微生物與免疫學｜細菌學總論與細菌毒素

(1) 原核細胞的基本特徵

細菌（bacteria）是原核生物：沒有核膜包覆的細胞核，遺傳物質是一條環狀染色體，位於核區（nucleoid）；沒有粒線體、內質網等膜狀胞器；核糖體為 70S（由 30S 與 50S 次單元組成），與人類的 80S 不同，這正是許多抗生素能選擇性作用的原因。細菌以二分裂法繁殖，依外形分為球菌、桿菌與螺旋菌。

(2) 細胞壁：革蘭氏陽性菌與陰性菌

細胞壁（cell wall）的主要骨架是胜肽聚醣（peptidoglycan），由醣鏈與短胜肽交互連結成網，能抵抗細胞內的高滲透壓，避免細菌脹破。β-內醯胺類抗生素與溶菌酶（lysozyme）都以它為標的。

陰性菌由內而外是「細胞膜→周質空間與薄胜肽聚醣→外膜」，常稱具有內膜與外膜；陽性菌只有一層細胞膜。

(3) 革蘭氏染色與抗酸性染色

1. 初染：結晶紫（crystal violet）使所有細菌染成紫色。
2. 媒染：碘液與結晶紫形成較大的複合物。
3. 脫色：酒精或丙酮處理。陽性菌的厚胜肽聚醣脫水收縮，把複合物留在細胞內；陰性菌外膜脂質被溶出、胜肽聚醣又薄，紫色被洗掉。
4. 複染：番紅（safranin）使已脫色的陰性菌呈紅色。

抗酸性染色（acid-fast stain，如 Ziehl-Neelsen 法）用石炭酸品紅加熱染色、再以酸性酒精脫色、亞甲藍複染。分枝桿菌屬細胞壁含大量分枝菌酸（mycolic acid），染上後不易被酸性酒精脫色，因此呈紅色，稱抗酸菌。黴漿菌沒有細胞壁，革蘭氏染色無法分類，作用於細胞壁的抗生素對它也無效。

(4) 細胞壁以外的構造

• 莢膜：莢膜（capsule）位於細胞壁外，多數由多醣組成（炭疽桿菌例外，為多胜肽）。功能是抵抗吞噬作用（phagocytosis），阻擋補體與抗體的調理作用，是重要毒力因子；肺炎鏈球菌的莢膜多醣就是疫苗成分。
• 鞭毛：鞭毛（flagellum）由鞭毛蛋白構成，負責運動，是 H 抗原的來源。
• 線毛：線毛（pilus）短而多，負責附著於宿主黏膜（例如大腸桿菌附著尿道上皮）；性線毛則在接合作用中連接兩個細菌。
• 芽孢：芽孢（spore）是部分革蘭氏陽性桿菌在營養缺乏時形成的休眠構造，含水量低，並含吡啶二羧酸鈣（calcium dipicolinate），能耐熱、耐乾燥與化學藥劑；它不是繁殖方式，一個細菌只形成一個芽孢。
• 質體：質體（plasmid）是染色體外可自行複製的小型環狀 DNA，常帶有抗藥性或毒素基因，不是細菌存活所必需。

(1) 生長曲線

把細菌接種到新鮮的液態培養基後，族群數量依時間呈現四個時期：

抗生素多半要細菌「正在生長」才殺得掉，所以處於對數期的細菌不會因此產生天然抗性；反而是幾乎不分裂的休眠細菌較不易被殺死。

(2) 氧氣需求與解毒酵素

氧氣代謝會產生有毒的活性氧。超氧岐化酶（superoxide dismutase, SOD）把超氧陰離子轉為過氧化氫，再由觸酶（catalase）分解成水與氧。能否在有氧環境存活，關鍵就在這兩種酵素。

其他常用來鑑別的酵素各有用途：觸酶試驗區分葡萄球菌（陽性）與鏈球菌（陰性）；凝固酶（coagulase）區分金黃色葡萄球菌與其他葡萄球菌；氧化酶（oxidase）用於辨識綠膿桿菌、奈瑟氏菌屬。它們都不是決定能否耐氧的酵素。多數人類致病菌屬中溫菌，最適生長溫度接近體溫 37℃。

(3) 檢體採集與培養結果判讀

• 先採檢再給藥：檢體應在使用抗生素之前採集。已在服用抗生素的病人，細菌被抑制，培養結果可能呈陰性（偽陰性），這是複檢轉陰最常見的解釋。
• 尿液檢體：以清潔中段尿為原則，盡快送檢；若無法立即處理應冷藏。放在室溫過久或採集時被污染，細菌會繼續繁殖，造成菌數偏高（偽陽性），而不是轉為陰性。
• 無菌原則：使用無菌容器，避免正常菌叢污染，血液培養要做皮膚消毒並採多套。

細菌的遺傳變異來自兩種途徑：自身 DNA 的突變，以及從其他細菌取得基因的「水平基因轉移」。後者讓抗藥性與毒素基因能在不同菌株甚至不同菌種間快速擴散。水平基因轉移的經典方式有三種。

