【第二十二讲】不死的芽孢

华山大众传染病学50讲-第二十二讲

“追寻生命本质，探索前进之路”，欢迎来到“华山大众传染病学50讲”，让我们每周学习一个传染病案例，通过一年的时间轻松掌握常见的传染病知识。大量的牲畜死亡对于牧民和兽医来说是沉重的打击，往往意味着经济损失。而传染病医生更加担心的是接触动物的人也出现疾病，这种跨物种传播的疾病医学上有个专用名词——人畜共患病。我们还是从一个案例开始讲起。

北达科他州，2000年

2000年5月，美国北达科他州农场发现四头牛死亡。 2000年7月6日至9月24日，共有31个农场死亡157头动物，有62人涉及动物护理，疫苗接种，标本处理或动物尸体处理。

2000年8月19日，一名67岁的北达科他州东部居民，参与处理了已经死亡的五头牛。在处理当天，他将绳子拴在死亡动物尸体的头部和蹄周围，并将其拖移到埋葬地点。他报告说在整个运输和处理过程中都戴着皮手套。

8月23日，他注意到他的脸颊上有一个小小的磕碰。 8月25日，病变逐渐扩大，他因此去就医。他否认发烧，不适，头痛，瘙痒或吞咽困难。检查发现，病变大约是一个25美分硬币的大小，外周有一圈紫色环。患者没有发烧或其他表现。医生报告了一个坚硬的，皮下结节，上面有0.5厘米的黑色焦痂（结痂）。没有发现液体窦道，也没有获得伤口和血培养物。患者接受抗生素治疗。

脸颊上的黑色焦痂

在8月28日的随访检查中，焦痂扩大至1厘米。在这次就诊时，医生在感染区域的焦痂进行的采样和涂片检测。

病原体的荚膜染色

相差显微镜照片

这是什么病？是什么病原体造成的？

这是一起通过动物传染给人的皮肤炭疽，是炭疽芽孢杆菌感染皮肤造成的。

首先，引起炭疽的炭疽芽孢杆菌是人类历史上第一个明确识别的细菌病原体。

其次，一旦感染了炭疽，不及时处理会有非常高的死亡率。根据《中华人民共和国传染病防治法》，炭疽属于乙类传染病，但“肺炭疽采取甲类传染病的预防、控制措施” 。

再次，炭疽是一种人畜共患病，往往是牲畜发病，继而人群发病，并且人畜都会死亡。

最后，炭疽在历史上已经数次被作为生物武器或生物恐怖真实运用，最有名的案例当属911恐怖袭击后的白色粉末邮件事件。

德国医生兼科学家罗伯特科赫于1875年在Wolsztyn（现为波兰的一部分）首次发现了导致炭疽病的细菌。这是人类历史上第一次利用所谓的科赫原则来证明一种细菌病原体是导致疾病的病因。

1876年，德国微生物学家费迪南德·尤利乌斯·科恩接待了一位自称有重大科学发现的乡间医生——罗伯特·科赫（Robert Koch），科赫向他清楚地展示：炭疽杆菌是炭疽病的病因，炭疽病菌的生活史是从杆菌-芽孢-杆菌的循环，芽孢可以放置较长时间而不死。

血液涂片中的炭疽杆菌

经科恩的推荐和介绍，科赫的发现引起德国科学界的轰动。科赫也受邀到柏林继续开展微生物学研究。在柏林，科赫开发出细菌染色剂，优化了他的细菌摄影技术，发明了固体培养基，并且分离培养得到了结核杆菌。

科赫在他的实验室中工作

1884年，科赫提出了微生物致病理论的核心原则：第一，这种微生物必须能够在患病动物组织内找到，而未患病的动物体内则找不到；第二，从患病动物体内分离的这种微生物能够在体外被纯化和培养；第三，经培养的微生物被转移至健康动物后，动物将表现出感染的征象；第四，受感染的健康动物体内又能分离出这种微生物。这四条环环相扣的原则一直到今天依然是证明病原微生物致病性的不二法则。

他在19世纪后期的一系列开创性的实验中，他发现了炭疽的生命周期和传播途径。他的实验不仅有助于对炭疽病有所了解，而且还有助于阐明微生物在自发生成与细胞理论之间争论的同时引发疾病的作用。科赫继续研究其他疾病的机制，并因发现导致结核病的细菌而获得1905年诺贝尔生理学或医学奖。

