百日咳是一种具有高度传染性的呼吸道疾病，尽管疫苗的广泛接种使得百日咳发病大幅度降低，但是近30年来出现了"百日咳再现"，局部地区出现了百日咳暴发。未接种或未完成全程免疫接种的婴儿百日咳感染较重。由于小婴儿症状不典型易出现漏诊、误诊，不能及时诊治，易发展为重症百日咳，甚至死亡。因此，现就近年来重症百日咳的相关研究作一综述，为重症百日咳的临床诊治、预防和基础研究提供参考。
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百日咳是由百日咳鲍特菌引起的一种以阵发性、痉挛性咳嗽以及咳嗽终末时伴鸡鸣样吸气性吼声等为特点的呼吸系统传染性疾病。尽管疫苗的广泛接种使得百日咳的发病率及病死率大幅度下降，但是近年来一些国家地区出现了百日咳发病率明显上升的现象，即"百日咳再现"[1]。婴幼儿仍是百日咳的易感人群，尤其是未免疫的小婴儿。2016年，美国报道<6月龄的百日咳发病率为70.9/10万，明显高于其他年龄组，欧洲报道<1岁龄的百日咳发病率为73.6/10万人[2]。由于小婴儿症状不典型，易误诊、漏诊，从而导致发生重症百日咳甚至死亡，多数死亡病例<4月龄。美国2012年至2018年，每年有6~20例百日咳死亡[2]。我国疾病预防控制中心(Centers for Disease Control，CDC)报告，2012年至2019年共11例百日咳死亡病例[3]。由于临床医师对于百日咳的认识不一致以及相关实验室检查普及程度有限，百日咳的上报病例与死亡病例可能被低估，因此需要继续提高临床医师对于百日咳的认识并普及相关实验室检测[4]。
综合近年国内外研究，符合百日咳诊断标准并有以下情况可定义为重症百日咳：(1)早期Berger等[4]将0~18岁，入住重症监护室(ICU)≥24 h或引起死亡的百日咳定义为重症百日咳。(2)近年将有以下表现之一者定义为重症百日咳：反复出现呼吸暂停、低氧血症或呼吸衰竭、百日咳脑病、肺动脉高压、低血压或心源性休克或其他器官衰竭[5]。小月龄百日咳患儿可有难治性低氧血症、心源性休克、肺动脉高压、癫痫发作和多脏器功能衰竭等严重并发症，甚至死亡[6]。尽管对百日咳杆菌毒力因子的作用方式进行多年研究，但对于婴幼儿重症百日咳发病机制的认识仍然存在局限性。近年来，狒狒模型的研究有助于提高对百日咳发病机制的认识，实施的相关临床试验有助于新疫苗研发，达到有效预防百日咳发生的目的[7]。现就近年来相关研究进行综述，拟为重症百日咳的研究提供一定借鉴。
百日咳杆菌在侵入人体后可释放多种毒素，其中最重要的是PT。PT是一种多亚基蛋白毒素，其中具有二磷酸腺苷-核糖转移酶活性的S1亚基单位可以通过修饰哺乳动物中Gi/0类G蛋白来抑制G蛋白的活化，已知这类G蛋白具有心脏保护作用。在动物实验中，心肌细胞凋亡、心肌缺血和心力衰竭均与G蛋白活性丧失有关，PT也可以通过改变迷走神经对实验动物的心率控制产生影响[8]。相应的临床观察中，百日咳小婴儿可出现心率加快、心肺功能衰竭、心源性休克，甚至死亡[9,10]。因此Winter等[11]推测PT可能作为G蛋白抑制物直接抑制心肺功能，导致患儿呼吸循环衰竭甚至死亡。
PT最重要的生化反应是促外周循环白细胞计数增高，尤其是婴儿的淋巴细胞数，高白细胞计数与病情进展快以及死亡风险增加密切相关[12]。研究发现，10例百日咳死亡患儿表现为胸腺皮质耗尽，淋巴结淋巴细胞严重耗尽，脾脏白髓耗尽，这表明PT可通过促进淋巴细胞直接进入血液循环，造成白细胞增多症[13]。高白细胞血症常提示病情加重及预后不良，但不同研究对于白细胞增高的定义存在明显差异(表1)。
