第三节 泌尿系统感染发病机制

一、发病机制和毒力因子

（一）感染途径

大多数尿路感染的病原菌从肠道进入尿道，再由尿道上行进入膀胱，病原菌对肠内和尿路上皮黏膜的黏附能力在上行感染中发挥重要作用。这种感染途径在会阴附着粪便或使用涂有杀精子避孕套性交的妇女以及间歇或长期留置导尿管的患者中更为常见。尽管膀胱炎通常局限于膀胱，但约50%的感染可以上行至上尿路。临床和实验的证据强烈表明，大多数肾盂肾炎是病原菌由膀胱经输尿管到肾盂和肾实质的逆行上升感染引起的。膀胱炎引起的水肿会导致输尿管膀胱连接处的严重改变，从而产生输尿管膀胱反流。细菌一旦进入输尿管，可以畅通无阻地上行到肾脏。病原菌到达肾盂后，通过肾乳头尖端的集合管进入肾实质，然后通过集合小管继续上行。革兰氏阴性菌及其内毒素、妊娠和输尿管梗阻等影响正常输尿管蠕动功能的因素都会大大增加这种上行感染的发生率。

病原菌通过血行途径感染肾脏在正常个体中较少见，但若发生源自口腔的金黄色葡萄球菌菌血症或合并念珠菌感染，偶尔会导致肾脏的感染。研究表明，上尿路梗阻会增加血行途径感染的发生率。

病原菌通过淋巴管从邻近器官直接延伸到尿路一般仅发生在少数情况，如严重肠道感染或腹膜后脓肿，但很少有证据表明淋巴途径在尿路感染中起着重要的作用。

（二）病原体

大多数尿路感染是由来源于肠道菌群的兼性厌氧菌感染引起的，所以尿路感染本质上是一种内源性感染。此外，尿路感染也可由来源于阴道菌群和会阴部皮肤的表皮葡萄球菌、白念珠菌等所引起。在所有这些病原菌中，大肠埃希菌导致了85%的社区获得性尿路感染和50%的医院获得性尿路感染。其余社区获得性尿路感染则主要由革兰氏阴性变形杆菌、克雷伯菌以及革兰氏阳性粪肠球菌和腐生葡萄球菌引起。医院内感染主要由大肠埃希菌、克雷伯菌、肠杆菌、柠檬酸杆菌、沙雷菌、铜绿假单胞、普罗维登斯菌、粪肠球菌和表皮葡萄球菌引起。较罕见的病原菌如阴道加德纳菌、支原体和解脲脲原体则可能会感染需要间歇或长期留置导尿管的患者。

既往研究中，导致肠外感染的大肠埃希菌可根据多重聚合酶链式反应分为多个种类，其中最常见的尿路致病性大肠埃希菌（uropathogenic escherichia coloi，UPEC）位于B2组别。其中，序列类型为ST131的大肠埃希菌特别值得注意，其引起的尿路感染可迅速进展为多重耐药。最近一项基于地理差异的ST131分离株的研究表明，其中一种大约在10年内出现的ST131亚型H30，是多重耐药大肠埃希菌感染的主要类别，与尿路感染的复发和败血症的发生高度相关。

能引起症状的厌氧菌尿路感染十分少见。然而，在远端尿道、会阴部和阴道通常有厌氧菌定植。在有临床症状的尿路感染中，尿培养只有厌氧微生物阳性的情况罕见。但是对于有膀胱刺激征的患者，如果镜下发现离心尿中存在球菌或革兰氏阴性杆菌，且常规尿培养需氧菌为阴性，需要考虑是否存在厌氧菌感染。厌氧菌感染经常出现在泌尿生殖系统的化脓性感染中。一项男性泌尿生殖系统化脓性感染的研究表明，88%的阴囊、前列腺和肾周脓肿存在厌氧菌感染。

（三）毒力因子

病原菌的毒力因子在决定病原菌能否侵入尿路过程中发挥关键作用，并与感染的严重程度密切相关。通常认为，起源于肠道的致病菌，如UPEC，不但可以偶然引起尿路感染，还可以通过表达具有黏附功能的毒力因子引起尿路感染。在复发性尿路感染患者的尿液中可以发现病原菌上有相同的毒力因子。最近一项关于UPEC基因组分析的研究表明，其存在假定的分子伴侣系统基因和发挥黏附素、毒素、蛋白酶、侵袭素、血清抗性因子作用的自身转运蛋白基因。Sat是其中一种UPEC特异性自身转运蛋白，其在体外实验中显示能对尿路细胞产生毒性，在小鼠肾脏中引起细胞质空泡化和严重组织损伤。溶血素是另一种毒素，能对宿主细胞的细胞膜形成孔状损伤。最近的数据显示，UPEC还能够中和溶酶体，这种中和作用被溶酶体膜瞬时受体电位黏脂蛋白3（transient receptor potential mucolipin 3，TRPML3）所感知，激活直接分泌含有UPEC的溶酶体途径。

