增加铜绿假单胞菌感染风险，囊性纤维化基金会评估认为该风险超过了减少S. aureus感染带来的获益。
菌株传播与进化相关研究方面，一项纳入美国两家CF中心50例患者64株分离株的研究显示，菌株可分为8个不同的系统发育克隆簇，亲缘关系未达到人际传播的证据阈值，且多数分离株仍表达常见毒力因子，未出现毒力丢失现象；另一项2020年的研究对全美5家中心的246名儿童CF患者的1382株分离株进行全基因组测序，发现菌株序列未按患者地理位置聚类，提示S. aureus多样性不受诊所区位限制，且存在人际传播证据，尤其在兄弟姐妹及密切接触的同诊所患者中，社区传播与医疗相关传播均可发生，同一患者体内分离的多个菌株多属于不同谱系，提示为多次独立感染而非初始菌株演化，且共存的菌株可能具有不同抗生素敏感性；同时该研究证实CF来源的S. aureus并未比非CF来源菌株表现出更高的突变速率，提示其对CF环境的适应并非源于既往假设的超突变机制。两项研究共同表明，CF患者的S. aureus临床分离株在患者间遗传相似性较低，群体层面遗传多样性较高，但局部范围内存在人际传播可能，且尚无单一的明确特征可预测菌株在CF肺内的定植能力。
3 介导金黄色葡萄球菌在CF中持续定植的微生物因素
S. aureus是一种革兰阳性兼性厌氧菌，是非CF人群皮肤与前鼻孔的常见共生菌，约30%-50%的健康人呈间歇性或慢性定植状态，一项近千人的队列研究显示仅25%的个体被判定为S. aureus携带者，但所有人血清中均可检测到抗葡萄球菌IgA与IgG抗体，提示几乎普遍存在暴露史。非CF人群中前鼻孔定植是金黄色葡萄球菌血症的首要诱因，但未定植者的菌血症死亡率反而高于定植者，提示定植人群的免疫系统对该菌存在一定程度的控制能力；其他感染危险因素还包括高龄、免疫缺陷（尤其是HIV感染所致）、注射吸毒、种族差异等，有色人种的S. aureus菌血症发生率更高。
S. aureus在CF中的感染过程受到多种关键毒力因子的辅助，包括Panton-Valentine杀白细胞毒素等毒素、mecA等抗生素耐药基因，以及小菌落变体、生物膜等微生物学适应性特征，下文将分别阐述抗生素耐药、小菌落变体、生物膜及毒力因子在促进S. aureus CF肺持续定植中的作用。
3.1 抗生素耐药性
与其他感染性疾病类似，S. aureus的抗生素耐药性是CF领域日益严峻的问题，CF分离株中红霉素与克林霉素的耐药率最高，肺急性加重期分离株中80%对阿奇霉素与大环内酯类耐药，52%对环丙沙星耐药，20%为耐甲氧西林株。最受关注的耐药类型是甲氧西林耐药，目前美国近20%的CF患者受MRSA感染困扰，其耐药机制源于mecA基因编码的青霉素结合蛋白PBP-2a，与β-内酰胺类抗生素亲和力极低，mecA基因位于葡萄球菌盒式染色体上，目前已发现14种类型。一项覆盖近2万名CF患者的大型多中心研究显示，获得MRSA感染的患者普遍年龄更小（平均15岁）、合并胰腺功能不全，且既往有铜绿假单胞菌与MSSA感染史；MRSA感染与急性肺加重次数增加相关，检出MRSA的患者死亡风险是无MRSA患者的1.27倍。CF中常见的低血糖状态可能进一步促进耐药产生，体外气液界面培养实验显示，在低糖条件下与CF支气管上皮细胞共培养的S. aureus对利福平耐药性升高；儿童CF患者的MSSA临床分离株会随着细菌浓度升高出现对β-内酰胺类药物的接种效应，源于高浓度下β-内酰胺酶的广谱弱抑制作用；儿童分离株的纵向分析显示，多数早期分离株仅对青霉素耐药，且该特征在后期分离株中保持稳定，少数分离株出现青霉素耐药丢失或新增利福平耐药；噬菌体可能在耐药传播中发挥作用，32.4%的CF痰液样本中存在携带耐药基因的噬菌体，其中β-内酰胺酶基因最为常见，mecA基因极少检出。S. aureus的抗生素耐药性还可与其他表型改变协同出现，包括小菌落变体与生物膜形成。
3.2 小菌落变体
小菌落变体（SCV）在形态上与正常菌落变体（NCV）存在显著差异，生长速率更慢，菌落直径可缩小10倍，通常在琼脂平板上培养48-72小时才可见，在血平板上表现为直径小于0.2 mm、无色素、不溶血，在甘露醇盐平板上无发酵现象，难以被常规检测识别，目前尚无针对CF患者S. aureus SCV检测的共识实验室推荐方案。SCV的形成通常源于亚适宜条件下的代谢通路基因突变或全局基因调控系统改变，多数突变导致营养缺陷型，即无法自主合成生长必需的特定化合物，CF中的S. aureus SCV最常见为胸腺嘧啶、甲萘醌与血红素缺陷型。抗生素的持续使用是SCV形成的常见选择压力，系统综述显示既往使用复方磺胺甲恶唑的患者SCV发生风险比NCV高68%。
SCV在CF患者中的检出率较高，奥地利一项研究显示9.4%的S. aureus阳性患者分离到SCV，美国多中心儿童队列中该比例为26%，加拿大一项研究则显示72%的S. aureus阳性患者存在SCV，差异可能与研究规模有关。SCV可通过多种机制促进S. aureus在CF肺内的持续定植：首先是抗生素耐药性增强，加拿大队列中38%的SCV临床分离株对至少一种氨基糖苷类耐药，且相比同一患者体内的NCV，SCV对环丙沙星与万古霉素的耐药性更强，在亚抑菌浓度抗生素传代后更易获得庆大霉素与环丙沙星耐药，暴露于利福平后突变率也更高，提示其比NCV更能适应抗生素压力。其次是胞内存活能力提升，S. aureus的胞内存活依赖于附属基因调节系统（Agr）相关因子抑制溶酶体与吞噬体融合，或辅助细菌逃逸至细胞质；CFTR缺陷的上皮细胞比功能正常的上皮细胞更易被S. aureus感染，且SCV感染两类上皮细胞的效率均高于NCV；内皮细胞感染模型中，NCV感染会诱导显著高于SCV的促炎细胞因子表达，且NCV的胞内菌落数随时间推移下降，而SCV的回收量在4天内保持稳定，这与SCV的Agr系统表达下调、α-毒素分泌减少相关，CF临床SCV分离株的Agr表达水平更低，胞内存活能力高于NCV与非CF来源SCV。第三是与铜绿假单胞菌共感染时的生存优势，体外共培养5天后回收的
