1、腸道外感染大腸埃希菌在腸道內多數不致病，若移位至腸道外的組織或器官則可引起腸外感染。腸道外感染以泌尿道感染和化膿性感染最為常見，如尿道炎、膀胱炎、腎盂腎炎，亦可引起腹膜炎、闌尾炎、手術創口感染，嬰兒、老人或免疫力低下者的大腸埃希菌敗血症，新生兒大腸埃希菌性腦膜炎。大腸埃希菌常來源於病人腸道，為內源性感染。
（1）敗血症：大腸埃希菌是引起敗血症的最常見的革蘭陰性菌（占45%）。大腸埃希菌敗血症常由大腸埃希菌性尿道和胃腸道感染引起，如腸穿孔導致的伴有敗血症的腹腔內感染。大腸埃希菌敗血症的死亡率很高，尤其對免疫功能低下者或原發感染為腹腔或中樞神經係統的患者。
（2）新生兒腦膜炎：大腸埃希菌和B群鏈球菌是嬰兒中樞神經係統感染的主要致病菌，約75%大腸埃希菌新生兒腦膜炎分離株具有KI莢膜抗原，這一血清型在懷孕婦女和新生兒胃腸道中也普遍存在，其易於引起新生兒感染的原因尚不清楚。
（3）泌尿道感染：引起泌尿道感染的大腸埃希菌多來源於結腸，汙染尿道，上行至膀胱，甚至到腎髒和前列腺。女性尿道較短而寬，不能有效防止細菌上行，故女性泌尿道感染比男性多，性交、懷孕亦為危險因素。在男性前列腺肥大是最常見的誘因。此外，因尿道阻塞、尿道結石、先天畸形、神經功能紊亂等引起的尿瀦留在兩性均易發生尿道感染。插管和膀胱鏡也有可能帶進細菌，是造成感染的危險。引起泌尿道感染大腸埃希菌由某些特殊的血清型引起，最為常見的特殊血清型統稱為尿路致病性大腸埃希菌，常見的有O1、O2、O4、O6、O7、O16、O18、O75等。這些血清型能產生特別的毒力物質，如P菌毛、AAF/I、AAF/II和Dr菌毛等黏附素和溶血素：HlyA，後者能溶解紅細胞和其他一些類型細胞，導致細胞因子的釋放和炎症反應。
2、腸道感染——— 胃腸炎某些血清型可引起人類腹瀉，又稱胃腸炎，與食入汙染的食品和飲水有關，為外源性感染。根據其致病機製不同，可將致病性大腸埃希菌分為五種類型：
（1）腸產毒素型大腸埃希菌（ETEC）：ETEC是5歲以下嬰幼兒和旅遊者腹瀉的重要病原菌。致病物質主要是定植因子和腸毒素，前者使細菌黏附到小腸上皮細胞上，細菌繁殖並產生腸毒素，腸毒素導致腹瀉。臨床症狀可從輕度腹瀉至嚴重的霍亂樣腹瀉。
ETEC的腸毒素分不耐熱和耐熱兩型，均由質粒編碼。不耐熱腸毒素（LT）可分為LT-I和LT-II兩型，LT-II與人類疾病無關，LT-I是引起人類腹瀉的致病物質，在結構和功能上與霍亂弧菌產生的腸毒素密切相關，對熱不穩定，65℃30min可被破壞。LT-I由1個A亞單位和5個B亞單位組成。A亞單位是毒素的活性部位。B亞單位與腸黏膜上皮細胞表麵的GM1神經節苷脂結合後，使A亞單位穿入細胞膜活化腺苷環化酶，使胞內ATP轉變為CAMP。胞質內CAMP水平增高後，導致腸黏膜細胞內水、氯和碳酸氫鉀等過度分泌至腸腔，同時鈉的再吸收減少，導致可持續幾天的腹瀉。毒素還可刺激前列腺素的釋放和炎症因子的產生，進一步導致水分的喪失。LT與霍亂腸毒素兩者間的氨基酸組成同源性達75%左右；它們的抗原性高度交叉；兩者 B亞單位的腸黏膜結合受體都是同一個GMI神經節苷脂。LT-I可刺激機體產生相應中和抗體，有保護作用。
ETEC的耐熱腸毒素（ST）可分STa和STb兩型，STb與人類疾病無關，STa為低分子量多肽，對熱穩定，100℃加熱20min仍具有活性。免疫原性弱。STa的作用機製與LT-I不同，其引起腹瀉是通過激活腸黏膜細胞上的鳥苷環化酶，使胞內cGMP增多而導致腹瀉。很多STa陽性菌株同時產生LT，具有更強的致病性。
編碼LT-I和STa的基因存在於一個轉移性質粒上，該質粒也同時攜帶編碼黏附素的基因。黏附素是ETEC致病的另一重要因素。
