病原菌逃避單核-巨噬細胞殺滅策略的研究進展

羅云蔓,郭曉奎,姜敘誠

1. 上海交通大學醫(yī)學院病理學教研室,上海 200025; 2. 上海交通大學醫(yī)學院病原生物學教研室,上海 200025

單核-巨噬細胞(mononuclear macrophage)包括外周血中的單核細胞(monocyte)以及組織內的巨噬細胞(macrophage)。兩者均起源于骨髓多能造血干細胞,在骨髓中分化、發(fā)育為幼稚單核細胞；然后進一步發(fā)育,轉變?yōu)槌墒斓膯魏思毎⑷胙?在血液內停留12～24 h后穿透血管內皮細胞,進入全身各組織和器官,變成巨噬細胞。因為存在于不同的組織和器官,所以有不同的命名。單核-巨噬細胞具有很強的吞噬能力,可以吞噬異物、病原菌、衰老和突變的細胞等,在機體固有免疫和適應性免疫中均發(fā)揮重要作用。處于功能靜止期的巨噬細胞稱為固著巨噬細胞。當病原菌入侵時,其表面存在一些結構恒定且進化保守的分子結構,統(tǒng)稱為病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP),它們可被巨噬細胞表面的模式識別受體(pattern-recognition receptor,PRR)識別并黏附,隨后誘導巨噬細胞活化?；罨木奘杉毎谮吇蜃幼饔孟?向感染灶聚集,并伸出偽足，包繞病原菌。偽足融合后,病原菌即被攝入細胞內，形成吞噬小體(phagosome),后者在向細胞內部運動的過程中會獲得多種水解酶,并通過其膜上的質子泵-ATP酶逐漸酸化而成熟,然后與胞內的溶酶體融合,形成吞噬溶酶體(phagolysosome),最后啟動多種途徑,如通過活性氧中間物、活性氮中間物以及溶酶體酶等將病原菌降解、殺滅。被降解的病原菌分解產物通過胞吐作用被清除至細胞外。為逃避宿主的免疫清除,病原菌也逐漸進化形成多種有效的防御策略,使自身得以在宿主體內存活并繁殖。在與巨噬細胞相互作用的病原菌中,有的作用較強,如沙門菌、李斯特菌等能夠有效地侵襲并進入巨噬細胞,阻斷巨噬細胞的某些生理功能,最終將巨噬細胞殺滅而大量播散;有的作用則相對較弱,如分枝桿菌、衣原體屬等進入機體后并不激活巨噬細胞,而是通過抑制巨噬細胞的殺菌活性等方式使其得以在巨噬細胞內增殖[1]。病原菌逃避單核-巨噬細胞殺滅的機制可分為以下4個方面。

1 抗巨噬細胞的吞噬作用

巨噬細胞強有力的吞噬功能對病原菌構成了很大的威脅,病原菌可通過逃避吞噬作用而避免其后在胞內被降解和殺滅。這一機制主要通過以下3種方式來實現。

1.1 病原菌利用某些成分作為屏障免于被巨噬細胞識別

莢膜的抗吞噬作用主要與3個因素有關:親水性、偽裝性以及可以屏蔽其內部受調理素作用的成分。肺炎鏈球菌的莢膜多糖能有效遮蔽自身抗原表位及PAMP,使得巨噬細胞無法識別,從而逃避巨噬細胞的吞噬[2]。金黃色葡萄球菌分泌的凝固酶,可使宿主血漿中的纖維蛋白原轉變?yōu)楣虘B(tài)纖維蛋白,后者包繞在病原菌周圍,使得病原菌表面的抗原結構被屏蔽而不能被巨噬細胞識別,從而有效抵抗巨噬細胞的吞噬[2]。腸外致病性大腸埃希菌可表達一種多糖成分——K2莢膜。Buckles等[3]發(fā)現K2莢膜等位基因突變株對人血漿中補體成分比野生株更易感,不易在宿主泌尿道和腎臟中定植;而將含有K2莢膜等位基因的質粒導入該突變株后,可恢復其K2莢膜的表達,并增強其在宿主泌尿道存活的能力及對宿主血漿中補體的抗性。其機制在于:K2莢膜可以有效屏蔽該菌表面與血漿補體結合的抗原,從而避免補體介導的巨噬細胞吞噬作用。