白细胞增高与发生重症百日咳、死亡的研究
Study of leukocytosis and the occurrence of severe pertussis and death
白细胞增高与发生重症百日咳、死亡的研究
Study of leukocytosis and the occurrence of severe pertussis and death
| 地区 | 样本量(例) | 白细胞计数(×109/L) | 意义 | 文献/时间 |
|---|---|---|---|---|
| 英国 | 13 | >100.00 | 百日咳患儿死亡的独立危险因素 | [14]/2000年 |
| 美国 | 127 | >50.00 | 百日咳患儿死亡的独立危险因素(OR＝9.8，95%CI：2.8~34.3) | [4]/2013年 |
| 新加坡 | 197 | >50.00 | 是入住ICU的危险因素(OR＝1.07，95%CI：1.01~1.14) | [9]/2017年 |
| 中国 | 72 | 36.58 | 对重症百日咳死亡预测的灵敏度、特异度分别为0.700及0.712 | [15]/2020年 |
| 中国 | 59 | >30.00 | 百日咳患儿死亡的独立危险因素(OR＝63.71，95%CI：3.57~1 135.67) | [10]/2020年 |
注：ICU：重症监护室 ICU：intensive care unit
相关研究指出，百日咳患儿的肺动脉高压也是重症百日咳和死亡发生的危险因素[10,11]。研究报道65%(34/64例)死亡病例均有肺动脉高压，存活百日咳婴儿中仅1%(2/183例)有肺动脉高压[11]。肺动脉高压形成可有以下3种解释：(1)高白细胞水平。合并有肺动脉高压的百日咳死亡患儿的肺部可见广泛组织坏死，小肺动脉、静脉和淋巴管中有大量白细胞聚集[16]。另外，高白细胞水平可能引起血管血流减少导致肺动脉压升高。(2)小婴儿肺部血管肌肉成分突出以及对缺氧的高反应性。Palvo等[17]在80%(4/5例)的肺动脉高压患者肺部尸检中观察到患儿肺小动脉中层增厚。由于小婴儿反复痉咳造成肺部血管缺氧性痉挛，导致肺部血管压力升高，加上肺部的严重炎症等复合效应加剧低氧血症，进一步导致急性呼吸窘迫、心力衰竭甚至休克的发生。这些情况反过来会加重先前存在的缺氧性血管痉挛，造成顽固性肺动脉高压的恶性循环[16]。(3)PT可抑制心脏和肺中G蛋白耦联受体-血管紧张素Ⅱ受体(angiotensin Ⅱ receptor，AT2受体)发挥作用。AT2受体在胎儿组织中高度表达来抑制血管平滑肌的过度增殖[18]。在动物实验中，观察到感染表达PT菌株的小鼠有肺动脉高压的特征，而感染了PT缺乏株的小鼠没有肺动脉高压[6]。因此研究者认为，PT可阻断该受体信号而促进动脉增厚以及血管收缩，从而造成肺动脉高压[6,18]。综上，肺动脉高压是多因素作用的结果，具体病理生理机制仍待进一步研究。
