1906年，Bordet和Gengou从百日咳患者体内分离出百日咳鲍特菌(Bordetella pertussis，BP)，又称百日咳杆菌，并证明是其致病菌^[1]。BP通过呼吸道气溶胶传播后感染呼吸道上皮细胞，感染通常限于呼吸道。百日咳的局部及系统性病理改变(local and systemic disease pathogenesis)可能由其产生的毒力因子引起^[2,3]。BP可产生多种毒力因子，已明确的主要有百日咳毒素(pertussis toxin，PT)、腺苷环化酶毒素(adenylate cyclase to－xin，ACT)、百日咳杆菌黏附素(pertacin，PRN)、丝状血凝素(filamentous hemagglutinin，FHA)、凝集素(fimb－riae，FIM)和脂寡糖(lipooligosaccharide，LOS)等。尽管上述毒力因子的分子结构等信息已明确，但其如何导致"咳嗽"的发生尚不清楚。现就BP不同毒力因子及其致病机制的研究进展进行阐述。

PT是BP分泌的重要毒力因子及保护性抗原。PT是由1个催化亚基(S1)构成的亚基蛋白A和5个结合亚基(S2、S3、2个S4和S5)构成的亚基蛋白B共同组成的多亚基蛋白(AB5)。PT的酶活性主要存在于S1亚基，其通过对哺乳动物Gi家族三聚体蛋白α亚基C末端的半胱氨酸进行修饰，抑制G蛋白偶联信号通路，进而产生广泛的生物学效应^[4,5]。脱毒的PT是目前所有的无细胞百日咳疫苗(aP疫苗)均包含的一个重要成分。

自然循环中PT缺陷(PT－deficient，PT^－/－)的BP极其罕见，提示PT对百日咳致病的重要性。疫苗选择压力导致的PRN缺陷(PRN－deficient，PRN^－/－)的BP已广泛出现^[6]，而相同情况下的PT^－/－ BP极少出现。目前仅有2株PT^－/－ BP致病报道，2009年法国学者报道了在1例3月龄百日咳患儿身上分离到PT^－/－ BP，该患儿呼吸道症状轻、病程短，未出现淋巴细胞增多症^[7]。此外，另一株PT^－/－在2013年由美国学者在1例11月龄未接种过百白破疫苗的患儿身上分离^[8]。

之前有研究表明PT的免疫抑制作用在百日咳的致病中至关重要^[9]。在年轻的成年鼠感染模型中比较野生型(wide type，WT)和PT^－/－ BP发现，PT通过抑制宿主的免疫反应促进呼吸道感染。PT在感染早期可抑制固有免疫系统。动物实验可见WT BP感染24 h后的局部细菌定植数高于PT^－/－，感染前14 d给予纯化的PT可以增加呼吸道的BP定植，提示PT在百日咳感染早期具有促进或加强感染的作用^[10]。研究证实PT^－/－ BP更早将中性粒细胞招募到肺和呼吸道，推测PT的免疫抑制作用与下调巨噬细胞和上皮细胞来源的趋化因子[角质细胞起源趋化因子(KC)、巨噬细胞炎症蛋白(MIP－2)和脂多糖(LPS)诱导CXC趋化因子(LIX)]表达有关^[11]。PT还可抑制LPS注射诱导的肺脏内趋化因子表达，而LPS介导的Toll样受体(Toll like receptor，TLR)4信号是BP激活固有免疫系统的重要途径^[12]。此外，PT还可抑制适应性免疫的抗体生成。PT^－/－ BP免疫的小鼠血清可明显识别脂蛋白抗原，而WT BP却几乎不能诱导针对该抗原的抗体产生；补充纯化的PT抗原可显著下降PT^－/－ BP诱导的抗体产生水平^[9]。有研究证实WT BP诱导产生FHA及其他与FHA融合抗原的抗体水平低于PT^－/－ BP^[13]。PT对多种小分子抗原刺激机体产生抗体的作用也有明显抑制^[14]。