病原菌黏附于阴道和尿路上皮细胞是引起尿路感染的关键步骤，黏附作用与病原菌的黏附特性和上皮细胞的接受特性相关。UPEC能表达大量黏附到尿路组织的黏附素。其中最主要的一种黏附素就是菌毛。一个典型的有菌毛的细胞可含有100～400个菌毛。1个菌毛通常直径为5～10nm，长约2μm，主要由菌毛蛋白构成。根据其介导的不同红细胞血凝反应的能力，菌毛分为不同的类型，其中最常见的为1型菌毛和P菌毛。P菌毛是引起肾盂肾炎的主要毒力因子，由11种基因编码组成肾盂肾炎相关菌毛（pilus associated with pyelonephritis，pap）A～K，其中papG能与肾盂黏膜上的糖脂α-gal-1-4-β-gal受体黏附。1型菌毛在非致病性和致病性大肠埃希菌中均有表达。它可以介导豚鼠红细胞的血凝反应，由于甘露糖可以抑制1型菌毛活性，所以1型菌毛也被称为甘露糖敏感性血凝素（mannose-sensitive hemagglutinin，MSHA）。尿路感染患者尿液分析和动物模型研究显示，1型菌毛作为毒力因子引起尿路感染的能力是明确的。1型菌毛长1～3μm，直径约7nm，包含菌毛A（fimbriae A，Fim A）亚单位及Fim F、Fim G和Fim H3种小亚单位。Fim A占整个菌毛蛋白的95%以上，Fim H则位于菌毛的尖端，它可与膀胱黏膜上的甘露糖受体结合，从而使细菌在膀胱内立足，生长繁殖，引发感染，所以UPEC的菌毛是引起膀胱炎的关键所在。过去曾有人试图以整个菌毛作为抗原制造疫苗，但由于Fim A的抗原性多变，即使同一菌种的细菌，菌毛抗原也不同，故疫苗未研制成功。

上皮细胞的接受性在尿路感染发病机制中的作用，最初是在尿液样本中检测大肠埃希菌对阴道上皮细胞和尿路上皮细胞的黏附能力时提出的。研究人员发现，经常复发尿路感染的女性患者阴道上皮细胞接受性更高，大肠埃希菌更容易与之黏附。人体激素对上皮细胞接受性具有一定作用，在绝经后妇女中，低水平雌激素会增加尿路感染的发生率，雌激素替代疗法可以降低尿路病原菌的定植和尿路感染的发生率。一些女性会定期复发尿路感染，也可能与体内激素水平周期性改变影响上皮细胞接受性有关。

膀胱最表层的细胞称为伞状细胞，其表面被水晶状的六角复合物所覆盖，该复合物由4种被称为尿空斑蛋白（uroplakin）的膜蛋白（即UPⅠa、UPⅠb、UPⅡ和UP）Ⅲ组成。实验证明，UPⅠa与UPⅠb可特异性地与表达1型菌毛的UPEC相黏合。将大肠埃希菌接种于鼠的膀胱后，电子显微镜下可见细菌与黏膜呈单个黏附，有时也呈生物膜菌落状，突变后缺少Fim H黏附素的大肠埃希菌则见不到细菌和膀胱黏附的现象。Fim H介导的细菌与膀胱上皮细胞的黏附是导致尿路感染的一系列事件的初始步骤。在细菌与膀胱上皮细胞黏附后不久，UPEC迅速侵入膀胱表面细胞，并构建一个生态环境，帮助自身抵抗宿主的天然免疫。一旦侵入细胞内部，UPEC在胞质中快速生长分裂，形成小的细胞内细菌群落（intracellular bacterial communities，IBCs）。在快速生长的时候，细菌保持其固有的长约3μm的杆状结构，以疏松群落的方式在胞质中随意生长。6～8h后，早期IBCs会降低增殖的速率，显著缩短长度至平均约0.7μm，并形成生物膜样的群落。作为宿主反应的一部分，上皮细胞会大量脱落，将IBCs释放到尿液中，清除体内的大量细菌。在UPEC感染的患者尿液样本中，充满类似细菌的上皮细胞约占22%。此外，1型菌毛可与其他黏附于膀胱壁上的细菌相互作用形成生物膜（生物膜的生物特性和功能将在后面介绍）。

