摘要:為構(gòu)建穩(wěn)定可靠的肺炎克雷伯菌肝膿腫(KPLA)動(dòng)物模型,選取18 g左右健康ICR小鼠,以高毒力動(dòng)物源肺炎克雷伯菌臨床分離株KP001為造模菌株,分別從接種方式(灌胃、滴鼻和腹腔注射,接種菌數(shù)為1×107 CFU)和接種劑量進(jìn)行摸索,并對(duì)造模成功小鼠的血清樣品進(jìn)行谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶、堿性磷酸酶、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶、白蛋白、乳酸脫氫酶、總膽紅素等生化指標(biāo)的測(cè)定。結(jié)果表明:灌胃小鼠存活率100%,但肝臟未出現(xiàn)膿腫;滴鼻小鼠死亡率100%,肺臟病變明顯,40%死亡小鼠肝臟出現(xiàn)膿腫;腹腔注射1×106 CFU細(xì)菌后,小鼠存活率為75%以上,且存活小鼠肝臟均出現(xiàn)膿腫,成模率100%。病理切片顯示造模成功小鼠肝細(xì)胞排列紊亂,中央靜脈周圍有大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn)。生化指標(biāo)檢測(cè)顯示,與對(duì)照小鼠相比,造模成功小鼠的血清樣品中γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶極顯著升高(P<0.01),堿性磷酸酶極顯著下降(P<0.01),谷丙轉(zhuǎn)氨酶、白蛋白顯著下降(P<0.05)。綜上分析表明,通過(guò)腹腔注射方式,接種1×106 CFU KP001菌株后可成功構(gòu)建KPLA小鼠模型,γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶和堿性磷酸酶等生化指標(biāo)可用于評(píng)估模型建立效果。
關(guān)鍵詞:肺炎克雷伯菌;肝膿腫;動(dòng)物模型;生化指標(biāo)
中圖分類號(hào):S575.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):0253?2301(2024)10?0029?07
DOI:10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.10.005
陳紫怡,路佳臻,萬(wàn)兆豐,等.肺炎克雷伯菌肝膿腫小鼠模型的建立[J].福建農(nóng)業(yè)科技,2024,55(10):29?35.
Establishment of the Mouse Model of Klebsiella pneumoniae Liver Abscess
CHEN Zi-yi1,LU Jia-zhen1,2,WAN Zhao-feng1,WEN Hui-ya1,2,WEI Jing-yun1,ZHANG Xin-yi1,ZENG Xu-jian1,HUANG Cui-qin1,3*,BAO Yin-li1,3*
(1.College of Life Science,Longyan University,Longyan,F(xiàn)ujian 364012,China;2.College of Animal Science,F(xiàn)ujianAgriculture and Forestry University,F(xiàn)uzhou,F(xiàn)ujian 350002,China;3.Fujian University Engineering Research Centerfor the Prevention and Control of Animal Original Zoonosis,Longyan,F(xiàn)ujian 364012,China)
Abstract:In order to construct a stable and reliable animal model of Klebsiella pneumoniae liver abscess(KPLA),about 18 g healthy ICR mice were selected,and the highly virulent animal-derived Klebsiella pneumoniae clinical isolated strain KP001 was used as the model strain.Then,the inoculation methods(including the gastric irrigation,nasal drip and intraperitoneal injection,with the number of inoculated bacteria was 1×107 CFU)and the inoculation dosage were explored.The biochemical indexes of serum samples from the mice with successful modeling were determined,including the alanine aminotransferase,aspartate aminotransferase,alkaline phosphatase,γ-glutamyl transferase,albumin,lactate dehydrogenase,and total bilirubin.The results showed that the survival rate of mice treated with gastric irrigation was 100%,but there was no abscess in the liver.The mortality rate of mice treated with nasal dripping was 100%,with obvious lung lesions,and the liver abscess occurred in 40%of the dead mice.After the intraperitoneal injection of 1×106 CFU bacteria,the survival rate of mice was more than 75%,and the liver abscesses appeared in the surviving mice,with the modeling rate of 100%.The pathological sections showed that the liver cells of the successfully modeled mice arranged in disorder,and a large number of inflammatory cells infiltrated around the central vein.The detection of biochemical indicators showed that compared with the control mice,theγ-glutamyl transferase in the serum samples of the successfully modeled mice was significantly increased(P<0.01),the alkaline phosphatase was significantly decreased(P<0.01),and the alanine aminotransferase and albumin were significantly decreased(P<0.05).In conclusion,the analysis showed that the KPLA mouse model could be successfully construct-ed by the intraperitoneal injection of 1×106 CFU KP001 strain.The biochemical indexes such asγ-glutamyl transferase and alkaline phosphatase could be used to evaluate the effect of model establishment.