百日咳脑病虽不常见，但仍有发生，对于未接种疫苗的患儿在病程2~4周时出现意识丧失、双眼凝视、四肢强直、痉挛等临床表现应警惕脑病的发生[19]。脑病发生多与血脑屏障的完整性破坏有关。体外研究表明，PT可以渗透人脑微血管细胞并促进巨噬细胞和单核细胞跨人脑微血管内皮层迁移，一过性破坏血脑屏障的完整性并在24 h后恢复[20]。但在临床上，重症百日咳患儿预后可能有神经系统发育不良的风险。一项对111例<1岁龄的重症百日咳患儿预后随访研究指出，37%的患儿在Mullen早期学习量表测定中存在评分异常，10%的患儿早期学习综合得分低于健康人至少2分以上[21]。因此，早期识别并干预百日咳对患儿预后有一定的积极影响。
研究报道百日咳患儿常合并其他病原感染，常见的有呼吸道合胞病毒、鼻病毒或腺病毒等，合并感染的患儿病情进展快，甚至死亡。这与PT可破坏呼吸道纤毛运动，降低呼吸道自净能力以及巨噬细胞的吞噬功能有关[15]。但是，一项纳入53例<6月龄的百日咳患儿回顾性研究发现，25例百日咳杆菌伴呼吸道病毒与28例单纯百日咳感染患儿的病情严重程度，实验室检查和影像学检查的差异上无统计学意义[22]。同样，在探讨<4月龄重症百日咳发生的危险因素研究中，是否合并其他病原感染在死亡组(15例)与存活组(44例)间的差异也无统计学意义[10]。因此，百日咳患儿合并其他感染是否会加快病情发展仍存在争议，这与各个研究方法、入组患儿年龄、免疫状态等有关。尽管如此，百日咳患儿也应进一步明确是否合并其他感染，并给予积极的抗感染及对症支持治疗[5]。
百日咳杆菌在疫苗的免疫压力下可发生基因变异和相应的抗原性改变以此来逃避机体的免疫反应。主要有黏附素(pertactin，Prn)的表达缺失以及PT启动子的ptxP1等位基因被新型等位基因ptxP3取代等。澳大利亚、美国的相关研究指出，Prn缺失菌株自无细胞百日咳疫苗(acellular-cell pertussis vaccine，ACVs)的广泛使用以来，随时间推移所占比例逐渐增加[23,24]。澳大利亚在2012年分离得到Prn缺失菌株所占比例可高达78%(28/36株)[23]。而在仅使用全细胞百日咳疫苗(whole－cell pertussis vaccine，WCVs)的阿根廷，2000年至2017年临床分离的315株百日咳杆菌中，仅有2株Prn缺失菌株。类似的还有在仅使用WCVs的俄罗斯、塞内加尔尚未见Prn缺失菌株的报道[25]。Prn表达缺失还可能与IS481基因正向或反向插入Prn基因序列、Prn基因携带有终止密码子或合并有Prn全部基因的缺失等有关[23]。在体外实验和小鼠实验中，Prn缺失菌株相较于正常菌株可刺激人和小鼠的树突状细胞产生更多炎性细胞因子并增加细胞死亡，这表明Prn具有免疫调节特性[26]。但相关临床研究显示，感染Prn株和Prn缺失菌株的婴儿在疾病严重程度和住院时长方面差异无统计学意义[27]。因此，对于Prn缺失菌株与百日咳再现及重症百日咳的关系尚需进一步研究。
也有体外实验显示，ptxP3基因型菌株有更强的毒力，相比于ptxP1菌株可以产生更多的PT，约为ptxP1菌株的1.6倍，因此，研究者认为小婴儿感染ptxP3基因型菌株后，其临床症状可能会更加严重[28]。日本Imamura等[29]对ICU病房分离得到的25株百日咳杆菌进行多位点序列分型(multilocus sequence typing，MLST)，结果显示63%的重症百日咳患儿携带有MLST-2型(fim3A-ptxA1-Prn2-ptxP3)百日咳杆菌；此外，需要有创通气患儿的MLST-2基因型检出率显著高于无需有创通气的患儿(P<0.05)；合并肺动脉高压、使用体外膜肺氧合(ECMO)治疗和死亡的患儿均感染了MLST-2型百日咳杆菌，因此，研究者认为重症百日咳的发生可能与MLST-2型菌株密切相关，病情加重是由多个毒力相关基因的组合而非单一的等位基因型导致。综上，还需进一步的研究来确定重症百日咳的发生与菌株毒力相关等位基因变化之间的关系。
