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导读：近期，国家疾控局发布数据显示，2024年前两个月的百日咳报告病例较2023年同期增加近23倍。尽管教科书上指出“百日咳致病菌——百日咳鲍特菌是一种非运动细菌”，但在这里，研究人员证明百日咳鲍特菌可以运动并表达鞭毛。’

mBio: 百日咳鲍特菌能够运动且具有鞭毛结构

百日咳是一种传染性极强的呼吸道传染病， 主要由百日咳鲍特菌（也叫百日咳杆菌）（Bordetella pertussis）感染引起。人类是百日咳鲍特菌的唯一宿主， 目前尚无已知的其它宿主或中间媒介， 飞沫传播被认为是百日咳鲍特菌主要的传播方式。百日咳鲍特菌属于鲍特菌属，目前该属包括9 个种，分别为百日咳鲍特菌（Bordetella pertussis），支气管炎鲍特菌（Bordetella bronchiseptica），副百日咳鲍特菌（Bordetella parapertussis），Bordetella petrii, Bordetell. avium, Bordetella holmesii, Bordetella hinzii, Bordetella ansorpii 和Bordetella trematum，其中百日咳鲍特菌，支气管炎鲍特菌和副百日咳鲍特菌最为常见，均对人类致病。百日咳鲍特菌是鲍特菌属中的一种多形性球芽孢杆菌，它从支气管炎鲍特菌进化而来，属于革兰氏阴性菌， 营养方式为专性需氧。

虽然全年龄段皆可感染百日咳鲍特菌并出现症状， 但一岁以下儿童症状更为严重， 可能出现严重的肺部和脑部并发症并有较高的致死率。在感染百日咳鲍特菌的患者中， 潜伏期通常为7-10 天， 但最长可达4周。婴儿和儿童表现出一系列症状， 从无症状或轻度上呼吸道疾病到持续数周或数月的严重、持续、进行性咳嗽。百日咳的典型症状被称为“ 鸡鸣样咳嗽”， 是病人由于咳嗽过于剧烈导致气喘所造成的。在婴幼儿中， 百日咳的临床病程在感染和潜伏期后连续经过三个阶段：卡他期、阵发期（ 痉咳期） 和恢复期。每个阶段大约持续1-3周， 咳嗽通常可持续2-3个月， 因此被称为“ 百日咳”.

百日咳感染的第一阶段是卡他期， 婴儿和儿童通常表现为低烧或不发热、喉咙痛、鼻塞、流泪、打喷嚏和轻度进行性千咳。在卡他期， 百日咳经常被临床医生忽视而导致漏诊， 因为这些体征和症状与鼻病毒、冠状病毒和流感病毒相关的其他病毒感染相似。并且医生也会因为认为接种疫苗的儿童不会感染而排除百日咳感染。

在第二阶段阵发期， 患者会经历剧烈咳嗽， 每次持续几分钟， 并可能出现发绀、口腔粘液分泌、流泪和窒息。百日咳的典型症状鸡鸣样咳嗽一般在这个阶段出现，这种阵发性发作通常发生在夜间， 患者还可能经历咳后呕吐、疲劳和呼吸衰竭；在第三阶段恢复期， 咳嗽发作在频率、持续时间和严重程度上都有所降低。然而轻度、慢性、非阵发性咳嗽可持续6周， 并且抗生素等药物的治疗不会缩短这个过程的持续时间。青少年和成人表现的体征和症状与婴儿和儿童相似。然而，一般来说， 大多数青少年和成人的症状比婴儿和儿童的症状要轻。因此， 青少年和成人的百日咳病例常常被医生忽视。虽然典型的百曰咳症状仍可发生在许多患者中， 但调查发现在这个年龄组中， 多达三分之一的长期咳嗽的病因是非典型症状的百日咳感染。此外， 在青少年和成人中有症状的再次感染也很常见。

尽管世界上绝大多数国家实施百日咳疫苗的免疫接种，使百日咳感染率和病死率大大下降，但近年来百日咳发病率也有上升的趋势，包括百日咳疫苗接种率很高的发达国家。这种百日咳发病率逐年升高的现象，被称为“百日咳再现（re-emerge）”。究其原因， 可能是病原体免疫或目前使用的无细胞百日咳疫苗在诱导抗感染保护以及免疫持久性方面并不理想。此外， 疫苗选择压力导致具有不同基因型别的百日咳流行株不断出现， 可能进一步削弱了疫苗的保护效果。

——¹徐颖华. 百日咳鲍特氏菌分子鉴定、基因组多态性与微进化的研究; ²左伟伦. 云南省百日咳流行株感染与免疫特征及皮内疫苗对流行株的保护效果评价.