炭疽芽孢杆菌是一种细菌病原体，形态较大的，需氧的，无动力的革兰阳性杆菌，可形成抗吞噬荚膜。芽孢杆菌属的成员能够形成能够在恶劣条件下长期存活的芽孢。致病的炭疽杆菌需要聚D-谷氨酸荚膜和三种蛋白质成分（水肿因子[EF]，致死因子[LF]和保护性抗原[PA]），它们可以与两种蛋白质外毒素结合。 

病原体的主要感染对象是食草动物。它也可以在土壤中繁殖。人类通过接触受感染的动物或其产品而意外感染。 

炭疽芽孢杆菌有可能通过四种途径侵入人体：消化道摄入，皮肤接触，呼吸道吸入和静脉注射。无论何种途径进入体内，感染都可能导致播散性疾病。如果不及早治疗，吸入性炭疽几乎都会造成播散。 

胃肠道炭疽摄入受污染和未煮熟的肉类。摄入后，炭疽杆菌被转运到肠系膜淋巴结。随后，可能发生出血性肠系膜腺炎，腹水和败血症。 

皮下进入时，炭疽芽孢杆菌芽孢成为营养生物并开始繁殖。随后产生抗吞噬荚膜促进局部扩散，并且外毒素产生产生明显的水肿和组织坏死。具有广泛周围水肿的焦痂是皮肤炭疽的标志。

皮肤炭疽的典型表现，黑色坏死周围的外周水肿

吸入造成感染时，主要依靠大小在1到5微米之间的芽孢沉积在肺泡管或肺泡中。较大的芽孢分组通常被粘膜纤维树过滤或捕获，并可导致鼻腔，咽喉和喉部的感染。肺中的芽孢被肺泡巨噬细胞吞噬并转运到纵隔淋巴结，在那里它们繁殖并引起出血性纵隔炎。纵隔感染成熟后，菌血症是一种近乎普遍的并发症。 

肺炭疽的典型表现，纵膈增宽

虽然人类炭疽病是一种罕见疾病，但确实发生在非洲，亚洲中部和南部地区最常见。它在南欧也比非洲大陆的其他地方更经常发生，在北欧和北美并不常见。

在全球范围内，每年至少发生2000例病例。皮肤感染占95％以上。如果不治疗，皮肤炭疽死亡的风险是24％。对于肠道感染，死亡的风险为25％至75％，而呼吸道炭疽的死亡率为50％至80％，即使进行治疗也是如此。

炭疽芽孢杆菌可以在炭疽感染的动物尸体所在的土壤中从土壤中分离出来，并且当条件有利时，它可能在土壤中繁殖。

芽孢可以在土壤中存留数十年。流行性炭疽（即动物暴发）会持续在动物炭疽疫苗的使用程度不是最理想的发展中国家的高度流行地区发生。炭疽杆菌在南美洲和中美洲的农业区，亚洲中部和西南部以及南欧和东欧呈地方性的发病。

动物中炭疽病主要是食草动物的疾病。人类通过接触受感染的动物或其产品而意外感染。

原本休眠的芽孢进入动物体内后被激活并开始复制

在20世纪50年代和60年代，美国超过80％的病例与进口山羊毛制成的产品有关。在20世纪和21世纪，工业卫生的改善，进口，受污染的动物材料的使用减少以及高危工人的免疫接种导致吸入炭疽的发生率降低。

在2001年生物恐怖袭击事件发生之前，美国炭疽病的最后一起致命病例发生在1976年，当时一名织布工人在使用从巴基斯坦进口的纱线后死于吸入性炭疽。

在中国，流行性炭疽疫情依然会有发生，2018年内蒙古通辽、黑龙江桦南县种畜场相继发现疑似牛炭疽和羊炭疽疫情，共有数十头牛羊发病或死亡，十余人疑似感染而入院治疗。

炭疽杆菌是需氧芽孢杆菌属中重要的致病菌，在具备氧、水等营养环境下易形成芽孢。芽孢广泛存在于土壤中，长期处于休眠状态，对外界环境具有很强抵抗力，能保存几十年甚至上百年。然而，当生长条件适宜时，就会活跃起来，产生毒素。