分泌作用（secretion）是細菌把蛋白質送出細胞外的過程，例如分泌外毒素，並不傳遞遺傳物質，不屬於基因轉移。

(1) 轉化作用的經典實驗

Griffith 以肺炎鏈球菌做實驗：有莢膜的光滑型（S 型）菌會致死小鼠，無莢膜的粗糙型（R 型）不會；把加熱殺死的 S 型菌與活的 R 型菌一起注射，小鼠死亡，並能分離出活的 S 型菌，代表 R 型菌被「轉化」而獲得製造莢膜的能力。後續 Avery 等人證實，造成轉化的物質是DNA（核酸），而不是蛋白質、細胞壁或脂質，這也是 DNA 為遺傳物質的早期證據。

(2) 導入作用與溶源性轉換

噬菌體可分為兩類行為：溶菌週期會破壞細菌；溶源週期則讓噬菌體 DNA 整合到細菌染色體中長期潛伏。噬菌體帶來的基因若讓細菌獲得新性狀，稱為溶源性轉換（lysogenic conversion）。許多重要外毒素的基因就是由噬菌體提供，例如白喉毒素、霍亂毒素、紅斑毒素及部分型別（C、D 型）的肉毒桿菌毒素；以白喉桿菌為例，只有帶噬菌體的菌株才產毒。

(3) 可移動的遺傳元素

轉位子（transposon）能在染色體與質體之間「跳動」，常攜帶抗藥性基因；它跳上質體後，再經接合作用傳給其他細菌，使多重抗藥性迅速累積。

(1) 兩類毒素總比較

(2) 內毒素的生物活性

脂多醣由外向內分為 O 抗原多醣、核心多醣與脂質 A。細菌裂解後，脂質 A 經 LPS 結合蛋白與 CD14 交給巨噬細胞表面的類鐸受體 4（Toll-like receptor 4, TLR4），啟動先天性免疫：

• 細胞激素：誘發 IL-1、TNF-α、IL-6 大量釋放，作用於下視丘造成發燒。
• 活化補體：主要經替代路徑，產生 C3a、C5a，招來嗜中性球、促進發炎，而不是抑制發炎。
• 凝血系統：活化凝血因子，嚴重時造成瀰漫性血管內凝血（DIC）。
• 血管：血管擴張、通透性增加，導致低血壓與敗血性休克，也可引起急性呼吸窘迫症候群（ARDS）。

即使細菌已被抗生素殺死，殘留的內毒素仍會引起發燒甚至休克。

(3) 外毒素的分類與 A-B 毒素

許多外毒素屬於 A-B 毒素：B 次單元（binding）負責結合宿主細胞受體並協助進入，A 次單元（active）具酵素活性造成傷害。常見的 A 次單元作用是ADP-核糖化（ADP-ribosylation），即把 NAD⁺ 上的 ADP-核糖接到宿主蛋白質上，使其功能改變。外毒素也常依作用部位分為神經毒素、腸毒素與細胞毒素。

(4) 破壞細胞膜的毒素與超抗原

• 膜破壞毒素：在細胞膜上形成孔洞或分解膜磷脂，使細胞溶解，例如金黃色葡萄球菌的 α 毒素、化膿性鏈球菌的溶血素 O、產氣梭孢桿菌的卵磷脂酶（α 毒素）。
• 超抗原：超抗原（superantigen）不經抗原處理，直接在抗原結合溝之外把 MHC 第二類分子與 T 細胞受體的 Vβ 區架接，使大量 T 細胞非專一性活化，釋出大量細胞激素，引起高燒、低血壓與多重器官衰竭。代表為金黃色葡萄球菌的毒性休克症候群毒素-1（TSST-1）與腸毒素、化膿性鏈球菌的致熱外毒素（即紅斑毒素，與猩紅熱有關）。

(5) 對照：沙林毒氣不是細菌毒素

沙林（sarin）是人工合成的有機磷神經毒劑，作用為不可逆抑制乙醯膽鹼酯酶，使乙醯膽鹼在突觸堆積，副交感神經（蕈毒鹼作用）過度興奮：瞳孔縮小、流淚、唾液與支氣管分泌增加、頻尿、腹瀉、心跳變慢；菸鹼作用則造成肌肉顫動後無力。與肉毒桿菌毒素比較最容易理解：肉毒桿菌毒素「減少」乙醯膽鹼釋放，表現為口乾、瞳孔放大、肌肉無力；沙林則使乙醯膽鹼「過多」。解毒藥物的細節屬於藥理學。

(1) 正常菌叢

正常菌叢（normal flora）是長期定居於健康人體表面與腔道的微生物，平時不致病，並能佔據附著位置與養分、產生抑菌物質，阻止外來病原菌定殖；腸道菌也能合成維生素 K。

正常菌叢移位到無菌部位或宿主免疫力下降時，可成為伺機性病原，例如大腸桿菌進入泌尿道。廣效抗生素破壞腸道菌叢後，可能讓困難梭狀芽孢桿菌過度生長而造成偽膜性結腸炎，或使念珠菌增生。