鞭毛运动是许多细菌的重要适应因素，也是病原体的毒力因子。但百日咳致病菌——百日咳鲍特菌自被分离之日起，就被认为是一种非运动性的细菌。这主要是因为，尽管与亲缘关系较近的支气管炎鲍特菌等类似，它们的基因组中都有编码鞭毛合成和功能基因，但百日咳鲍特菌的基因组中负责鞭毛组装的flhA基因中插入了一个终止子。鉴于FlhA是鞭毛组装所必需的 24 种核心蛋白之一，百日咳鲍特菌基因组上flhA的缺失看上去便与其无鞭毛且无运动性的表型一致。

关于百日咳鲍特菌运动、鞭毛基因表达和蛋白质调控的相关信息非常有限，只能从进化树上与其邻近的支气管炎鲍特菌的有关工作中推测。对支气管炎鲍特菌而言，运动是其到达宿主内生态位所必需的。支气管炎鲍特菌的鞭毛运动和基因表达主要受BvgAS双组分系统控制。其中，BvgS是受体激酶，BvgA是可被BvgS激酶磷酸化的调节者蛋白。在没有外界刺激时，BvgA的磷酸化水平和受其转录调节的毒力基因的表达水平均较低，称为Bvg(-)期（Bvg- phase）。与之相对的，在外界刺激的作用下，BvgA磷酸化水平提高，其自身表达水平及受其调节的毒力因子的表达水平均提高，称为Bvg(+)期。Bvg(-)到Bvg(+)之间的转变类似于光谱，取决于刺激的强度和持续时间，因此，处于Bvg(-)期和Bvg(+)期之间状态可以被称为中间相Bvg(i)。支气管炎鲍特菌的鞭毛基因和蛋白表达，以及运动表型主要发生在 Bvg（−） 期。最近的一项有关百日咳鲍特菌的小鼠实验发现，在小鼠呼吸道内，百日咳鲍特菌Bvg（−）相关表达基因（包括来自鞭毛操纵子的基因）的表达提高，并且从处于感染期患者中分离出百日咳鲍特菌Bvg（−）菌株。这些数据表明，在Bvg（−）阶段，鞭毛表达和运动可能在感染和/或传播中发挥作用。

研究人员使用软琼脂平板测试百日咳鲍特菌WT BP338 和始终处于Bvg（−）阶段的突变体 BP347（Tn5：：bvgS）的运动能力。在培养72小时后，虽然WT BP338菌株是不运动的，但Bvg（−）突变体BP347能够在软琼脂平板上进行运动（图1）。有趣的是，在实验过程中，研究人员也间或地在百日咳鲍特菌 WT菌株（BP338）和另一种实验室常用的百日咳鲍特菌 WT 菌株 （BPSM）中观察到运动，但是该结果不能被有效地重复（仅发生在 <15% 的实验中）。

图1：支气管炎咳鲍特菌(Bb)和百日咳鲍特菌(Bp)的运动。

研究人员推测，百日咳芽孢杆菌 WT 菌株偶尔变得可动，可能是因为其 Bvg相位发生了变化，即基因突变导致 Bvg（−） 突变体占主导地位并在软琼脂平板上运动。为了测试该假设，研究人员从WT BP338在软琼脂平板上偶尔出现的扩散区域外边缘分离出运动细菌并重新接种到新鲜软琼脂平板上。结果发现，可以分离出Bvg（+） 和 Bvg（−）两种菌落。当对这些新分离的Bvg（+） 和 Bvg（−）菌株进行运动鉴定时发现，它们的运动表现与WT BP338类似，不能持续地表现运动。为了确定上述结果是否代表一种普遍现象，研究人员测试了多种实验室和临床分离株，与WT BP338 和 Bvg（−） 突变体 BP437 的状况类似，其中一些可以运动，另外一些则不能运动。目前尚不清楚为什么百日咳鲍特菌并不总是能运动。为了确定在软琼脂平板上的运动细菌是如何运动的，研究人员对从扩散区域外边缘分离出的运动性百日咳芽孢杆菌进行显微观察，结果表明它们在进行游动。

在其他细菌中，细菌的游动依赖鞭毛，也因为支气管炎鲍特菌的运动由鞭毛介导，研究人员从软琼脂平板的扩散区外边缘分离百日咳鲍特菌，并使用透射电子显微镜进行观察。百日咳鲍特菌WT BP338和Bvg（−） 突变体BP347在其表面均存在类似鞭毛的结构，最常见的是一个细菌有一根鞭毛类似物（图2）。利用表面剪切收集细菌表面鞭毛类似物，并使用沙门氏菌或霍乱弧菌等细菌的鞭毛丝抗体进行检测，结果显示为阳性。这些实验证实，百日咳鲍特菌能够运动且在其细胞表面形成鞭毛结构。

图2：百日咳鲍特菌的表面结构。

参考文献

1 徐颖华. 百日咳鲍特氏菌分子鉴定、基因组多态性与微进化的研究[D].中国人民解放军军事医学科学院,2012.

2 左伟伦. 云南省百日咳流行株感染与免疫特征及皮内疫苗对流行株的保护效果评价[D].北京协和医学院,2023.DOI:10.27648/d.cnki.gzxhu.2022.000424.

3 L. Hoffman Casandra et al., Bordetella pertussis Can Be Motile and Express Flagellum-Like Structures. mBio 10, 10.1128/mbio.00787-00719 (2019).