百日咳患儿应尽早接受治疗，临床上首选大环内酯类抗生素，如红霉素、阿奇霉素等。使用红霉素可能导致肥厚性幽门狭窄，因此美国CDC建议新生儿首选阿奇霉素(10 mg/kg)连用5 d，大多数患儿治疗1个疗程即可[30]。早期使用抗生素可降低百日咳患儿的死亡风险，抗生素起始治疗时间的延迟与患儿的病情进展、预后不良密切相关[5]。张光莉等[15]的研究中，仅15.3%的重症百日咳患儿在病程1周内使用阿奇霉素治疗。美国CDC还建议，与百日咳患者有过面对面接触或其他亲密接触者(主要有<4月龄小婴儿、孕晚期的妇女、百日咳患者的家属等)应使用大环内酯类抗生素进行预防性治疗，即在接触后21 d内首选阿奇霉素治疗5 d进行抗感染治疗[31]。
白细胞计数升高是重症百日咳和死亡发生的危险因素之一，因此降低白细胞水平是延缓病情进展的关键。研究表明，换血治疗较去除白细胞有更好的治疗效果，通过换血疗法可降低外周血白细胞以及PT水平，减少肺部血栓形成以及减少PT导致的各种病生理变化[12]。Cherry[5]建议<60 d的百日咳患儿出现以下情况时应考虑换血治疗：(1)患儿白细胞计数>25×109/L，且淋巴细胞计数>12×109/L，并发有心力衰竭、肺动脉高压或器官衰竭之一者；(2)患儿白细胞计数>48×109/L且淋巴细胞计数>15×109/L；(3)患儿白细胞计数>30×109/L(在24 h内白细胞计数上升超过50%)且淋巴细胞计数>15×109/L。另有学者提出，可用PT特异性抗体治疗白细胞增多症，但目前尚无相关临床实验[32]。近年，Nguyen等[32]致力基于1B7和11E6这两株鼠单克隆抗体研发人源化特异性抗PT的单克隆抗体。人源化抗体预防性给予小鼠时，可以减轻小鼠的白细胞计数升高和细菌在肺部定植。使用人源化抗体对小狒狒进行抗感染治疗时，接受抗体治疗的实验组狒狒体内的细菌清除明显加快[32]。这些结果为PT特异性抗体与抗生素一起治疗百日咳提供了进一步的参考。
自2002年以来，全球"百日咳再现"使ECMO对重症百日咳的支持治疗比例从0.09%增至1.00%。但根据体外生命支持组织(Extracoporeal Life Support Organisation，ELSO)的统计，重症百日咳患儿接受ECMO治疗的死亡率可高达70%，显著高于其他需要ECMO支持的呼吸系统疾病[12]。相关研究指出，经ECMO治疗后的百日咳幸存患儿预后差或合并有严重并发症，因此在婴儿百日咳诊疗中尚不推荐ECMO的使用[5,11]。但是重症百日咳患儿在常规治疗后仍难以改善氧合，ECMO仍可作为支持治疗手段。这需要临床医师把握治疗时机，在进行规范化管理治疗原发病的同时做好器官功能保护，去除引起肺动脉高压的因素，提高患儿的存活率[33]。