深藏于土壤中的炭疽芽孢杆菌使得草食性动物成为最易感动物。牛羊把草连根拔起时带出芽孢，从而接触或吸入土壤中的炭疽杆菌。被感染致死的动物尸体在几十年后还都有传染性。

虽然与动物皮毛的处理相关的炭疽风险很低，但这种情况仍偶尔发生。例如，美国康涅狄格州的一名男子在加工受污染的非洲山羊皮以制作传统的鼓后，于2007年发生了皮肤炭疽。尽管与皮革没有直接接触，他8岁的孩子也患上了皮肤炭疽。

一项调查显示，家庭房屋中的多个区域被炭疽芽孢杆菌广泛污染，尽管所有的制鼓活动都局限于后院。 2009年，美国新罕布什尔州的一名24岁女性在短暂演奏受污染的动物皮鼓后出现了胃肠道炭疽。环境取样显示鼓和环境受到污染。

2001年911袭击事件发生一周后，2001年9月18日开始的几周内发生了2001年炭疽袭击事件，也称为美国联邦调查局案件名称中的Amerithrax。信件被邮寄到几个新闻媒体办公室和民主党参议员汤姆达施勒和帕特里克莱希，杀死了5人并感染了其他17人。据联邦调查局称，随后的调查成为“执法史上规模最大，最复杂的调查之一”。

调查初期的一个主要焦点是生物武器专家Steven Hatfill，他最终被无罪释放。另一名嫌疑人是布鲁斯伊文斯，他于2005年4月4日左右成为调查焦点。

伊文斯是一名科学家，曾在马里兰州弗雷德里克的德特里克堡政府生物防御实验室工作。 2007年4月11日，伊文斯受到定期监视，FBI文件称布鲁斯伊文斯是2001年炭疽病发作中极为敏感的嫌疑人。2008年7月29日，伊文斯因服用过量对乙酰氨基酚而自杀。由于该研究人员在审理此案之前自杀，该案件从未提交法院审查。 

对DNA的可变数目串联重复区段的分析表明用于这些攻击的是Ames菌株。该菌株已被美国军方广泛用于生物防御研究，并最低限度地分发给非军事实验室。通过刑事调查消除了民间实验室的来源。

比较邮寄的芽孢中发现的全基因组单核苷酸多态性（SNP）与来自实验室样本的SNP，美国疾病控制和预防中心（CDC）和联邦调查局（FBI）暗示伊文斯与播散有关。 

2011年，由美国国家科学院组织的一个专家小组评估了炭疽芽孢的遗传分析，发现FBI提出的科学证据不足以证明伊文斯是罪魁祸首。联邦调查局的回应指出，审查小组声称单靠科学不可能得出明确的结论，并说综合因素导致联邦调查局得出结论认为伊文斯是犯罪者。

这些生物恐怖主义案件的调查发现了两个意想之外的结果。首先，在通过高速邮件分拣机行进时，密封信封中发生炭疽芽孢的空气传播。其次，在空气传播的芽孢沉积到表面上很久之后依然可能发生芽孢的再雾化进而导致感染。

参议院办公大楼关闭后二十五天，在美国参议员办公室进行了一项研究，该参议员收到了由其工作人员打开的信封。穿着无菌防护服的人最初在办公室套房周围放置了取样装置，然后离开了该区域。之后他们返回污染区域并模拟办公室活动，例如步行，分拣邮件和移动垃圾桶。在模拟活动期间，空气传播的芽孢浓度增加了65倍，证明了炭疽芽孢的再雾化是可能的。

2000年，挪威海洛因使用者报告了播散性炭疽病例。时隔数年，然后在2009年12月至2010年12月期间，苏格兰暴发炭疽病，蔓延至英格兰和德国，影响了119名海洛因使用者;确诊病例47例，可能病例35例，可能病例37例，死亡14例。 2012年至2013年，丹麦，法国，德国和英国共有70例死亡，26例死亡，并且病例继续偶尔发生。 

60株分离株的全基因组测序显示，多个菌株形成两个密切相关的群体。一组与2009年至2010年的暴发有关，另一组与2012年至2013年暴发有关。有趣的是，来自挪威的原始分离物属于第二组。分子流行病学使得确定炭疽芽孢杆菌分离株的地理起源成为可能，并且这两个分支似乎起源于中东，可能是土耳其，尽管来自该地区的更多分离物的测序，包括来自阿富汗的海洛因的可能来源，将更精确地定位源是必要的。