二、宿主防御机制

通过实验动物和志愿者试验，将106～107/mL UPEC接种于受试者膀胱内，9h后细菌减至103/mL，72h后细菌全被灭活，说明人体自身的免疫机制具有消除尿中细菌的能力。

在阴道口、尿道周围区域和尿道存在的正常菌落中含有大量微生物，如乳酸杆菌、凝固酶阴性葡萄球菌、棒状杆菌和链球菌等。这些微生物形成了一道对抗致病原菌定植的天然屏障。抗菌剂和杀精子剂会快速削弱正常菌落的定植能力，同时增加上皮细胞对致病菌的接受性。雌激素可以使糖原在阴道细胞内聚集，有利于乳酸杆菌的生长，使阴道pH降低，抑制阴道内细菌的繁殖。病原菌突破尿液和膀胱的正常防御机制的能力是其定植在尿道及其周围的关键，也是大多数尿路感染发生的先决条件。

正常人的尿液对病原菌具有抑制作用，尤其是在病原菌数量较少的时候。尿液中发挥抑制作用的因素有渗透压浓度、尿素浓度、有机酸和pH等。稀释的尿液，由于其渗透压低，使细胞内的水分增多，故可抑制细菌的生长；而高渗透压、低pH尿液对细菌有高度抑制性。大多数抗菌药物在尿液中的活性与局部高尿素和有机酸成分有关。尿液中最重要的抑菌物质可能为Tamm-Horsfall蛋白（可简称T-H蛋白）。此低分子量蛋白由远端肾曲小管上皮产生，在尿液中含量超过100mg/mL，可与尿路上皮结合并覆盖其表面。分析T-H蛋白的分子结构可发现其含有UPEC细菌1型菌毛受体，该受体与细菌黏合后，有利于细菌的排出。T-H蛋白也称为尿调制蛋白（uromodulin），它能增强尿路的局部免疫反应。但在T-H蛋白中不含有P菌毛受体，P菌毛菌株容易从尿中分离出来可能与此有关。T-H蛋白不仅能阻止细菌黏附和菌落形成以及排出尿内细菌，还可以与多核白细胞结合，增强其吞噬能力和免疫功能。此外，许多其他可溶性因子（如抗菌肽、补体、脂钙素2、溶菌酶、乳铁蛋白）也会被宿主细胞释放到膀胱腔中，这可能会给到达的细菌创造一个不那么友好的环境。可能保护尿路的抗菌肽包括防御素、人类抗菌肽LL-37和核糖核酸酶7，这些分子可能直接发挥抗菌活性，增加先天性免疫细胞招募，或改变尿液环境，使其对尿液中的病原体不利。其他宿主转录调节因子如低氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）也是如此，在对细菌的反应中表达，潜在地促进一氧化氮、抗菌肽和β-防御素2等先天防御成分的合成。

最新的研究使用第二代脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）测序技术对尿液中的细菌进行定量分析，描绘了正常女性尿液的微生物组。研究人员使用耻骨上穿刺取得的尿液样本进行检测，尿培养阴性的患者样本中却显示存在着各种不同的微生物。尿培养是评估尿路感染的金标准，该研究则展示出一个更复杂的膀胱生态系统。比如，其中一个尿培养大肠埃希菌阳性参与者的DNA分析显示，45%为气球菌，21%为放线棒菌，而仅有2%是大肠埃希菌。