早期动物实验已表明PT是百日咳患儿淋巴细胞增多症的原因^[15]，PT^－/－ BP感染的百日咳患儿未出现淋巴细胞增多症也进一步印证了这一点^[7]。淋巴细胞增多症可致肺毛细血管堵塞，引起肺动脉高压，这在重症百日咳患儿中常见，与不良预后密切相关。但PT诱导淋巴细胞增多症的具体机制尚不明确。一项研究发现，BP感染后患儿淋巴结内归巢受体L－选择素表达缺失，使循环中的淋巴细胞无法归巢于淋巴结，只能持续保留在循环系统中，导致淋巴细胞增多^[16]。PT可通过循环系统作用于淋巴细胞，还有学者认为BP也可能扩散到局部释放PT，从而诱导淋巴细胞增多^[17]。但目前仅有在γ干扰素(IFNγ)－R^－/－鼠百日咳扩散致死的报道^[18]，尚未发现可能存在感染扩散的重症百日咳患儿病例^[17]。

ACT是细菌成孔毒素(repeats in toxin，RTX)家族的成员，感染哺乳动物的所有鲍特菌属均可以产生。ACT主要包括2个不同的功能分子：即C末端和N末端。包含RTX的C末端主要介导与靶细胞结合并在膜表面形成阳离子选择性孔道；N末端是一种钙依赖的腺苷酸环酶，将三磷酸腺苷(ATP)转化为环磷酸腺苷(cAMP) ^[19]。ACT可使多种细胞失活，但主要通过结合补体受体3(CR3)作用于固有免疫细胞。

ACT通过与细胞表面的CR3结合诱导凋亡、抑制吞噬及趋化作用而抑制固有免疫细胞的抗菌效应。研究证明WT BP较ACT^－/－ BP更容易抵抗中性粒细胞的吞噬^[20]，然而naive鼠中去除中性粒细胞并不能增强ACT^－/－及PT^－/－ BP的感染，提示ACT对中性粒细胞的抑制作用发生在调理抗体存在的情况下^[21]。ACT被钙调蛋白活化后催化形成超过生理水平的cAMP，抑制巨噬细胞的抗菌功能及细胞因子白细胞介素(IL)－12p70和肿瘤坏死因子(TNF)－α的分泌，并促进IL－10的分泌。与FHA诱导产生的IL－10共同诱导抗原特异性的调节性T淋巴细胞(Treg)产生，Treg的生成将抑制宿主的免疫反应而延缓对细菌的清除^[22]。ACT还可通过抑制T淋巴细胞抗原受体(T cell receptor，TCR)及趋化因子受体信号抑制T淋巴细胞的活化与趋化^[23]。在人体细胞实验中，低浓度的ACT可以活化TCR信号并引起Th2细胞极化^[24]。阵列研究提示，ACT可以上调小鼠巨噬细胞内炎症相关基因的表达，下调增殖相关的基因表达^[25]。上述体外实验多提示ACT的免疫抑制作用，但研究结果并不完全一致，需要更多的验证和深入研究。

PRN是经典的外膜自动转运蛋白家族成员，由细胞表面的承载结构域与转运单位形成α和β－螺旋^[26]。PRN含有Arg－Gly－Asp(RGD)元件，在BP与中性粒细胞和上皮细胞的黏附中发挥重要作用。

PRN在BP黏附或侵袭哺乳动物非纤毛上皮细胞中是否发挥作用还有待商榷。兔呼吸道移植组织的体外实验中，PRN促进BP黏附于纤毛上皮细胞^[27]。PRN^－/－ BP仍能在小鼠的呼吸道定植和繁殖，提示PRN并非是BP感染所必须的。近10年里自然循环中也发现了PRN^－/－ BP，且目前已成为几个国家的主要流行株^[28]。将WT与PRN^－/－ BP混合感染小鼠，在aP疫苗免疫的小鼠中PRN^－/－ BP显著淘汰WT BP，有意思的是在未免疫鼠中结果相反，提示PRN作为毒力因子，在百日咳初次感染时，仍然具有致病作用^[29]。但与动物实验不同，PRN^－/－与WT BP感染的百日咳患儿的临床严重程度并无明显差异^[30]。