2002年3月，美国德克萨斯州一名未接种疫苗的实验室工作人员在处理琼脂平板培养物和含炭疽杆菌的炭疽环境样品后，出现了皮肤炭疽的临床表现，作为2001年生物恐怖袭击事件调查的一部分。 

2014年，美国一家生物安全3级实验室与病原性炭疽病菌合作，将未完全杀死的炭疽芽孢杆菌样本送到没有配备活炭疽杆菌的实验室。虽然没有工人受到感染且风险很低，但这一事件引发了重大调查，并对美国生物遏制单位网络的安全实践表示了极大关注。虽然炭疽芽孢杆菌在实验室中不是一种高度传染性的生物，但其潜在的严重性使得认真遵循生物安全建议变得非常重要。

多种抗生素大剂量治疗都是有效的。

应立即开始对疑似患有全身性炭疽的患者进行治疗，措施包括静脉注射抗菌联合治疗，抗毒素，胸腔积液引流，支持治疗和辅助糖皮质激素的考虑。

在选择抗菌方案时，必须考虑毒素的产生，抗微生物药物耐药性的可能性，脑膜炎的发生概率以及潜在芽孢的存在。 

• 高风险职业的人应该接种炭疽疫苗以产生免疫力。

• 动物也可以接种疫苗。

• 应隔离感染的动物。

• 应将死亡的动物尸体焚烧处理。

• 对于需要暴露后预防的个人建议使用单一药物进行口服抗菌药物预防。

在19世纪，炭疽在法国和其他地方构成了重大的经济挑战。马，牛和羊特别易感，国家资金被用于研究和开发疫苗。法国科学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）在发展保护重要葡萄酒和丝绸行业的方法方面取得了成功后，开始负责生产疫苗。

1881年5月，巴斯德与他的助手Jean-Joseph Henri Toussaint，ÉmileRoux和其他人合作，在Pouilly-le-Fort进行了一次公开实验，以展示他的疫苗接种概念。他准备了两组25只绵羊，一只山羊和几只牛。一组动物注射巴斯德制备的炭疽疫苗两次，间隔15天；对照组未接种疫苗。第一次注射后30天，两组均注射活炭疽细菌培养物。未接种疫苗组的所有动物均死亡，而接种组中的所有动物均存活。

图像记载巴斯德在为绵羊接种炭疽疫苗

巴斯德在当地、法国国内乃至国际媒体上广泛报道了这一成功的研究后，努力将疫苗出口到法国以外。他利用自己的名望在欧洲和亚洲建立了巴斯德研究所，他的侄子阿德里安·卢瓦尔于1888年前往澳大利亚，试图在新南威尔士州引进疫苗来对抗炭疽病。最终，这种疫苗在澳大利亚农村的没有获得成功，而很快就被当地研究人员John Gunn和John McGarvie Smith开发的更强大的版本所取代。

基因重组的人用炭疽疫苗

炭疽的人用疫苗于1954年上市。这是一种无细胞疫苗，而不是用于兽医目的的活细胞巴斯德式疫苗。一种改进的无细胞疫苗于1970年上市。

最后总结一下，炭疽是一种感染炭疽芽孢杆菌造成的同时危害动物和人类的人畜共患的烈性传染病。由于其细菌芽孢可以耐受各种极端环境，因此可以在体外存活上百年的时间。一旦环境适合芽孢又可以激活分裂，危害人畜。

正因为此，炭疽很难从自然环境中消除，预防炭疽有赖于疫苗、暴露后预防和对于病死牲畜的焚烧。由于病情进展快，病死率高，一旦怀疑感染炭疽需要及时治疗，多种抗生素对于炭疽芽孢杆菌有效，必要时需要联合抗毒素或免疫球蛋白进行治疗。

芽孢杆菌科的细菌你还知道哪些吗？这些细菌又会导致哪些疾病呢？请你在留言区留言，和大家一起过过招吧。

编写 王新宇

编辑 王新宇

校对 王新宇  

图片来自网络

近期精彩内容回顾，猛戳链接：

【第二十一讲】无处不在的生物膜

【第二十讲】HPV疫苗背后的中国人

【第十九讲】衣原体之父

【第十八讲】首届诺贝尔医学奖为何颁给了他