细菌能否在膀胱内存留、繁殖并引起感染，部分取决于膀胱排空的能力，还与膀胱的先天性免疫、获得性免疫和上皮细胞的剥落有关。膀胱或肾脏对感染的先天性免疫应答主要是形成局部炎症。由于膀胱上皮等黏膜屏障反复受到细菌攻击，它们通常对短暂的微生物存在具有耐受性，因此先天性免疫防御是防止感染的关键。先天性免疫应答的发生比获得性免疫应答更为迅速，涉及一系列免疫细胞，如多形核白细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、自然杀伤细胞和树突状细胞等。同时，先天性免疫应答通过巨噬细胞、树突状细胞和自然杀伤细胞等促进获得性免疫的建立。宿主对病原体的识别涉及多个病原体相关分子模式受体（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs），比如Toll样受体（Toll-like receptors，TLRs）。TLR信号通路可以激活先天免疫应答，而大量病原体可以激活TLR信号通路。研究表明，UPEC通过TLR信号通路调控炎症反应，进而增强自身的毒力因子，突破先天性免疫防御，导致最终的感染。UPEC产生的多糖胶囊抗原，特别是K2或K1血清型，可能对UPEC提供一些保护作用，以防止UPEC被宿主根除。此外，含有1型菌毛的细菌感染和破坏上皮细胞后会导致其片状脱落。入侵的细菌激活了细胞内的凋亡程序，诱导特异性凋亡酶——胱天蛋白酶（caspase）释放，使细胞凋亡脱落，这也是宿主对病原菌的防御措施之一。至于体液免疫，复发性UTI在女性人群中的流行表明，膀胱炎后持久的保护性免疫反应至少在女性亚群体中尚未建立。上尿路UTI（肾盂肾炎）可能产生更强的血清学反应，尽管尚不清楚所激发的抗体随后是否会到达膀胱以提供预防未来膀胱炎的保护。总体来说，与先天性免疫系统相比，适应性免疫在控制UPEC感染方面的重要性仍未得到充分研究。但了解抗UTI功能性、适应性免疫的基础可能对复发性UTI和疫苗开发有重大意义。

输尿管的正常蠕动是防御尿路感染的重要机制之一。因为输尿管的蠕动可机械性地防止细菌的黏附。如果输尿管的蠕动失常，膀胱输尿管反流、妊娠时输尿管肾积水等引起的输尿管梗阻都将促进感染的发生。细菌产生的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）及某些钙离子载体均可抑制输尿管平滑肌的收缩，促进感染的发生。实验研究表明，输尿管如无梗阻，则血行感染很难引起肾脏感染，通过输尿管的保护功能可将已种植在肾脏内的细菌排出体外。

三、性别、免疫、遗传等影响尿路感染发生的易感因素

（一）性别与年龄

人的一生中从新生儿到老年均可发生尿路感染。有研究显示，1 000例婴儿采用膀胱穿刺法做尿检查，发现约1%的婴儿有细菌尿，男性多于女性，这时期的尿路感染是全身严重感染的一部分。在学龄前儿童中，女孩尿路感染发生率10倍于男孩，常伴有梗阻性及神经性病变，故对学龄前儿童患者，应进行全面的尿路检查。学龄前女孩细菌尿的发生率为1.2%，而同年龄组的男孩则仅为0.03%。女性的细菌尿随着年龄的增长逐渐增高，约每10年增加1%，60～70岁人群发病率高达10%。女性的发病率进入生育期后，因为性行为导致的尿路感染明显增高。学龄前有尿路感染病史者，妊娠后细菌尿发生率可高达63.8%。围绝经期妇女阴道微生物菌群的变化可能会增加发生尿路感染的风险，因此影响绝经后妇女膀胱排空的机械和生理因素对于绝经后妇女很重要。男性患者发生尿路感染多与畸形、梗阻和前列腺炎有关，故不论年龄大小均应做全面的尿路检查，老年患者则应考虑良性前列腺增生。引起尿路感染的病原菌类型也受到患者性别和年龄的影响，比如，腐生葡萄球菌在年轻、性活跃的女性中可引起10%的人发生下尿路感染，而很少引起男性和老年人感染。

（二）梗阻与异物

在任何解剖水平阻碍尿流的梗阻都会增加宿主尿路感染的发生率，包括泌尿系统中有结石或异物（如输尿管支架）以及与神经源性膀胱相关的疾病。梗阻导致的尿流停止能促进细菌的生长和提高其黏附到尿路上皮细胞的能力。在动物血源性尿路感染的模型研究中，输尿管结扎降低了肾脏对感染的抵抗能力。在临床上，一般的膀胱炎或肾盂肾炎在尿路梗阻时可能会威胁患者的生命。尽管梗阻会增加感染的严重程度，但其并不作为感染的诱发因素。比如，拥有大量残余尿的男性患者数年不发生尿路感染，而当放入导尿管后，少量细菌便可能导致严重感染。临时留置导尿管是增加尿路感染风险的主要医学操作，超过80%的医源性感染继发于留置导尿管。将导尿管插入尿道和膀胱会导致宿主释放纤维蛋白原等因子，这些因子会覆盖导管，使包括肠球菌和葡萄球菌属在内的多种病原体能够结合并在导管表面组装生物膜。

