nature子刊 (IF=18.1)|高疫苗覆盖下百日咳仍暴发？新兴耐药MT28谱系致病机制揭晓

MT28百日咳菌株高毒力机制解析

本研究发现，国内流行的 ptxP3 大环内酯耐药 MT28 百日咳杆菌具有更强定植、侵袭和促炎能力，其高毒力与棕榈酸释放增加及 TLR4/NF-κB 炎症通路激活密切相关。

 

核心要点

• 2024年4月至2025年4月，研究纳入13911例疑似呼吸道感染患者，百日咳杆菌核酸总阳性率为12.63%。
• 临床分离的16株百日咳杆菌均为 MT28，提示该谱系已成为重要流行菌株。
• MT28 同时具备 ptxP3 高毒力背景与大环内酯耐药特征，较既往流行株表现出更强致病潜能。
• 体内外实验显示，MT28 在生物膜形成、细胞侵袭、呼吸道定植和促炎反应方面均更突出。
• 机制研究表明，MT28 释放的棕榈酸可通过 TLR4/NF-κB 通路放大宿主炎症反应。

 

 

研究背景：百日咳为何在高疫苗覆盖下反弹？

百日咳由百日咳杆菌（Bordetella pertussis）引起，具有较强传染性，婴幼儿感染后发生重症和死亡的风险更高。虽然全球百日咳疫苗覆盖率已超过80%，我国近十年无细胞百日咳疫苗覆盖率接近99%，但百日咳病例仍在国内外持续反弹。

病原菌遗传变异被认为是百日咳复燃的重要因素之一。携带高毒力 ptxP3 等位基因的菌株具有更强的定植和产毒能力，并逐步替代旧有 ptxP1 谱系。2020年后，兼具 ptxP3 高毒力背景与大环内酯耐药特征的 ptxP3 MR-MT28 菌株逐渐成为优势流行株。

 

研究目的

现有研究主要描述了 MT28 的流行病学分布和耐药特征，但其在高疫苗覆盖人群中广泛传播、并诱发强炎症反应的分子机制仍不明确。本研究整合临床流行病学调查、多组学分析和体内外功能实验，系统比较 MT28 与既往流行株的致病差异，并解析其脂质代谢重塑及棕榈酸介导的 TLR4/NF-κB 促炎机制。

 

研究方法

• 临床流行病学：纳入2024年4月至2025年4月疑似呼吸道感染患者，检测百日咳杆菌核酸阳性率及病例特征。
• 菌株分型：对临床分离菌株进行分型、系统发育分析及抗生素药敏试验。
• 体外实验：比较不同谱系菌株的生长动力学、生物膜形成、细胞侵袭和巨噬细胞促炎能力。
• 动物模型：构建小鼠鼻腔感染模型，评估呼吸道定植、咳嗽表现和肺部炎症。
• 机制研究：结合转录组、脂质组、LC-MS定量和TLR4通路抑制/敲除实验，解析 MT28 高促炎表型来源。

 

结果一：MT28成为重要流行菌株

研究共纳入13911例伴咳嗽、疑似呼吸道感染患者，累计确诊百日咳1757例，核酸总阳性率为12.63%。病例以6-18岁青少年为主，占全部确诊患者60%；成人病例占15.08%，全年持续检出。

临床分离的16株百日咳杆菌均为 MT28。系统发育分析显示，MT28 由 ptxP3 谱系演化而来，并携带与 MT195 相同的 23S rRNA A2047G 大环内酯耐药突变。药敏结果显示，MT28 和 MT195 对大环内酯类抗生素耐药，而 MT27 对受试抗生素均敏感。

 

 

图1. 患者入组流程图与菌株流行病学分析

 

结果二：MT28体外致病表型更强

体外实验显示，MT28 与既往流行株相比具有更强的生物膜形成能力、A549细胞侵袭能力和巨噬细胞促炎能力。RAW264.7 和 THP-1 巨噬细胞感染模型进一步显示，MT28 可诱导更高水平的 IL-1β 蛋白释放，并上调相关炎症基因表达。

 

 

图2. 三种百日咳杆菌谱系的体外特性

 