鉴于目前疫苗存在的明显缺陷，有学者提出，可通过鼻部接种疫苗来模拟自然感染的过程，从而提高免疫力并延长保护时间[7]。目前较成功的是基因减毒百日咳杆菌株BPZE1疫苗，BPZE1是由3种百日咳毒素(PT、皮肤坏死毒素和气管细胞毒素)进行基因去除或灭活而构建的。与未能防止百日咳杆菌定植的ACVs和WCVs相比，BPZE1可减少小狒狒鼻咽部百日咳杆菌定植，并预防百日咳感染[34]。类似的，我国田苗苗等[35]研制的一株减毒百日咳活疫苗BPTM1作为一种鼻用疫苗，同野生型菌株BPMM一样可高效定植于小鼠肺部。BPTM1在不引起小鼠肺部明显病理效应的前提下，可诱导高水平百日咳杆菌特异性IgG抗体。最近，瑞典一项有关BPZE1的成人临床试验表明，BPZE1在试验人群中耐受性良好，在鼻咽部定植率高，并且所有测试剂量的疫苗均有良好的免疫原性；另外，研究者对接种BPZE1受试者进行为期1年的随访，95%的受试者经BPZE1诱导的IgG、IgA抗体在1年后仍可以维持较高水平[7]。基于此，研究者提出若BPZE1在新生儿中同样安全有效，则可作为出生后的即时疫苗与母体免疫共同作用，保护小婴儿免受百日咳感染。为此，更大规模的Ⅱ期临床试验(NCT03942406)也正在进行中，以望得到更加可靠的临床数据[7]。此外，一项研究指出，给小鼠鼻内接种ACVs联合明矾或葡聚糖颗粒佐剂，均可显著增加小鼠体内IgG抗体水平[36]。因此，改变现有疫苗接种模式、开发新型疫苗(如减毒微生物疫苗)或在疫苗中增加佐剂等均有可能增强免疫保护能力、延长免疫时间。
新加坡一项研究指出，预先接种ACVs可以使百日咳患儿入住ICU的可能性降低86.5%，需要呼吸支持的可能性降低82.1%[9]。多项研究指出大多百日咳死亡的发生与年龄太小而无法接种疫苗有关[11,17]。美国儿科学会以及免疫咨询委员会推荐儿童在2、4、6月龄时接种疫苗，并提出第1针疫苗可提前至6周龄时接种[11]。Foxwell等[37]研究指出，百日咳疫苗第1剂的接种时间从原计划的8周龄提前至6周龄可明显减少百日咳发病人数、百日咳患儿住院率以及病死率。澳大利亚对206名新生儿进行ACVs接种，在受试者10周龄时，仍有93.2%的幼儿体内可以检测到抗PT和抗Prn抗体且无不良事件发生[38]。因此，及时接种疫苗或早期接种疫苗可以降低重症百日咳及死亡的发生。
疫苗诱导产生的抗体随着年龄的增长而降低，因此青少年及成人易再次感染百日咳。由于症状轻且不典型而未得到及时诊治，使得他们易成为婴幼儿的传染源。对此，已有"蚕茧策略"以及孕母免疫策略的提出[39]。"蚕茧策略"是指对未达接种年龄小婴儿的密切接触者进行免疫接种，达到保护婴幼儿的目的。由于家属的依从性不同、疫苗的获取以及其临床效果有待验证，"蚕茧策略"的实施情况在各地有所不同。而通过母体接种疫苗不仅可以保护孕妇免受感染，还可以通过胎盘将抗体传给胎儿，从而达到对小婴儿的双重保护，因此孕母免疫策略是较为成功和有效预防婴儿百日咳的干预措施[39,40]。英国于2012年10月率先实行孕母免疫策略，即在孕28~32周时注射疫苗[41]。这一策略实施后，因百日咳住院的小婴儿大幅下降。英国于2016年4月将母体免疫接种时间提前至孕20~30周，结果显示因百日咳住院的早产儿人数与之前相比减少约一半[42]。这表明接种了疫苗的母亲及婴儿血液中有较高的百日咳抗体滴度。在保证孕母及胎儿安全的前提下，可考虑将孕母免疫策略纳入我国免疫规划中，来保护尚未接种疫苗的小婴儿。
目前，"百日咳再现"应当引起重视。在加大流行病学监测的同时，做好流行菌株的基因分子特征分析。基于分子遗传学探讨"百日咳再现"的原因，分析百日咳临床特征的变化。借鉴国外对于重症百日咳的经验，加强自身对重症百日咳的相关研究。临床实践中，应重点关注重症百日咳发生的危险因素及机制研究，以提高重症百日咳患儿的治愈率，降低患儿病死率。
所有作者均声明不存在利益冲突