Key words:Klebsiella pneumoniae;Liver abscess;Animal model;Biochemical indicators
肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae,KP)是一種重要的人畜共患條件致病菌,屬于腸桿菌科克雷伯菌屬。通常情況下,這種菌在健康人和動(dòng)物的呼吸道和腸道中存在而不具致病性,然而,當(dāng)宿主免疫功能減弱、身體虛弱或長(zhǎng)期使用抗生素時(shí),其可轉(zhuǎn)變?yōu)橹虏【?,引發(fā)人和動(dòng)物發(fā)病[1]。20世紀(jì)80年代,高毒力肺炎克雷伯菌(hypervirulent Klebsiella pneumoniae,hvKP)在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)被首次報(bào)道,隨后亞洲、歐洲、北美等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)相繼報(bào)道[2?3]。與經(jīng)典型肺炎克雷伯菌(classic Klebsiella pneumonia,cKP)相比,hvKP具有更強(qiáng)的致病性、侵襲力和轉(zhuǎn)移性,并可導(dǎo)致原發(fā)性肝膿腫[3]。
肝膿腫(Liver abscess,LA)是由病原體侵入肝臟而引起的一種嚴(yán)重的化膿性疾病。導(dǎo)致肝膿腫發(fā)生的病原體較多,包括細(xì)菌、阿米巴、真菌、寄生蟲(chóng)等,其中細(xì)菌占比最高,達(dá)80%[4]。目前,KP已經(jīng)超過(guò)大腸桿菌成為獨(dú)立導(dǎo)致肝膿腫的首要病原菌[5?6]。數(shù)據(jù)顯示,在從肝膿腫感染者分離的病原菌中,KP約占50%[5?6]。此外,KP導(dǎo)致的肝膿腫(Klebsiella pneumoniae liver abscess,KPLA)具有一定的遷移性。HvKP可以從肝臟遷移至其他臟器或組織,引發(fā)感染,如肺、胸膜、前列腺、骨、關(guān)節(jié)、腎臟、脾臟、肌肉、筋膜、軟組織、皮膚、眼睛以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)等,在臨床防治中難度更大[7]。
目前,KPLA的發(fā)病機(jī)制仍未闡釋清楚,限制了新的防治技術(shù)的開(kāi)發(fā),降低了從源頭遏制疾病發(fā)生的可能性。缺乏穩(wěn)定的、便于操作和獲得的KPLA動(dòng)物模型在一定程度上影響了相關(guān)工作的開(kāi)展。因此,本研究以1株動(dòng)物源hvKP臨床分離株為造模菌株,通過(guò)接種方式和接種劑量的摸索,建立穩(wěn)定的KPLA小鼠模型,并進(jìn)一步測(cè)定谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶等多個(gè)肝功能相關(guān)生化指標(biāo),以期為研究KPLA發(fā)病機(jī)制提供良好的動(dòng)物模型,并便于評(píng)估模型建立效果。
1材料與方法
1.1菌株和試驗(yàn)動(dòng)物
本研究所用菌株KP001為hvKP,由獸醫(yī)公共衛(wèi)生研究室分離和保存。18 g左右SPF級(jí)健康ICR小鼠購(gòu)自上海斯萊克實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限責(zé)任公司,試驗(yàn)中按組飼養(yǎng)于潔凈動(dòng)物房中,并每日給予潔凈飲用水和飼料。
1.2主要試劑
酵母提取物、胰蛋白胨購(gòu)自O(shè)XOID公司;瓊脂粉、革蘭氏染色試劑盒購(gòu)自青島海博生物技術(shù)有限公司;氯化鈉、PBS緩沖液、瓊脂糖、無(wú)菌無(wú)酶ddH2O購(gòu)自上海生工生物工程股份有限公司;4%多聚甲醛購(gòu)自武漢賽維爾生物科技有限公司;堿性磷酸酶測(cè)試盒、谷草轉(zhuǎn)氨酶測(cè)試盒、谷丙轉(zhuǎn)氨酶測(cè)試盒、乳酸脫氫酶測(cè)試盒、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶測(cè)試盒、總膽紅素測(cè)試盒、白蛋白測(cè)試盒、總蛋白定量測(cè)定(BCA法)試劑盒均購(gòu)自南京建成生物工程研究所有限公司;PCR Mix和核酸染料購(gòu)自南京諾唯贊生物科技股份有限公司。
1.3菌株復(fù)蘇及培養(yǎng)
