114 年 國立成功大學微生物及免疫學研究所甲組《微生物學》

本題主要考驗學生對常見細菌病原體及其感染途徑的認識。

解題思路：

1. 核心觀念: 細菌感染人體有多種途徑，不同細菌有其特定的感染模式。
2. 列舉五種細菌病原體: 選擇臨床上常見且感染途徑明確的細菌。
3. 說明感染途徑: 針對每種細菌，描述其進入人體的方式。

範例解答：

1. 病原體: Staphylococcus aureus
   感染途徑: 透過受損的皮膚（傷口、割傷、擦傷）或黏膜進入。也可經由飛沫傳播，引起呼吸道感染。

本題考驗學生對抗生素作用機制的理解，這是微生物學中的基礎知識。

解題思路：

1. 核心觀念: 抗生素透過干擾細菌的特定生命過程來抑制或殺死細菌。
2. 列舉五種基本作用機制: 涵蓋細菌生存所必需的幾個關鍵生理功能。

範例解答：

1. 抑制細胞壁合成 (Inhibition of cell wall synthesis): 這類抗生素會干擾肽聚醣 (peptidoglycan) 的合成，導致細菌細胞壁脆弱，在滲透壓壓力下破裂死亡。例如：盤尼西林 (Penicillin)、頭孢菌素 (Cephalosporins)。
2. 抑制蛋白質合成 (Inhibition of protein synthesis): 這類抗生素作用於細菌的核糖體 (ribosome)，干擾 mRNA 的轉譯過程，阻止蛋白質的生成。根據作用於 30S 或 50S 次單元，有不同的抗生素。

本題考驗學生對細菌逃避免疫系統（特別是吞噬細胞）的機制之了解。

解題思路：

1. 核心觀念: 細菌為了在宿主體內生存和繁殖，發展出多種策略來對抗吞噬細胞的清除。
2. 列舉四種逃避免疫清除的機制: 這些機制可以防止細菌被吞噬、阻止吞噬體的成熟，或直接殺死吞噬細胞。

範例解答：

1. 形成莢膜 (Formation of a capsule): 許多細菌（如 Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Klebsiella pneumoniae）表面有莢膜，這層黏液狀的結構可以阻止吞噬細胞的附著和吞噬，或影響吞噬體與溶酶體的融合。
2. 分泌毒素殺死吞噬細胞 (Secretion of toxins to kill phagocytes): 一些細菌會產生細胞毒素（如白毒素 Leukocidin），直接殺死吞噬細胞（如嗜中性球）。

本題要求設計一個實驗方案，以評估分離到的 Streptococcus pyogenes (化膿性鏈球菌) 的毒力潛力，並探討其致病機制。這需要結合體外、體內實驗以及分子生物學技術。

解題思路：

1. 核心觀念: 毒力 (virulence) 是指病原體引起疾病的能力，而致病機制 (mechanisms of pathogenesis) 則是病原體如何造成組織損傷和疾病的具體途徑。評估毒力需要多方面的方法。

2. 實驗設計原則: 應包含對比實驗（與已知毒力較弱的菌株比較）、體外試驗（模擬人體環境）、體內試驗（動物模型）以及分子層面的研究。

3. 研究步驟:

   A. 菌株鑑定與比較 (Strain Identification and Comparison)

   • 確認菌株: 使用標準微生物學方法（如革蘭氏染色、生化鑑定、血清學分型）確認分離株為 Streptococcus pyogenes。
   • 菌株分型: 進行 M 蛋白分型 (M protein typing) 或其他分子分型方法（如 MLST, emm sequence typing），將此分離株與已知毒力相關的 M 型進行比較。
   • 對照組: 選擇一株已知毒力較弱或非侵襲性的 S. pyogenes 作為對照組。