（三）膀胱输尿管反流

膀胱输尿管反流（vesicoureteral reflux，VUR）和尿路感染的关系在1960年首次被提出。研究显示，VUR有一定的遗传基础，在同胞儿童中的发病率显著高于一般健康儿童。儿童时期如存在明显的VUR和尿路感染，肾脏会发生进展性损伤，表现为肾脏瘢痕化、蛋白尿和肾衰竭。反流程度较轻时，肾脏损伤会自主恢复或经过治疗后好转。在成人身上，VUR通常不会引起肾功能下降，除非同时发生尿路梗阻和尿路感染。

（四）免疫

尿路同时也是分泌性免疫系统的一部分。在肾盂肾炎发生时，尿液中可以检测到免疫球蛋白G（immunoglobulin G，IgG）和分泌型免疫球蛋白A（secretory immunoglobulin A，SIgA）。在体外实验中，从急性肾盂肾炎患者尿液中提取出的IgG和SIgA可以抑制相同大肠埃希菌对尿路上皮细胞的黏附作用。免疫因素影响尿路易感性的研究在动物和人体实验中取得了一定的进展。研究人员在动物模型实验中发现，P菌毛疫苗可以降低P菌毛大肠埃希菌对尿路上皮细胞的黏附能力并预防急性肾盂肾炎的发生。在人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）阳性人群中，尿路感染的发生率5倍于正常人群，且更易发生复杂性尿路感染以及尿路感染复发，因此需要更长时间的治疗。

（五）糖尿病

在女性糖尿病患者中，临床有症状或无症状尿路感染的发生率明显高于非糖尿病患者，然而在男性糖尿病患者中没有出现这样的差异。尽管糖尿病患者发生尿路感染通常是无症状的，但糖尿病是发生严重感染的易感因素之一。据报道，即使糖尿病得到很好的控制，无症状菌尿发生频率也会较高。一项随机对照试验（randomized controlled trial，RCT）证明，根除无症状菌尿并不能降低糖尿病患者出现有症状UTI和感染并发症的风险，糖尿病管理不善是有症状UTI和感染并发症的危险因素。

（六）遗传

越来越多的证据表明，遗传因素可能导致UTI风险。先天免疫系统方面的遗传变异（包括模式识别受体分子、趋化因子、细胞因子和中性粒细胞活化的遗传变异）与宿主对尿路致病菌的反应至关重要。一项临床研究分别在容易出现无症状菌尿或急性肾盂肾炎的患者中发现了相同的遗传缺陷。无症状菌尿患儿的TLR4表达降低。肾盂肾炎高发儿童的中性粒细胞趋化因子受体1（CXC chemokine receptor 1，CXCR1）表达水平低于对照组，并且在该患者组中发现了新的遗传多态性。这些研究表明，基因控制的免疫机制会影响免疫力和UTI易感性。

四、细菌生物膜

细菌生物膜是聚集的微生物和它们的细胞外产物在固体表面形成的集落样结构，是细菌为适应恶劣环境而采取的一种生长方式。人体植入物表面生物膜的形成是一种自然现象，是细菌为了适应环境维持生存而发生的形态以及生理功能的改变，以微菌落为基本单位，包裹于多聚糖、蛋白等物质构成的基质中，形如膜状不可逆地附着于物体表面。细菌生物膜形成对于暂时或永久性人体植入物感染（阴茎假体及人工括约肌，详见相关章节）问题有重要的影响。

（一）细菌生物膜形成

生物膜形成通常分为3步：

1.调节膜形成

这一步的形成来自机体对外来异物的宿主反应。以尿路为例：异物进入尿路与尿液接触，尿液中的Tamm-Horsfall糖蛋白、各种离子、多糖及其他成分数分钟内聚集到异物表面，体液中的大分子成分如血清白蛋白、纤维蛋白原、胶原与纤维连接蛋白在细菌微生物到达之前快速在异物表面形成调节膜。调节膜的形成改变了异物的表面特性，使得病原微生物容易在异物表面聚集。

2.病原微生物的聚集和黏附

这是生物膜形成的第二步。病原微生物黏附于异物表面的能力受到静电力和疏水性的相互作用、离子强度、渗透压和尿pH等的影响。其确切的生物学机制仍在研究中。浮游细菌通过释放细胞释放质子和信号分子感知异物平面的存在向异物表面聚集，通过疏水性和静电力的作用黏附于异物表面开始生长繁殖（图1-1-3-1）。

