细菌感染是全球导致死亡和疾病的
一个重要原因，影响着医学的方方面面。在美国，每年细菌感染导致的死亡数比艾滋病、乳腺癌和前列腺癌这3种疾病导致的死亡总数还要多。此外，美国每年约有
200万患者发生院内感染，美国疾病预防控制中心（Centers for Disease
Control，CDC）估计这些感染每年至少造成了50亿美元的财政损失。而且，由于抗菌药物的耐药性问题不断加重、免疫功能不全的患者以及需要使用医
疗器械的患者不断增加，因细菌感染造成的医疗负担预计在未来的10年～20年内仍然会显著上升。在过去10年间，英国耐药菌出现的频率上升了20倍，这使
得常规的感染（如社区获得性尿路感染）治疗变得越来越具挑战性。
且不说细菌感染造成了巨大的经济和人力成本，细菌感染的诊断和治疗几乎没有取得任何可喜的进展，甚至是停滞不前——目前仍然在应用50年前的细菌感染诊断方法。正电子发射断层成像技术（positron emission tomography，PET）是目前临床上普遍应用的成像技术。近期在《科学•转化医学》杂志上，Weinstein等利用PET向我们展示了一种新方法，该方法能够灵敏地诊断和追踪小鼠肠杆菌的感染。
感染的诊断
目
前，感染的诊断基于临床标准，包括体格检查和微生物培养。这些方法只能够检测到晚期感染，但是晚期感染的治疗已经具有非常大的挑战性了。使用临床上常见的
成像技术——计算机断层扫描（computed tomography，CT）、核磁共振成像（magnetic resonance
imaging，MRI）或者PET进行感染成像，对于改善细菌感染的诊断具有巨大的潜力。然而，这些成像技术由于技术本身以及缺乏细菌特异性的造影剂等问题，在感染成像方面的应用受到了限制。例如，超声、CT、MRI和PET只能够对感染造成的软组织变化和炎症进行成像。然而，这些软组织变化和炎症虽然与感染有关，却并不能确证感染。
临床上，配合CT的技术，PET已经用于细菌感染的成像。其中，作为探针来鉴定炎症的是2-[18F]氟脱氧葡萄糖（fluorodeoxyglucose，FDG），
因为FDG能够很好地被炎症细胞所吸收。PET成像具有高灵敏度，在感染早期即可在空间上定位患者的感染区域。所以，利用FDG进行感染成像的潜力巨大。
然而，FDG存在两方面的问题：①FDG能够被所有具有葡萄糖代谢能力的细胞所吸收，由此带来的非特异性特征会导致敏感性低下；②FDG无法区分无菌性炎症和感染导致的炎症。临床上希望能够开发出一种同时具备高敏感性和高特异性的细菌早期感染检测方法，然而，这一需求并未得到满足。如果有技术能够同时解决敏感性和特异性的问题，那么这个技术将会大幅降低感染发病率、死亡率和医疗保健成本。
细菌探针
近期，相关文献报告了三种不同的PET造影剂用于体内细菌感染成像：18F麦芽糖（maltose）、18F麦芽六糖（maltohexaose）以及Weinstein等发现的18F-2-氟脱氧山梨醇（fluorodeoxy sorbitol，FDS）。这些新的造影剂能够通过靶向细菌独有的（即哺乳动物细胞没有的）转运体和代谢通路特异地靶向体内细菌。18F麦芽糖和18F麦芽六糖靶向的是细菌所独有的麦芽糖糊精转运体（见图1）。麦芽糖糊精转运体以非常高的效率将底物转运至细菌内，而且能够耐受底物的各种修饰，比如在麦芽糖或麦芽六糖上连接PET探针。这类探针能够靶向所有细菌，且不分革兰氏阴性菌还是阳性菌。
第三个探针，FDS，是第一个能够区分革兰氏阴性菌感染和革兰氏阳性菌感染的探针，并且能够特异地靶向一类革兰氏阴性菌——肠杆菌（见图1）。肠杆菌是一类杆状细菌，包括碳青霉烯酶耐药的埃希氏菌属、克雷伯氏菌属和鼠疫耶尔森菌属（carbapenemase-resistant Escherichia coli, Klebsiella, and Yersinia pestis，CRE）等危险病原体。CRE是传染性疾病中最为可怕的一类，这些细菌感染的治疗不同于革兰阳性菌感染的治疗。例如，革兰阳性菌的感染能够用万古霉素治疗，而这类抗生素对于肠杆菌无效，治疗肠杆菌感染需要碳青霉烯类等抗生素治疗。因此，如果能够在患者感染早期鉴别CRE，对于有效改善其治疗至关重要。
Weinstein
等观察发现，肠杆菌能够特异地表达山梨醇-6-磷酸脱氢酶，这是一种负责启动山梨醇代谢的酶。因此Weinstein等假设，肠杆菌相比哺乳动物细胞和其
他类型的细菌能够通过甘油转运蛋白（glycerol diffusion
facilitator，glpF）吸收更多的山梨醇（见图1）。FDS能够从商业化的氟脱氧葡萄糖（FDG）通过一步化学反应获得，从而使得FDS向临