(2) 科霍假說

科霍（Robert Koch）提出判斷某微生物為某疾病病原的四個條件：

1. 每一個病例都能找到該微生物，健康者則沒有。
2. 能從病人體內分離出該微生物，並得到純培養。
3. 把純培養接種到健康易感動物，可以引起相同疾病。
4. 能從實驗動物體內再分離出同一微生物。

科霍假說有其限制：無法在人工培養基生長的病原（如梅毒螺旋體、癩病分枝桿菌）、有無症狀帶原者的感染、需多種微生物共同作用的疾病，都難以完全符合；現代改以偵測病原核酸或毒力基因的「分子科霍假說」輔助判斷。至於非感染性疾病，例如以神經退化為主的帕金森氏症，本來就不是由單一病原引起，科霍假說並不適用；麻疹、傷寒、蜂窩性組織炎等感染症，借助細胞培養與分子檢測仍可依此原則確認病原。

(3) 院內感染與手部衛生

院內感染的病原在病人之間傳播，最主要的途徑是醫護人員雙手的接觸傳播，因此落實手部衛生是預防交叉感染最重要、也最有效的措施。世界衛生組織提出洗手五時機：接觸病人前、執行清潔或無菌技術前、暴露病人體液風險後、接觸病人後、接觸病人周遭環境後。酒精性乾洗手對多數細菌與有套膜病毒有效，但殺不死芽孢；照護困難梭狀芽孢桿菌感染者時，應以肥皂和清水洗手。

(1) 名詞定義與抵抗力排序

• 滅菌：滅菌（sterilization）是殺死或去除所有微生物，包括細菌芽孢。
• 消毒：消毒（disinfection）是殺死無生命物體上的大部分病原體，不一定能殺死芽孢；依能力分為高、中、低程度。
• 抗菌：用於皮膚、黏膜等活組織的抗菌處理（antisepsis），藥劑必須對組織刺激性低。

微生物對殺菌處理的抵抗力，由強到弱大致為：傳染性蛋白質（prion）＞細菌芽孢＞分枝桿菌＞無套膜的小型病毒＞黴菌＞一般細菌繁殖體＞有套膜病毒。

醫療器材依感染風險選擇處理等級：進入無菌組織或血管的器材（手術器械、植入物）須滅菌；接觸黏膜的器材（內視鏡）至少須高程度消毒；只接觸完整皮膚的物品（血壓計壓脈帶）低程度消毒即可。

(2) 物理方法

(3) 化學方法

(4) 怕熱器材的選擇

含塑膠、橡膠或光學元件的器材不耐高溫高壓，不能用高壓蒸氣滅菌；酒精與四級銨化合物只是消毒，殺不死芽孢，也不能用於須滅菌的手術器材。這類器材應選擇低溫滅菌：過氧化氫蒸氣或電漿（快速、無毒性殘留，但不適用於紙類、棉布與液體），或環氧乙烷（相容性廣，但需通氣）。

(1) 抗生素作用在細菌的那些地方

各類藥物的劑量與副作用屬於藥理學「抗微生物藥物」單元，這裡只從細菌構造的角度整理作用標的。

(2) 四大抗藥性機轉

• 酵素破壞藥物：最典型的是β-內醯胺酶（β-lactamase）水解 β-內醯胺環，這是細菌對 penicillin 產生抗藥性最主要的機轉；臨床上常合併 clavulanic acid、sulbactam 等 β-內醯胺酶抑制劑。胺基醣苷類也可被修飾酵素失活。
• 改變藥物標的：MRSA 取得 mecA 基因，表現對 β-內醯胺類親和力很低的 PBP2a，使 methicillin 無法結合；肺炎鏈球菌對 penicillin 的抗藥性也來自 PBPs 改變。另外如 DNA 旋轉酶突變對抗奎諾酮類、核糖體甲基化對抗 macrolides。
• 降低通透性：陰性菌減少外膜孔蛋白，使藥物進不去。
• 主動排出：細胞膜上的外排幫浦把藥物打出細胞，tetracycline 抗藥性常見此機轉。

此外還有「改走替代途徑」，例如細菌大量製造 PABA 或改變葉酸合成酵素來對抗 sulfonamides；這是磺胺藥的抗藥性，與 penicillin 無關。抗藥性基因可來自突變，也可經質體、轉位子在細菌間水平轉移（見第 3 章）。

(3) 降低抗藥性的策略

• 監測公告：定期監測並公告流行病原的種類與抗生素敏感性，讓醫師依據當地資料選藥。
• 合理用藥：依培養與藥敏結果選擇窄效藥物，使用足夠劑量與療程；避免以低劑量抗生素作為一般預防，也避免醫院長期固定使用同一種抗生素。
• 減少農牧用藥：不以抗生素作為飼料添加物促進家畜生長，以免篩選出抗藥菌。
• 感染管制：手部衛生、接觸隔離，阻止抗藥菌在病人之間傳播。