3.表层生物膜结构的形成

此时微生物已经创造了一个躲避抗菌药物和宿主免疫反应的微环境。依菌种不同，微菌落可能由10%～25%细菌和75%～90%胞外多糖（exopolysaccharide，EPS）基质组成。这些微菌落构成了生物膜的基本单元，并进一步发展形成具有异质性粗糙表面的结构。生物膜通过“水通道”运输必要的营养和氧气，同时内部也通过基因表达分泌化学信号调控细菌密度。生物膜调节细菌群体感应（quorum sensing，QS）即细菌细胞之间通过感受自诱导物来调控细菌群体行为的现象，是细菌调控生物膜形成的重要机制之一。通过信号分子调控基因表达，这种交流可使细菌表达不同的生理行为，包括病原微生物的毒性、对抗菌药物耐药的形成、生物膜的形成与生长等。生物膜的形成与微生物代谢、毒力因子表达等密切相关。群体感应现象与生物膜的形成相互依赖，生物膜提供菌体聚集场所，避免群体感应信号分子的扩散，聚集菌体的群体感应现象为生物膜的形成提供基础。群体感应系统不仅可直接介导细菌生物膜的形成，还可调节胞内第二信使分子水平。

完整的细菌生物膜通常分为：①调节膜，连接到组织或生物材料的表面；②含有密集微生物的基底膜；③表层膜，是最外层，游离的微生物在这里自由活动并扩散于表面（图1-1-3-2）。

（二）生物膜细菌的抗菌药物耐药机制

即使在接触抗菌药物的情况下，细菌生物膜仍然会生长，而且抗菌药物的使用基于标本细菌培养，阳性的细菌学结果来自浮游的、自由活动的细菌，但由于细菌生物膜的存在会导致假阴性的细菌培养结果，使得抗菌药物的应用失去指导。由于细胞外基质的阻挡作用，抗菌药物难以穿透生物膜全层，仅能通过杀灭游离细菌而减少生物膜表层细菌的代谢活性而减缓生物膜形成的进程，这是细菌生物膜抗菌药物耐药的外部因素。内部因素则包括生物膜内细菌与生物膜外的游离细菌表型不同降低了对抗菌药物的敏感性，这是由于生物膜内细菌启动基因转变改变了细菌外膜、分子靶点（研究显示会出现65～80个蛋白的改变），而表型的改变对细菌耐药起重要作用；同时，生物膜内细菌生长速度缓慢，而很多抗菌药物通常对生长活跃的细菌更敏感，这也增加了生物膜内细菌对抗菌药物耐药性；生物膜内的细菌可以感知外部环境，细菌之间相互传递耐药基因。由于以上原因，生物膜内细菌通常可以在抗菌药物浓度比杀死生物膜外同种游离细菌时高1 000～1 500倍的环境中存活。

（三）泌尿外科细菌生物膜感染

1.尿路导管与细菌生物膜

研究发现，在持续流动的、有细菌存在的人工尿液环境下，铜绿假单胞菌在特氟龙导尿管表面仅需要6h就形成了微菌落，24h就形成了结构完整的生物膜，基本上2d就可以在导尿管的内、外腔表面广泛分布。多数情况下，输尿管支架是在无菌环境下被置入的，但仍然不可避免地会出现细菌生物膜形成。在输尿管支架上形成生物膜的细菌种类包括革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌。因为细菌在生物膜中生长，所以只有30%的患者可以发现菌尿，有症状的临床感染发生率则更低。细菌生物膜会堵塞支架的内、外引流通道（图1-1-3-3），还会改变尿路导管的表面环境，使得尿液中的钙、镁离子沉积，如果合并产尿素酶的细菌（如变形杆菌属、摩根菌属等）感染，分解尿素产生CO₂和氨离子，使尿液pH升高，在碱性尿环境下与尿液中的钙、镁离子结合，产生感染性结石（图1-1-3-4），包括碳酸磷灰石和磷酸镁铵结石，引起尿路导管的管腔阻塞，结石的形成又为细菌的进一步繁殖提供保护，形成恶性循环。