1.2 通過抑制補體激活干擾調理作用

當病原菌感染宿主后,機體血漿中的補體C3被激活,產生大量C3b,后者具有特殊結構,一端可黏附病原菌表面,另一端通過巨噬細胞表面相應的受體與之結合,介導巨噬細胞對病原菌的吞噬和殺滅,補體的這一功能稱為調理作用[4]。Rooijakkers等[5]提出金黃色葡萄球菌可通過分泌一種補體抑制因子而降低由補體介導的巨噬細胞吞噬作用。Kuo等[6]在研究中發(fā)現鏈球菌致熱外毒素B(streptococcal pyrogenic exotoxin B,SPE B)是A群鏈球菌感染的重要毒力因子,它能降低血漿補體C3的水平,從而抵抗補體的破壞及調理吞噬作用。

1.3 抑制吞噬過程所需的肌動蛋白細胞骨架的重排

巨噬細胞的活動力很強,能借助細胞內的肌動蛋白系統(tǒng)吞噬外來的異物。耶爾森菌是一種革蘭陰性菌,當它與宿主細胞(巨噬細胞、樹突細胞和中性粒細胞等)接觸后,其Ⅲ型分泌裝置便將病原菌的效應蛋白注入宿主靶細胞[7]。其中有4種效應蛋白——YopE、YopH、YopT和YopO,能夠阻斷正常吞噬過程中的肌動蛋白重排,導致巨噬細胞的細胞骨架解離[8],從而降低巨噬細胞的吞噬能力,增強病原菌自身的毒力。

2 抗吞噬溶酶體的降解作用

許多病原菌即使被巨噬細胞吞噬,也依然能引起宿主感染,一個重要的原因就在于它們能抵抗巨噬細胞內吞噬溶酶體的降解作用。

2.1 抑制吞噬小體與溶酶體的融合

化膿性鏈球菌的M蛋白及M樣蛋白能抑制脫顆粒作用以及吞噬小體與溶酶體嗜苯胺藍顆粒的融合,從而避免被溶酶體降解[9]。布魯桿菌的脂多糖分為光滑型和粗糙型,主要區(qū)別在于前者具有O抗原結構,能使光滑型布魯桿菌通過被稱為脂筏或脂質微結構域的特殊結構進入巨噬細胞,該途徑不同于一般的細胞內體途徑,不能形成吞噬小體,故不能與溶酶體融合而降解殺菌[10]。而結核分枝桿菌則通過若干機制抑制吞噬小體與溶酶體的融合。Sturgill-Koszycki等[11]發(fā)現，結核分枝桿菌被巨噬細胞吞噬后形成的吞噬小體內部pH值較高(6.2～6.3),且缺乏質子泵-ATP酶,故小體內氫離子會逸出,這種非酸化的吞噬小體有利于結核分枝桿菌生存。在巨噬細胞內吞噬小體成熟的初期,早期內體會短暫地形成GTP結合蛋白Rab5,Rab5的累積在磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K)的作用下會導致磷脂酰肌醇-3磷酸(phosphatidylinositol 3-phosphate,PI3P)的生成,后者是膜轉運和吞噬小體成熟所必需的。Fratti等[12]發(fā)現結核分枝桿菌的一種胞壁成分脂阿拉伯甘露聚糖可抑制PI3P的產生;另外,Vergne等[13]指出結核分枝桿菌還可生成一種磷酸酶SapM,特異性降解已經生成的PI3P。這2種機制共同參與抑制吞噬小體的成熟及其與溶酶體的融合。

2.2 從吞噬小體內逸入細胞質

產單核細胞李斯特菌能分泌李斯特溶菌素O(listeriolysin O),后者屬于膽固醇依賴性溶細胞素家族,可在吞噬小體上聚合,使之形成多個孔洞。一方面導致吞噬小體內的氫離子逸出,吞噬小體無法酸化、成熟,不能進一步與溶酶體融合;另一方面也為該菌逸入非酸性的巨噬細胞胞質提供了窗口,使得該菌可逃避溶酶體的降解[14]。

3 誘導巨噬細胞的凋亡或壞死

以上2種病原菌逃避巨噬細胞殺滅的方式是相對被動的,直接誘導巨噬細胞凋亡或壞死則是病原菌強效而主動的對抗方式。雖然目前病原菌誘導巨噬細胞凋亡或壞死的機制尚不十分明確,但推測病原菌的某些毒力因子如內毒素、外毒素、侵襲素、超抗原以及Ⅲ型分泌裝置等可能與該機制有關,它們在病原菌逃避宿主的第1道免疫防線中發(fā)揮重要作用。此外,凋亡的巨噬細胞還可通過分泌炎癥細胞因子來誘發(fā)炎癥反應,這也是導致感染被嚴格局限的重要原因。

