大腸桿菌

2-1-1. 型態與背景介紹

大腸桿菌 (Escherichia coli) 在生物分類中屬於變形菌門 (Proteobacteria)，γ-變形菌綱 (Gammaproteobacteria)，腸桿菌目 (Enterobacteriales)，腸內菌科

(Enterobacteriaceae)，埃希氏菌屬 (Escherichia)。為革蘭氏陰性菌 (Gram- negative) 兼性厭氧桿菌 (facultataive anaerobic bacillus)，菌體大小約長 2-3 μm，寬 0.4-0.6 μm、

不產生芽孢，部分菌株會形成莢膜 (capsules) 或微莢膜 (microcapsules)，具有線 毛 (pili) 及周鞭毛 (peritrichous flagella)，具有運動性，觸媒反應呈陽性

(catalase-positive)、氧化酶試驗為陰性 (oxidase-negative)，於 10-45℃均可以生長，

37℃為最適生長溫度 [1]。

大腸桿菌是由 Theodor Escherich 所發現，1884 年該學者研究腸道細菌對胃腸 道生理和病理的影響，且經由 Robert Koch 的學生 Wilhelm Frobenius 向 Theodor Escherich 介紹了細菌純培養和特性分析技術，使他致力於細菌學，並研究出一種 評估嬰兒糞便的新方法，在隔年 1885 年他公開演講論述在新生嬰兒的腸道所分離 出大腸桿菌的型態與特性，並命名為 Bacterium coli commune [17]，直至 1945 年才 正式正名為 Escherichia coli [18]。

大部分的大腸桿菌為正常的腸道菌叢且無致病性，只有少數某些大腸桿菌會 引起下痢腹瀉等具有致病性，一般而言對宿主無害，且能合成人體所需及有益的 維生素 B12和 K2 [19, 20]。

2-1-2. 大腸桿菌型態與生化特性

大腸桿菌可以利用乳糖、葡萄糖等多數醣類，可以產酸及產氣。可以藉由培 養基或試管試驗檢測其生化特性，大腸桿菌生長在馬康基氏培養基 (MacConkey agar) 上可以清楚看見菌落呈粉紅色。在伊紅甲烯藍培養基 (Eosin methylene blue agar, EMB agar) 上可以看見菌落呈現帶有墨綠色金屬光澤。在呈色培養基 (CHROM^{T M} agar ECC) 上可以觀察菌落呈現藍色。將大腸桿菌接種於三糖鐵培養 基 (Triple sugar iron agar, TSI agar) 時，底部 (butt) 和斜部 (slant) 均為黃色酸性 反應，且會產生氣體。也可以利用 IMViC test 進行鑑定結果如下：I：引垛 (indole) test 為會產生 indole，呈陽性反應，且不產生硫化氫。M：甲基紅 (methyl red) test 結果呈陽性。Vi：伏普 (Voges Proskauer) test 結果呈陰性。C：檸檬酸鹽利用 (citrate utilization) test 結果呈陰性，無法利用檸檬酸當做碳源 [1]。

2-1-3. 大腸桿菌的血清型與毒素

大腸桿菌可以依據 modified Kauffman scheme 將其抗原性分為三類：在細 胞壁上脂多醣 (LPS) 上的體抗原 (somatic antigen, O)、鞭毛上的鞭毛抗原 (flagella antigen, H) 、莢膜上的莢膜抗原(capsular antigen, K)，目前已知的大腸桿 菌抗原至少有 170 種 O 抗原、50 種 H 抗原、100 種 K 抗原。血清型是由 O 抗原和 H 抗原特定組合所定義，某些血清型的大腸桿菌可能會引起相關之臨床症狀，但 原因並非是血清抗原所造成的毒性，例如 1983 年所發現的大腸桿菌 O157:H7 有三 種主要的致病毒力因子：志賀毒素 (Shiga toxins)、存在於細菌染色體上的 LEE 致 病基因群 (locus of enterocyte effacement pathogenicity island, LEE PAI) 以及質體 pO157 [21, 22]。

病原性大腸桿菌依據致病方式、臨床症狀、血清型別等特性，可以分為六種 亞群：

1. 腸毒性大腸桿菌(Enterotoxigenic E. coli, ETEC)