以三區(qū)劃線法,將菌株KP001甘油凍存菌轉(zhuǎn)接至LB固體培養(yǎng)基上,37℃倒置培養(yǎng)18 h。次日取出,挑取典型單菌落轉(zhuǎn)接至LB試管中,37℃、180 r·min?1過(guò)夜培養(yǎng),4℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.4動(dòng)物模型的建立
1.4.1接種方式的摸索按照1:100的比例將過(guò)夜培養(yǎng)的菌株KP001轉(zhuǎn)接至LB試管中,37℃、180 r·min?1培養(yǎng)至OD600≈1.0。4℃、5 000 r·min?1離心富集菌體,用無(wú)菌PBS緩沖液清洗菌體3遍,并調(diào)整菌數(shù)至5×107 CFU·mL?1。將30只健康ICR小鼠隨機(jī)分成6組,每組5只,分別標(biāo)記為A1~A6。其中A1~A3組分別以灌胃、滴鼻和腹腔注射的方式接種0.2 mL菌液,A4~A6組分別以相應(yīng)的方式接種等量PBS緩沖液。接種后0~7 d內(nèi)定時(shí)觀察小鼠臨床癥狀及存活情況。期間死亡小鼠立即剖檢,并觀察組織病變。存活小鼠于觀察期結(jié)束后采用頸椎脫臼法處死,并剖檢觀察肝臟是否出現(xiàn)膿腫。
1.4.2接種劑量的摸索參照1.4.1培養(yǎng)菌株KP001并富集菌體,調(diào)整菌數(shù)分別至5×108、5×107、5×106、5×105、5×104、5×103 CFU·mL?1。將56只健康ICR小鼠隨機(jī)分為7組,每組8只,分別標(biāo)記為B1~B7。其中,B1~B6組以腹腔注射的方式接種0.2 mL菌液,接種菌數(shù)分別為1×108、1×107、1×106、1×105、1×104、1×103 CFU;B7組作為對(duì)照組,以腹腔注射的方式接種等體積PBS緩沖液。參照1.4.1方法觀察小鼠。
1.4.3肝膿腫模型的建立參照1.4.1培養(yǎng)菌株KP001并富集菌體,調(diào)整菌數(shù)至5×106 CFU·mL?1。選擇13只健康ICR小鼠,隨機(jī)分成2組,分別標(biāo)記為KP感染致肝膿腫組(KPLA組)和對(duì)照組(CON組)。其中KPLA組8只小鼠,腹腔接種0.2 mL菌液;CON組5只小鼠,腹腔接種0.2 mL PBS。接種后0~7d內(nèi)定時(shí)觀察小鼠臨床癥狀及存活情況。存活小鼠通過(guò)眼球摘除法采集血液,并將全血于25℃孵育2 h后置于4℃過(guò)夜,次日吸取血清至1.5 mL EP管中,?80℃保存。隨后采用頸椎脫臼法處死小鼠,剖檢并肉眼觀察肝臟有無(wú)膿腫形成以及膿腫大小、分布等情況。取肝臟固定于4%多聚甲醛,送至杭州厚愛(ài)生物科技有限公司進(jìn)行標(biāo)本包埋、石蠟切片和HE染色。
1.5肝膿腫小鼠病原菌的鑒定
用無(wú)菌一次性接種環(huán)蘸取肝臟膿腫部位,三區(qū)劃線法接種于LB固體培養(yǎng)基上,37℃倒置培養(yǎng)18 h后,挑取代表性單菌落進(jìn)行革蘭氏染色鏡檢及KP特異性鑒定PCR。引物序列為F:5'-TGAT TGCATTCGCCACTGG-3';R:5'-GGTCAACCCAAC GATCCTG-3',由南京金斯瑞生物科技有限公司合成[7]。反應(yīng)體系為2×PCR Mix 12.5μL、上下游引物各1μL、ddH2O 10.5μL,蘸取菌落與PCR反應(yīng)液混合。反應(yīng)程序?yàn)?5℃預(yù)變性5 min;95℃變性30 s,52℃退火30 s,72℃延伸30 s,共30個(gè)循環(huán);72℃延伸10 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳后于紫外凝膠成像系統(tǒng)儀觀察。
1.6肝功能相關(guān)生化指標(biāo)的測(cè)定
參照試劑盒說(shuō)明書(shū),對(duì)KPLA組和CON組中存活小鼠血清樣品進(jìn)行谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶、堿性磷酸酶、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶、白蛋白、乳酸脫氫酶、總膽紅素等生化指標(biāo)的測(cè)定。
1.7數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
采用GraphPad Prism 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),兩組間數(shù)據(jù)差異性分析采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行。
2結(jié)果與分析