人们在这一领域做了很多工作，包括在尿路导管上加抗菌药物涂层、镀银涂层等以期通过减少细菌黏附而减少细菌生物膜形成，但由于生物膜形成的第一步是宿主反应，即尿液中纤维蛋白成分形成调节膜，使得这些表面调节功能很快失效。口服抗菌药物对于减少长期置管患者的尿路感染发生几乎无效，而且会诱导细菌耐药。研究显示，掺在导管材质内的控释抗菌药物在置入导管后的1周内有减少无症状菌尿发生的作用，但超过1周则与对照组没有区别。对镀银涂层导尿管的研究得出了同样的结论，即可以减少1周内无症状菌尿的发生率，但尚缺乏长期置管患者研究。亲水涂层的设计源于生物膜形成的第二步，即细菌的黏附需要疏水性，亲水涂层的存在可以减少细菌黏附。临床研究发现，用于间歇清洁自家导尿的带亲水涂层导尿管与普通导尿管相比，使用1年内，患者尿路感染的发生率降低20%左右，但留置尿路导管6周患者的症状性尿路感染的发生率与对照组没有区别。肝素涂层设计也是针对细菌生物膜形成的第二步，即细菌黏附的电荷吸引力。细菌在尿液环境中带负电荷，而肝素本身也带有强烈的负电荷，可以产生对细菌的排斥力，从而减少细菌吸附。但已有的动物实验和临床研究结果显示细菌生物膜生长情况很不确定，临床疗效仍待进一步研究。磷酰胆碱（phosphorylcholine，PC）支架是近些年研发的输尿管支架工艺，因为PC存在于所有活体细胞的细胞膜中，人红细胞外膜脂质层约占人体总磷酰胆碱脂质的88%，PC高含量是保证血液组织相容性避免血液凝结的原因。而PC支架的原理是将亲脂单体和PC单体与其他共聚单体结合在一起作为输尿管支架的防护表层，从而提高组织相容性，减少纤维蛋白附着和细菌生物膜形成。研究显示，对比普通输尿管支架，留置3个月时，PC支架可以明显减少细菌生物膜形成（普通支架70%，PC支架为30%）。另外一项研究显示，PC支架对比普通支架，梗阻发生率为6.6%∶34%，支架移位发生率为4.4%∶8%，疼痛发生率为13.3%∶19%，UTI发生率为13.1%∶31%。这个结果令人振奋，但样本量小，尚需要大规模临床研究进一步证实其有效性。近年来，有一种低能表面声波（low-energy surface acoustic waves，SAW）被用于导管相关细菌生物膜的治疗，其原理是SAW直接传导至导管表面，可以抑制游离细菌黏附，达到干扰细菌生物膜形成的目的。已有研究显示，对于短期导尿和长达8周的导尿患者，低能SAW均能有效减少细菌生物膜的形成和菌尿的发生。

总体来说，泌尿外科生物材料使用增加说明大家已经认识到生物膜感染的重要性，但目前尿路导管的细菌生物膜感染仍然难以诊断、难以治疗，也缺乏理想的预防措施。未来目标在于发现新的方法诊断和量化生物膜感染、寻找有效的预防机制，以及寻找能有效清除生物膜内细菌的抗微生物制剂和理想的能抑制细菌黏附的表面调节剂。

2.慢性细菌性前列腺炎与细菌生物膜

有学者对20例既往有明确细菌学证据、应用抗菌药物效果不佳的慢性细菌性前列腺炎患者进行了前列腺穿刺活检或经尿道前列腺电切活检，在60%患者的前列腺组织中发现了和既往发作同样的细菌，这些细菌以生物膜形式牢固地附着在前列腺导管和腺泡壁上。近年来，越来越多的证据显示，细菌生物膜在前列腺慢性感染和炎症迁延不愈中起的重要作用。临床研究发现，慢性细菌性前列腺炎分离出的常见致病菌中，有94%的大肠埃希菌是产生物膜菌株（其中有63%是强产生物膜菌株），分别有75%和15%的革兰氏阴性菌株具有强的和中等的产生物膜能力，革兰氏阳性菌中常见的葡萄球菌分别有46%和36%具有强和中等产生物膜能力。产生物膜菌株感染的患者较非产生物膜细菌感染的前列腺炎患者具有更高的美国国立卫生研究院慢性前列腺炎症状评分（National Institute of Health Chronic Prostatitis Symptom Index，NIH-CPSI）。在接受标准的抗菌药物治疗后的随访中，虽然接近60%的患者细菌学转阴，但NIH-CPSI改善的患者不足10%。

前列腺炎患者的细菌生物膜形成黏附于导管系统的上皮细胞或存在于前列腺的钙化灶内，抗菌药物治疗容易清除游离细菌，但对生物膜内的细菌清除能力有限，细菌持续存在唤醒持续的免疫反应刺激和炎症浸润，导致症状迁延不愈或临床细菌检出困难，使抗菌药物的应用失去指导。目前对于这种状况，临床检测能力有限。而在治疗中，在初始标准疗程抗菌药物治疗失败后，有研究显示使用阿奇霉素和左氧氟沙星或环丙沙星联合用药进行又一个周期的治疗可以取得很好的效果，其中阿奇霉素不仅可以杀灭细菌，同时具有很好的对抗细菌生物膜的作用。