床放射学检查室的临床转化更加容易、直接。于是，研究人员比较了肠杆菌和哺乳动物细胞对FDS的吸收情况。结果发现，两种细胞的吸收相差约1000倍。
在大肠杆菌感染小鼠的体内，FDS-PET检测小鼠中细菌的灵敏度达到106菌落形成单位（colony-forming unit，CFU），而FDG和其他非特异性成像技术的灵敏度与其相差1～2个数量级。而且，FDS-PET还能够区分无菌性炎症和感染性炎症，因此，在感染成像的特异性方面，远优于FDG。上述的18F麦芽糖和18F
麦芽六糖在特异性和敏感性方面虽然与FDS不分伯仲，但是，FDS是唯一一个同时还能区分革兰氏阴性菌感染和革兰氏阳性菌感染的探针。Weinstein
等证实，肠杆菌（革兰氏阴性菌）与金黄色葡萄球菌（Staphylococcus
aureus，革兰氏阳性菌）在选择性上相差10倍，这样的差异有利于在感染早期更加恰当地处方抗生素。
最后，Wenstein等还
研究了FDS对耐药菌成像的能力。由于缺乏合适的抗生素，CRE是临床上非常麻烦的一类致病菌。因此，临床上出现CRE往往就意味着可能需要考虑剧烈的、
非常规性的治疗方法，包括运用具有相当毒性的抗生素，比如粘菌素。目前，鉴别耐药性的唯一方法就是对细菌进行培养，然后进行抗生素敏感性测试。然而，这个
方法需要花费数日，因此通常难以对治疗产生影响，而且往往由于获取患者细菌样本困难而无法完成。Weinstein等成功证实，FDS能够区分头孢曲松钠
耐药的肠杆菌感染和头孢曲松钠敏感的肠杆菌感染。在实验室里，他们分别使用耐药和野生型的大肠杆菌感染小鼠，利用FDS进行成像，再使用头孢曲松钠治疗，
然后再用FDS进行成像。他们观察到，由于耐药菌能够在头孢曲松钠的治疗中存活下来并且增殖，因此从耐药菌发出的PET信号增强了；相应地，头孢曲松钠敏
感的细菌被杀灭和清除，因此其PET信号削弱了。毫无疑问，是否能够快速衡量感染菌的耐药性，深刻地影响着感染的治疗。例如，如果感染菌的耐药性情况能够
在感染早期确定，那么脓毒症患者的存活率上升幅度可达50%。
细菌成像的前景展望
Weinstein等报告的FDS、Gowrishankar等报告的18F麦芽糖以及Ning等报告的18F
麦芽六糖，代表了细菌成像领域的主要进展。所有这3个探针都能够区分感染和炎症，而且能够识别细菌的耐药性。因此，未来如果某个患者疑似感染，那么可以利
用基于麦芽糖糊精的探针进行成像，以确定是否存在感染，利用FDS鉴别细菌的类型，从而恰当且快速地制定治疗方案。此外，3个探针都能够通过临床放射化学
实验室的常规合成方法一步合成。这3个探针都是基于具有良好生物相容性的小分子——麦芽糖、麦芽六糖和山梨醇。而且，PET成像已经在临床上广泛应用，进行PET成像的临床实验成本也相当便宜；因此，这些探针在未来的5年～10年中，成功转化至临床应用的潜力不可小觑。
然而，许多PET成像的探针在小鼠身上都看似前途似锦，但却从未尝试临床实践。18F 麦芽糖、18F麦芽六糖和FDS也是在动物模型中进行测试的。在动物模型中，使用的都是代谢活跃菌。相比有保护性荚膜的细菌，代谢活跃菌能够更快地内化探针。这就可能成为实际应用的一大局限性，因为许多主要的致感染的病原菌都存在荚膜的问题。此外，目前仍尚未明确的是，人类致感
染实际CFU数量是多少。因此，无法确定FDS和其他探针是否具有足够的敏感性来检测早期感染。而且，对于这些探针的非特异性清除在人类和啮齿类动物体内
或许并不相同。由于人类群体存在遗传上的异质性（而实验小鼠具有遗传同质性），所以人类个体之间的成像结果甚至也会天差地别。
这些探针在人类体内的代谢也很可能成为临床成功道路上的“拦路虎”，因为探针的脱氟作用以及被血清中的酶类水解的作用，可能会导致较高的无法成像率。最后，感染的PET成像在某些医疗环境中是否能够得到医疗保险的覆盖也不明确。感染成像的目标是形成明确具体的治疗结果，否则保险公司就不会对这一程序进行理赔。我们可以想象，PET成像对以下几个疾病将非常有用：移植物感染、内心膜炎（心脏感染）、那些需要快速诊断来防止死亡的疾病（如脓毒血症）以及那些需要对治疗过程进行规划的情况（如将肺炎和癌症区别开来）。
细菌感染是医疗卫生系统的一大负担，其发生率正在以惊人的速度上升。一种基于成像的诊断方法如果能在感染早期敏感、特异、可靠地进行诊断，必然会影响医学的方方面面。但是，这种方法由于缺乏靶向细菌的策略，仍然前途未卜。《科学•转化医学》杂志上Weinstein等的论文（即关于FDS的论文），以及另外两篇论文（即分别关于18F麦芽糖和18F麦芽六糖的论文）或许解决了靶向细菌的问题，从而为细菌感染的成像翻开了新的篇章。
（作者：赵永刚、高石)
参考文献：Science Translation Medicine 2014;6:259fs43