2.1小鼠肝膿腫模型接種方式的摸索
分別采用灌胃(A1組)、滴鼻(A2組)和腹腔注射(A3組)3種方式接種小鼠,接種菌數(shù)為1×107 CFU;對(duì)照組(A4~A6組)分別以相同方式接種等體積PBS緩沖液。接種后觀察7 d,結(jié)果顯示A1組和A4~A6組小鼠均未發(fā)生死亡,剖檢未見(jiàn)明顯病理變化,肺臟正常(圖1A、1B),肝臟未出現(xiàn)膿腫(圖1E、1F)。A2組在接種后4 d內(nèi)小鼠全部死亡,剖檢可見(jiàn)肺臟嚴(yán)重腫脹、淤血(圖1C),其中2只小鼠肝臟邊緣可見(jiàn)輕微膿腫(圖1G)。A3組小鼠存活2只,剖檢肝臟可見(jiàn)明顯膿腫(圖1H),肺臟無(wú)明顯變化(圖1D);死亡小鼠剖檢可見(jiàn)肺臟淤血、腫脹,肝臟無(wú)膿腫。膿腫部位細(xì)菌分離鑒定見(jiàn)圖2A,菌體為兩端鈍圓的革蘭氏陰性短桿菌,呈單個(gè)或成對(duì)排列;KP特異性鑒定PCR結(jié)果(圖2B)顯示,挑取的多個(gè)單菌落在428 bp處擴(kuò)增出與預(yù)期大小一致的目的條帶,證實(shí)該膿腫是由KP感染導(dǎo)致的。因此,后續(xù)試驗(yàn)選擇腹腔注射方法用于肝膿腫模型的建立。
2.2小鼠肝膿腫模型接種劑量的摸索
采用腹腔注射方法,B1~B6組分別接種1×108、1×107、1×106、1×105、1×104、1×103 CFU細(xì)菌,B7組接種等體積PBS。接種后觀察7 d,由圖3可知,B6組和B7組未發(fā)生小鼠死亡;B1組小鼠死亡6只,存活率為25%;B2組小鼠死亡5只小鼠,存活率為37.5%;B3組小鼠死亡2只,存活率為75%;B4、B5組小鼠各死亡1只,存活率均為87.5%;說(shuō)明小鼠存活率與接種菌數(shù)呈負(fù)相關(guān)。存活小鼠剖檢可見(jiàn),B1、B2、B3組小鼠肝臟均出現(xiàn)膿腫,B4組存活的7只小鼠中3只小鼠肝臟出現(xiàn)膿腫,B5、B6組存活小鼠肝臟未出現(xiàn)膿腫,說(shuō)明肝膿腫出現(xiàn)的概率與接種菌數(shù)呈正相關(guān)。因此,后續(xù)試驗(yàn)選擇接種劑量為1×106 CFU。
2.3小鼠肝膿腫模型的建立
以最佳接種劑量(1×106 CFU)腹腔注射8只小鼠(KPLA組),并觀察7 d。結(jié)果顯示,1只小鼠死亡,存活7只小鼠剖檢可見(jiàn)肝臟出現(xiàn)膿腫,但不同小鼠之間膿腫部位和大小存在差異。5只對(duì)照小鼠(CON組)全部健活,剖檢肝臟正常,未見(jiàn)肉眼可見(jiàn)的病理變化。
2.4小鼠肝臟組織切片觀察
由圖4可知,CON組小鼠肝臟組織結(jié)構(gòu)緊密,肝小葉緊湊有序,肝細(xì)胞形態(tài)正常,中央靜脈周圍無(wú)炎性細(xì)胞(圖4A);KPLA組小鼠在腹腔注射1×106 CFU細(xì)菌7 d后,肝臟出現(xiàn)膿腫,肝細(xì)胞排列紊亂,少量肝細(xì)胞壞死溶解,大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn),尤其是在中央靜脈周圍(圖4B)。
2.5小鼠肝功能相關(guān)生化指標(biāo)的測(cè)定
分別對(duì)KPLA組和CON組小鼠血清樣品進(jìn)行谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶、堿性磷酸酶、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶、白蛋白、乳酸脫氫酶、總膽紅素的測(cè)定。由圖5可知,與CON組相比,接種1×106 CFU細(xì)菌7 d后,KPLA組小鼠血清樣品中γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶極顯著升高(P<0.01),堿性磷酸酶極顯著下降(P<0.01),谷丙轉(zhuǎn)氨酶、白蛋白顯著下降(P<0.05),谷草轉(zhuǎn)氨酶、乳酸脫氫酶和總膽紅素差異不顯著(P>0.05)。
Fig.5 Measurement of liver function-related biochemical indicatorsin KPLA model mice
3討論與結(jié)論
動(dòng)物模型的建立對(duì)研究KPLA的發(fā)病機(jī)制、防治效果的評(píng)價(jià)具有重要的意義。本試驗(yàn)以健康ICR小鼠為研究對(duì)象,通過(guò)腹腔注射1×106 CFU hvKP菌株KP001,成功構(gòu)建了KPLA小鼠模型,為hvKP致病機(jī)理研究和療效評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。