3.1 毒素

金黃色葡萄球菌能表達2種成孔毒素(pore-forming toxin,PFT),即α溶血素和白細胞毒素。低劑量的成孔毒素與巨噬細胞受體結合后,使鈉離子內流。一方面,鈉離子的內流可引起細胞內、外離子的失衡,對細胞有一定的毒性;另一方面,鈉離子的流入又可導致胞內鈣離子濃度增加,后者可作為第二信使誘發(fā)巨噬細胞凋亡。而高劑量的成孔毒素會在細胞膜上形成較大的孔道,使鈣離子自由進出細胞,對細胞產生較強的毒性作用,使其壞死,從而逃避巨噬細胞的殺傷[15]。Lee等[16]發(fā)現痢疾志賀菌和腸出血性大腸埃希菌產生的志賀毒素1(Shigatoxin-1,Stx1)能誘導人急性單核細胞白血病THP-1細胞株凋亡。Stx1一方面可引起巨噬細胞內質網應激反應,使內質網內儲存的鈣離子釋放入胞質,激活蛋白酶calpain,并誘導半胱天冬酶8前體(procaspase-8)的生成,最終激活半胱天冬酶8(caspase-8)和半胱天冬酶3(caspase-3),從而誘導THP-1細胞凋亡;另一方面,Stx1還可上調轉錄因子C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein, CHOP)的表達,CHOP再通過上調DR5蛋白死亡結構域的表達和下調抗凋亡蛋白Bcl-2的表達,使THP-1細胞發(fā)生凋亡。

3.2 侵襲素

研究表明,對于同一種病原菌,具有侵襲力的菌株往往可誘導巨噬細胞凋亡,而某些不具侵襲力的突變株一般不能引起凋亡。野生型福氏志賀菌產生的侵襲蛋白IpaB與巨噬細胞胞膜上的白細胞介素1β轉化酶(interleukin 1β converting enzyme, ICE)或半胱天冬酶1(為一效應性分子,參與執(zhí)行細胞凋亡[17])結合后可誘導巨噬細胞凋亡。

3.3 Ⅲ型分泌裝置

Ⅲ型分泌裝置存在于多種病原菌中,是病原菌重要的毒力因子之一。此外,病原菌還能分泌一些無信號肽蛋白,即效應蛋白。當致病菌與宿主細胞接觸后,前者可將這些效應蛋白通過該裝置轉運到宿主細胞內,以改變宿主細胞的功能,最終產生相應的致病效應。耶爾森菌在體內、外均可誘導巨噬細胞發(fā)生凋亡,它通過Ⅲ型分泌裝置將質粒編碼的外膜蛋白YopJ(Yersiniaouter protein J)轉運到巨噬細胞胞質中,YopJ再通過抑制絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號通路誘導巨噬細胞凋亡。而NF-κB主要通過上調某些凋亡抑制基因表達促進細胞存活[18]。

4 抑制巨噬細胞凋亡或壞死

某些病原菌不能誘導巨噬細胞凋亡或壞死,相反卻可通過抑制其凋亡或壞死的方式將其作為一個保護性屏障,抑制病原菌抗原的釋放,從而抑制抗原呈遞和適應性免疫應答的誘導,最終有利于病原菌在宿主體內播散。Zhang等[19]發(fā)現結核分枝桿菌毒株H37Rv誘導的巨噬細胞凋亡數量明顯少于減毒株H37Ra,因為H37Rv可通過誘導巨噬細胞抗凋亡蛋白Bcl-2的表達抑制細胞凋亡,而該蛋白在H37Ra感染的巨噬細胞中表達下調。這一機制并不僅僅局限于胞內菌。最近有研究證實,典型的胞外菌,即金黃色葡萄球菌可有效抵抗巨噬細胞所介導的殺傷作用[20]。Koziel等[21]發(fā)現該菌可抑制巨噬細胞內的細胞色素C釋放及隨后的caspase-3活化,上調一些如bcl-2和mcl-1抗凋亡基因的表達,而mcl-1又可抑制某些促凋亡基因如bax和bak的表達,最終抑制巨噬細胞凋亡。

5 結語

目前,單核-巨噬細胞與病原菌的相互作用仍是一項具有挑戰(zhàn)意義的研究課題,兩者在長期的較量過程中,相互競爭、相互促進。因此,研究兩者間相互作用機制將有利于探索感染性疾病的發(fā)生、發(fā)展與轉歸,深入了解機體的固有免疫。對于某些目前致病機制尚未明確的病原菌感染,也可分別從以上4個方面入手,逐步探究它們與巨噬細胞的關系。但是,很多病原菌的致病機制十分復雜,并不局限于只與宿主的固有免疫發(fā)生反應,因此還需綜合考慮其他因素的影響。

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