结果三：小鼠模型证实MT28定植和促炎优势

在小鼠鼻腔感染模型中，MT28 感染组表现出更强的呼吸道组织定植能力。感染后4天，MT28 在鼻腔、气管和肺组织中的细菌负荷量均显著高于另外两类菌株。MT28 感染小鼠咳嗽发生率更高、持续时间更长，并伴随更强的肺部炎症反应和中性粒细胞浸润。

 

 

图3. 三种百日咳杆菌菌株的小鼠鼻腔感染模型

 

机制一：MT28脂肪酸代谢重塑

转录组分析显示，MT28 与 MT27 的基因表达谱存在显著差异。MT28 中 BvgAS 毒力调控通路关键基因及多个致病相关基因上调，同时差异基因显著富集于脂肪酸合成和降解代谢通路。进一步分析提示，MT28 的游离脂肪酸合成与分泌能力可能增强。

 

 

图4. ptxP3型 MT28 和 MT27 菌株的转录组测序

 

机制二：棕榈酸是关键促炎脂质

脂质组学结果显示，MT28 的脂质代谢谱与另外两株菌株显著分离，多种游离脂肪酸在 MT28 上清中表达上调。其中，棕榈酸丰度最高、差异最突出，是区分三类菌株表型的关键脂质标志物。

功能实验显示，棕榈酸单独刺激即可诱导 RAW264.7 和 THP-1 巨噬细胞释放促炎因子，并可放大百日咳杆菌感染诱导的炎症应答。清除体系内游离脂肪酸后，棕榈酸诱发的脂质蓄积和炎症激活效应显著减弱。

 

 

图5. 百日咳杆菌菌株中棕榈酸的脂质谱分析及其促炎效应

 

机制三：棕榈酸通过TLR4/NF-κB通路促炎

Western blot 结果显示，棕榈酸刺激或 MT28 感染均可激活巨噬细胞 TLR4 信号，并上调 MyD88、IRAK4 及 p-p65 等下游信号蛋白。采用 TLR4 特异性抑制剂 TAK-242 后，促炎因子分泌和相关基因转录明显下降。

在体内实验中，MT28 感染野生型和 tlr4^−/− 小鼠后，二者呼吸道细菌负荷无显著差异，但 tlr4^−/− 小鼠肺部炎症、组织损伤及中性粒细胞浸润明显减轻。该结果说明，TLR4 通路主要参与放大炎症反应，而不直接决定细菌定植水平。

 

 

图6. 棕榈酸通过 TLR4/NF-κB 信号通路发挥促炎作用

 

 

图7. 图形摘要

 

研究结论

本研究系统解析了国内流行优势 ptxP3 大环内酯耐药 MT28 百日咳杆菌的高致病机制。与 MT27、MT195 相比，MT28 具有更强的生物膜形成、细胞侵袭、呼吸道定植和促炎能力。多组学和功能实验进一步证明，MT28 的脂肪酸合成通路被激活，棕榈酸分泌增加，并通过 TLR4/NF-κB 通路放大宿主炎症反应。

该研究为解释 MT28 菌株流行和百日咳病例反弹提供了新的分子机制证据，也为后续百日咳防控、毒力监测及潜在干预靶点研究提供了参考。

 

常见问题

1. MT28菌株为什么值得关注？

MT28 同时具备 ptxP3 高毒力背景和大环内酯耐药特征，且已成为重要流行菌株，可能影响百日咳传播、治疗和防控策略。

 

2. 本研究发现的关键机制是什么？

研究发现 MT28 可释放更多棕榈酸，棕榈酸进一步激活宿主 TLR4/NF-κB 通路，从而放大炎症反应。

 

3. TLR4通路是否影响细菌定植？

小鼠实验显示，TLR4 缺失并未显著改变细菌负荷，但可明显减轻肺部炎症和组织损伤，说明其主要影响宿主炎症反应。

 

4. 这项研究有什么应用价值？

该研究有助于理解百日咳优势流行菌株的高致病机制，并为毒力监测、疫苗策略评估和炎症干预靶点研究提供依据。