3.膀胱炎的细胞内细菌群落

大鼠膀胱灌注大肠埃希菌后制作成尿路感染动物模型。取膀胱黏膜标本通过扫描电镜及光学显微镜观察发现，大肠埃希菌感染后2h可见细菌正在穿入膀胱黏膜光滑的表层，6h后在光滑的膀胱上皮表面出现大量包裹在类生物膜结构内的细菌聚集体形成的结节状细菌包涵体结构。进一步研究显示，这些结节状结构并不是固定在宿主细胞的细胞膜上，而是游离在上皮细胞胞质内，表面包含形成正常膀胱上皮细胞光滑表面的膜本体蛋白质，内部包含大量细菌，但这些细菌改变了自身结构，FimH菌毛消失，细菌失去杆状结构而变成均匀一致的球形；球形细胞表面仍然有大量的纤维表达，细菌之间通过这些纤维与细菌包涵体内部的矩阵结构紧密连接在一起，形成稳固的网络样支撑结构。免疫组化染色发现，这些结节状细菌包涵体具有典型大肠埃希菌生物膜形成的重要刺激物——1型菌毛和抗原43的表达以及生物膜基础成分（多糖-蛋白复合物）的表达，证实了这是一个细胞内的生物膜结构。这是人类第一次在上皮细胞内发现生物膜结构，此生物膜结构存在的意义在于急性感染时使得细菌存在于一个稳定的环境中，以应对机体自身免疫机制，避免被吞噬细胞吞噬，并且对抗菌药物治疗产生抵制。有学者将此定义为细胞内细菌群落（IBCs）。IBCs只产生于表层膀胱上皮细胞，在感染12h后，宿主表层细胞脱落时，IBCs通过激发未知信号通路在形成后数小时内自行消散，内部的细菌变成纤细的丝状溢出，并设法避免被快速清除而侵入邻近细胞或底层细胞，引发感染并启动新的IBCs形成周期，建立更稳固的IBCs。IBCs表面包含形成正常膀胱上皮细胞表面的膜本体蛋白质，因此可以逃避宿主的免疫机制，以溶酶体结合性膜蛋白（lysosome-associated membrane protein-1，LAMP-1）阳性的细胞内囊泡形式存在，称为膀胱内大肠埃希菌的慢性静态细胞内存储池（quiescent intracellular reservoirs，QIRs），也因此使得膀胱成为继肠道、阴道后的第三大肠埃希菌QIRs，它的存在是宿主基因变异和致病菌生存策略之间共同作用的结果。

已有学者对急性非复杂性膀胱炎患者的清洁中段尿标本进行检测，结果14例（18%）检测到IBCs，33例（41%）检测到丝状细菌，对比于未检测到IBCs和丝状细菌的患者，这些患者的尿培养细菌计数更多，症状更重。IBCs的理论很好地解释了如此少量细菌进入膀胱就会引起严重感染症状的原因。急性非复杂性下尿路感染初次发作治愈后的复发是临床上困扰医师和患者的重要问题。既往观点认为，反复发作性下尿路感染每次急性发作时的细菌与初次发作一样来自肠道或阴道，不是膀胱内细菌没有清除，而是由于患者抵抗力低下等原因造成的新感染。IBCs理论的出现使得反复发作性下尿路感染的发病机制有了新的解释，即再次发作的细菌可能不是来源于肠道或阴道，而是来自膀胱上皮细胞内的QIRs。动物实验研究证实，对于形成IBCs的大鼠模型，膀胱黏膜底层的上皮细胞内的QIRs在移行到表层时会引起尿路感染复发。临床研究也证实，68%的反复发作尿路感染是由于第一次发作同源细菌感染所致，而且对于反复发作的尿路感染患者，虽然尿培养已经证实了尿液无菌，但仍有24%患者的膀胱活检组织细菌培养阳性，这些存在于膀胱组织中的细菌有可能成为膀胱炎反复发作的细菌来源。但由于此方面的临床研究较少，所以尚不能定论，但IBCs的存在为反复发作膀胱炎的病因研究以及预防和治疗指导提供了很好的思路。

（刘犇　乔庐东　编　郑波　审）