（1）腸侵襲型大腸埃希菌（ETEC）：ETEC在表型和致病性方麵與誌賀菌密切相關。主要侵犯較大兒童和成人。所致疾病與菌痢類似，臨床表現有發熱、腹痛、腹瀉、膿血便及裏急後重等症狀。ETEC不產生腸毒素，能侵襲結腸黏膜上皮細胞並在其中生長繁殖。細菌黏附到結腸上皮細胞上，引起細胞內吞，進入細胞漿中增殖，最後殺死感染細胞，再擴散到鄰近正常細胞，導致組織破壞和炎症發生。ETEC侵襲結腸黏膜上皮細胞的能力與大質粒上攜帶的一係列侵襲性基因有關。該大質粒與誌賀菌攜帶侵襲性基因的大質粒高度同源。腸侵襲型大腸埃希菌無動力，其生化反應和抗原結構近似誌賀菌，易被誤診為誌賀菌。
（2）腸致病型大腸埃希菌（EPEC）：是最早發現的引起腹瀉的大腸埃希菌，是嬰幼兒腹瀉的主要病原菌，嚴重者可致死。在醫院中常引起暴發流行。該菌較大兒童和成人感染少見。ETEC不產生腸毒素及其他外毒素，無侵襲力。病菌在十二指腸、空腸和回腸上段黏膜表麵大量繁殖，黏附於微絨毛，導致刷狀緣被破壞、微絨毛萎縮、上皮細胞排列紊亂和功能受損，嚴重幹擾對腸道中液體等的吸收，造成水樣腹瀉，常為自限性，但可轉變成慢性。
ETEC黏附和破壞腸黏膜結構的過程是Bfp首先介導細菌與細胞的疏鬆黏附；隨後細菌的III型分泌係統主動分泌某些蛋白質進入宿主上皮細胞，其中有一種蛋白，稱之為轉位緊密素受體，就被插入到上皮細胞膜中，作為細菌的一種外膜蛋白黏附素，即緊密黏附素的受體，介導細菌與細胞的緊密結合。細胞內肌動蛋白重排，導致微絨毛的破壞。嚴重幹擾對腸道中液體等的吸收功能而致腹瀉。
（3）腸出血型大腸埃希菌（EHEC）：亦稱為Vero毒素大腸埃希菌（VTEC），為出血性結腸炎和溶血性尿毒綜合征（HUS）的病原體。1982年首先在美國發現，其血清型為O157：H7。以後在世界各地有散發或地方小流行。1996年EHEC在日本大阪地區發生流行，患者逾萬，死亡11人。5歲以下兒童易感染，感染菌量可低於100個。症狀輕重不一，可為輕度水瀉至伴劇烈腹痛的血便。約10% 10歲以下患兒可並發有急性腎衰竭、血小板減少、溶血性貧血的HUS，死亡率達3%—5%左右。汙染食品是重要的傳染源，如未煮透的牛排和其他肉類製品、水、未經巴氏消毒過的牛奶、果汁、生蔬菜和水果。牛可能是O157：H7的主要儲存宿主。
EHEC菌株表達誌賀毒素，即Stx-I和/或Stx-II，引起上皮細胞微絨毛的破壞。EHEC菌株還具有攜帶多種其他毒性因子的60Mda的質粒。Stx-I與痢疾誌賀菌產生的誌賀毒素基本相 同。Stx-II則有60%的同源 。兩型毒素均由溶原性噬菌體介導。 Stx由1個A亞單位和5個 B亞單位組成。B亞單位與宿主細胞特異糖脂受體結合。腸絨毛和腎上皮細胞有高濃度的糖脂受體。A亞單位內在活化後裂解成2個分子，A亞單位可裂解60S核糖體亞單位的28SrRNA阻止與氨酰tRNA的結合，終止蛋白質合成。腸絨毛結構的破壞引起吸收減低和液體分泌的相對增加。HUS在產生Stx-II的EHEC中較多，因Stx-II能選擇性地破壞腎小球內皮細胞，這種破壞引起腎小球濾過減少和急性腎功能衰竭。Stx還能刺激炎症細胞因子的表達，除其他效應外，還可加強糖脂受體的表達。
EHEC已分離到50個血清型，引起人類疾病的主要是O157：H7血清型。但不同國家的流行株可以不相同。
（3）腸集聚型大腸埃希菌（EAEC）：引起嬰兒持續性腹瀉，脫水，偶有血便。不侵襲細胞。可產生毒素和黏附素。毒素為腸集聚耐熱毒素（EAST），抗原上與ETEC的ST有關。EAEC的特點是能在細胞表麵自動聚集，形成磚狀排列。感染導致微絨毛變短，單核細胞浸潤和出血。介導這種排列的是質粒編碼的Bfp和AAF/I和AAF/II。EAEC還能刺激黏液的分泌，促使細菌形成生物膜覆蓋在小腸的上皮上，產生毒素。
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