試驗(yàn)動(dòng)物、病原微生物以及造模方式是動(dòng)物模型構(gòu)建的三大主要因素。以往的研究中,KPLA動(dòng)物模型常采用免疫力缺陷小鼠進(jìn)行,如在糖尿病小鼠基礎(chǔ)上灌胃KP菌株等,但存在“造模成功率低”“無(wú)法排除高糖干擾”等問(wèn)題[8]。本試驗(yàn)以免疫力正常的健康小鼠為對(duì)象,成功構(gòu)建了KPLA模型,小鼠存活率75%以上,存活小鼠膿腫成模率為100%。在健康小鼠中成功造模,這可能與優(yōu)質(zhì)的菌株密切相關(guān)。大量研究表明,引起肝膿腫的KP大多為hvKP[9]。本研究所用KP001菌株分離自1例急性死亡華南虎幼虎的肺臟細(xì)支氣管。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),其具有較強(qiáng)的致病力,LD50為3.21×106 CFU,并攜帶黏液表型調(diào)節(jié)基因A(rmpA)、鐵載體相關(guān)毒力基因(iroB、aerobactin、iucA)、假定轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因(peg344)等與hvKP高度相關(guān)的毒力基因。這些毒力基因的存在,可以幫助細(xì)菌抵抗宿主補(bǔ)體系統(tǒng)介導(dǎo)的殺菌作用,競(jìng)爭(zhēng)組織血液中的鐵,并通過(guò)生成催化羥基自由基發(fā)揮抗氧化作用,從而增強(qiáng)菌株毒力,加重菌株對(duì)宿主組織的損傷[10?12]。此外,正確的造模方式也是關(guān)鍵因素。KP研究中常通過(guò)鼻腔注射、氣溶膠感染、尾靜脈注射等方法構(gòu)建基于呼吸道感染模型,并進(jìn)一步用于KP的評(píng)價(jià)[13?14]。但這些模型無(wú)法適用于KPLA的研究。本研究摸索了灌胃、滴鼻和腹腔注射3種方法,結(jié)果顯示灌胃小鼠存活率最高,但無(wú)法產(chǎn)生肝膿腫;滴鼻小鼠死亡率最高,肺臟病變明顯,少量小鼠可產(chǎn)生肝膿腫,成模率低;腹腔注射小鼠在接種適量菌液后,存活率較高,大部分存活小鼠可產(chǎn)生肝膿腫,成模率高。
肝膿腫具有隱匿性。KPLA模型在臨床使用時(shí),無(wú)法通過(guò)臨床癥狀來(lái)判定模型建立是否成功。為了便于模型建立效果的評(píng)價(jià),本研究在病理剖檢確認(rèn)肝膿腫產(chǎn)生的情況下,進(jìn)一步測(cè)定和比對(duì)了血清中谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶、堿性磷酸酶、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶、白蛋白、乳酸脫氫酶和總膽紅素等肝臟相關(guān)生化指標(biāo),結(jié)果顯示,KP感染并產(chǎn)生肝膿腫小鼠血清樣品中γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶極顯著升高(P<0.01),堿性磷酸酶極顯著下降(P<0.01),谷丙轉(zhuǎn)氨酶、白蛋白顯著下降(P<0.05)。這些指標(biāo)的變化,將有助于在不進(jìn)行動(dòng)物剖檢的情況下評(píng)估KPLA小鼠模型是否成功建立。鄭亞虹等利用人源K1血清型hvKP菌株建立了基于C57BL/6J小鼠的肝膿腫模型,造模小鼠谷丙轉(zhuǎn)氨酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶均明顯升高[15]。這與本試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果存在差異,可能是由于不同的菌株和小鼠品系所造成的,同時(shí)也提示不同種hvKP菌株導(dǎo)致的KPLA可能在生化指標(biāo)上存在差異。
綜上所述,本研究建立了基于hvKP菌株的腹腔接種KPLA小鼠模型,最佳接種劑量為1×106 CFU,同時(shí)篩選出γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶、堿性磷酸酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶、白蛋白等多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)可用于評(píng)估模型建立效果,為KPLA的研究提供了良好的模型基礎(chǔ)。
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