ETEC 會分泌兩種致病毒素，其分別為對熱不穩定腸毒素 (heat-labile enterotoxins, LT enterotoxins)，包含 LT-I 和 LT-II，和對熱穩定腸毒素 (heat-stable enterotoxins, ST enterotoxins)，包含 STa 和 STb。熱不穩定腸毒素與霍亂毒素有 80%的序列相似性，且兩者的作用位置也相同。會造成嚴重的腹瀉、腹痛、嘔 心以及脫水，成人和小孩均有可能會受到感染 [23]。

2. 附著性大腸桿菌 (enteroadherent E.coli, EAEC)

腸凝集性大腸桿菌 (Enteroaggregative E. coli, EAggEC) 為 EACE 的一種，

不分泌 LT 或是 ST，且不具有侵入性，但有吸附因子 (aggregative adherence fimbriae, AAF) 可附著於 HEp-2 細胞表面，產生凝集吸附現象 (aggregative adherence pattern)。EAEC 會附著在腸細胞之細胞膜上，損壞腸細胞並導致鄰近 微絨毛細胞喪失營養吸收之功能而引起腹瀉 [24]。

3. 腸侵入性大腸桿菌 (Enteroinvasive E. coli, EIEC)

EIEC 的致病機制為 EIEC 染色體和質體所攜帶的基因賦予細菌侵入結腸的 上皮細胞的能力。細菌進入結腸上皮細胞後，會在結腸上皮細胞內複製且擴散 到鄰近的細胞，引起發炎反應導致細胞被破壞，使糞便含血液、黏液和白血球，

此情況與腸出血性大腸桿菌不同，出血性大腸桿菌糞便也會帶血，但無白血球 [25]。

4. 腸致病性大腸桿菌 (Enteropathogenic E. coli, EPEC)

EPEC 具有附著因子 EPEC adherence factor (EAF)、bundle- forming pilus (BFP) 以及 intimate adherence (如 eae gene)。EPEC 會造成急性的腹瀉、發燒、

糞便帶有黏液等症狀，也是造成發展中國家嬰兒以及兒童腹瀉的主要原因，

EPEC 主要定植於近端小腸，黏附於上皮細胞形成菌落，這種黏附模式被稱為 局部黏附 (localized adherence, LA)，無論是在人類或是動物受到感染時，在腸 道切片上可以看到黏附的細菌對腸道微絨毛細胞外型造成改變、細胞骨架受到 破壞，或又稱為 attaching and effacing (AE) lesions [26]。

5. 腸出血性大腸桿菌 (Enterohemorrhagic E. coli, EHEC)

又稱為佛羅細胞毒素大腸桿菌 (Verocytotoxin-producing E. coli, VTEC) 或是志賀毒素大腸桿菌 (Shiga toxin-producing E. coli, STEC)。EHEC 被認為黏 附在大腸以及遠端小腸段，其有最主要三個重要致病因子:Shiga-like toxin (Stx)、

attaching and effacing 基因 (eae gene)，及含有溶血基因的質體 60-MDa pO157 (hemolysin plasmid)，產生志賀毒素 Shiga-toxin 1 (Stx1) 和 Shiga-toxin 2 (Stx2) 作用於內皮細胞上，可導致溶血性尿毒症候群 (hemolytic uremic syndrome, HUS) 和出血性結腸炎 (hemorrhagic colitis, HC) 等臨床症狀 [27, 28]。

6. 擴黏性大腸桿菌(diffusely adherent E . coli, DAEC)

DAEC 與 EAggEC 不同的地方在於 HEp-2 細胞試驗中會產生廣泛性的吸附 特質，DAEC 表面具有線毛黏附因子 (fimbrial adhesion) F1845，利用

decay-accelerating factor (DAF, 是ㄧ種 cell-surface

glycosylphosphatidylinositol-anchored protein 用來保護細菌的細胞不被補體系統 破壞)，DAEC 菌株誘導細胞病變，其特徵在於腸細胞如指狀突起，將其纏繞黏 附於細菌，通常是造成 1 歲以上幼兒的腹瀉感染 [29]。