FHA是一个大的杆状蛋白质，经典的双伴侣分泌系统成员。FHA具有多个促进细菌黏附的结构域，如RGD、糖识别域和肝素结合域^[31]。

体外实验表明FHA是BP黏附真核细胞所需的必要和充分的因子。然而，体内实验提示FHA仅是促进细菌黏附于呼吸道移植组织的因子之一，仍需要其他黏附因子。FHA介导的上皮细胞黏附作用与细胞间黏附分子(ICAM)1表达增加相关，在ACT、含胆固醇脂质筏存在的情况下，FHA介导的黏附作用加强^[22]。

FHA也是呼吸道炎性反应的抑制剂。Dirix等^[32]发现全长FHA刺激人单核细胞来源树突状细胞(dendritic cells，DC)，诱导抑制性细胞因子IL－10的产生；FHA N末端的相对分子质量为80 000的片段却不能诱导IL－10产生。另一课题组发现FHA可激活TLR2，且FHA激活TLR2的区域刚好位于C末端，推测FHA激活TLR2诱导IL－10产生^[33]。IL－10诱导Treg产生，抑制Th1反应，机体清除BP受阻。除了上述通路，还有研究报道提示FHA可通过与核因子(NF)－κB通路相互作用而抑制免疫反应。

鲍特菌属具有菌毛，能产生的1型菌毛蛋白。FimB、FimC和FimD蛋白由位于fhaB和fhaC基因之间的fimBCD操纵子编码，编码fim2和fim3这2个重要菌毛单位的基因位于染色体的其他位置，且可发生相变(phase variation)^[34]。

尽管证据有限，但FIM也被认为是黏附分子。Guevara等^[35]在研究BP黏附人支气管上皮细胞时发现，主要菌毛蛋白Fim2和Fim3及小黏附亚基FimD突变会显著减少细菌对上皮细胞的黏附。动物实验证实FIM^－/－ BP较WT株诱导更强的炎性反应，提示FIM同样抑制早期炎性反应而促进百日咳持续感染^[36]。

鲍特菌属可产生不同形式的LPS，由于缺少O抗原，产生的LPS也称为LOS ^[19]。关于LOS作用机制研究还很少。通过突变LPS的实验表明，该毒力因子在BP定植和存活中发挥重要作用。TLR4敲除鼠的实验表明LPS信号对于激活抗BP保护性的固有免疫十分重要^[37]。

尽管既往对BP毒力因子的分子信息和各毒力因子在黏附、免疫反应过程中的作用机制进行了研究，但距离阐明BP感染和致病机制还有差距。百日咳时发生特征性咳嗽的原因和机制至今并不明确，不清楚哪些毒力因子导致咳嗽相关的病理学改变。理解这一问题的最大障碍是缺乏能准确模拟人类百日咳感染的动物模型。绝大多数常用的实验动物感染BP后并不咳嗽，它们也不是BP的自然宿主。在动物实验中，因为野生型、基因敲除、转基因小鼠及相关特异性试剂的可获得性，使小鼠成为常见的百日咳研究动物模型。大量BP被直接给予到小鼠肺部建立百日咳感染模型，但1周即被清除^[19]。

近年来，狒狒百日咳模型的建立是百日咳研究领域最令人兴奋的研究进展。给予刚断奶狒狒鼻咽部BP感染，狒狒出现低热、阵发性咳嗽、淋巴细胞增多症等临床表现，也产生抗PT抗体，并可获得保护性免疫，与人类百日咳表现相似^[38]。狒狒百日咳模型将会大大促进百日咳传染性及病原菌毒力因子免疫调节机制及效应等研究，提高对百日咳致病机制认识水平，促进百日咳的防控工作。