   B. 體外毒力因子評估 (In Vitro Virulence Factor Assessment)

   • 溶血素 (Hemolysins): 測試菌株產生的鏈球菌溶血素 O (Streptolysin O, SLO) 和鏈球菌溶血素 S (Streptolysin S, SLS) 的活性。SLS 通常在固體培養基上表現，SLO 則可以在液體培養基中測定。高水平的溶血活性可能與組織損傷有關。
   • 鏈球菌毒素 (Streptococcal Toxins):
     • 鏈球菌致熱外毒素 (Streptococcal Pyrogenic Exotoxins, SPEs): 測試菌株是否產生 SPEs（如 SpeA, SpeB, SpeC），這些毒素是引起毒性休克症候群 (Toxic Shock Syndrome) 和猩紅熱 (Scarlet Fever) 皮疹的重要因素。可使用 ELISA 或 PCR 方法檢測。
     • 鏈球菌激酶 (Streptokinase, SK): 測試菌株產生 SK 的能力。SK 能溶解纖維蛋白，有助於細菌擴散，但也可能引起出血。
     • 鏈球菌脫氧核醣核酸酶 (Streptodornase, SD): 測試菌株產生 SD 的能力，SD 能降解 DNA，有助於細菌突破組織。
   • 抑制吞噬作用 (Inhibition of Phagocytosis):

好的，這題是關於革蘭氏染色法分類細菌的經典題目，核心觀念在於比較革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌在細胞結構上的差異，以及這些差異如何影響它們在革蘭氏染色過程中的表現。

解題過程

革蘭氏染色法是區分細菌的基礎方法，其原理是利用細菌細胞壁的組成差異來決定染色反應。革蘭氏陽性菌和陰性菌的主要區別在於它們的細胞壁結構，進而影響它們對結晶紫（primary stain）和薩弗蘭寧（counterstain）的滯留能力。

1. 細胞壁結構的差異：

• 革蘭氏陽性菌 (Gram-positive bacteria):

  • 厚肽聚醣層 (Thick peptidoglycan layer): 這是革蘭氏陽性菌細胞壁最顯著的特徵。肽聚醣層非常厚，佔細胞壁乾重的 60-90%。
  • ** teichoic acids 和 lipoteichoic acids:** 這些分子嵌入肽聚醣層中，並延伸至細胞壁外，參與細胞壁的結構穩定、離子平衡以及與宿主細胞的交互作用。
  • 外膜 (Outer membrane): 缺乏。
  • 周質空間 (Periplasmic space): 相對較小或不明顯。

• 革蘭氏陰性菌 (Gram-negative bacteria):

  • 薄肽聚醣層 (Thin peptidoglycan layer): 肽聚醣層相對較薄，僅佔細胞壁乾重的 10-20%。
  • 外膜 (Outer membrane): 存在。這是革蘭氏陰性菌細胞壁的關鍵結構，位於肽聚醣層外。外膜由內層磷脂雙層和外層脂多醣 (Lipopolysaccharide, LPS) 組成。LPS 包含脂質 A (endotoxin)、核心寡醣和 O 抗原，是革蘭氏陰性菌重要的抗原決定基和毒力因子。
  • 周質空間 (Periplasmic space): 相對較大，位於細胞膜和外膜之間，其中包含肽聚醣層和多種酶。
  • teichoic acids: 缺乏。

2. 革蘭氏染色過程中的差異：

革蘭氏染色法包含以下步驟：

• 初染 (Primary staining): 使用結晶紫 (crystal violet) 染色所有細菌。
• 媒染 (Mordanting): 使用碘液 (iodine solution) 與結晶紫形成複合物，增加染色強度。
• 脫色 (Decolorization): 使用酒精或酒精-丙酮混合物進行脫色。這是區分兩類細菌的關鍵步驟。
  • 革蘭氏陽性菌: 厚肽聚醣層會吸收並鎖住結晶紫-碘複合物。酒精脫色時，肽聚醣層會脫水收縮，進一步阻止結晶紫-碘複合物的流失，因此保持紫色。
  • 革蘭氏陰性菌: 薄肽聚醣層和外膜對酒精較為敏感。酒精會溶解外膜的脂質成分，並使薄肽聚醣層的孔隙擴大，導致結晶紫-碘複合物容易被沖洗掉，呈現無色。
• 複染 (Counterstaining): 使用薩弗蘭寧 (safranin) 進行複染。
  • 革蘭氏陽性菌: 由於已被結晶紫染成紫色，薩弗蘭寧的紅色無法覆蓋，因此仍呈現紫色。