結(jié)核肉芽腫的研究新進展

李佳，劉冰靨，王德成

(三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

結(jié)核肉芽腫的研究新進展

李佳，劉冰靨，王德成

(三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

結(jié)核病(TB)是結(jié)核分枝桿菌(M.tb)引起的一種危害嚴(yán)重的人獸共患傳染病。機體感染M.tb后，感染的發(fā)展和轉(zhuǎn)歸是宿主的免疫系統(tǒng)和M.tb相互斗爭的結(jié)果，這種斗爭最基本和最主要的病理特征之一是形成肉芽腫。因此，闡明肉芽腫的形態(tài)特點及參與肉芽腫形成的因素，揭示肉芽腫形成的動態(tài)過程，對研究結(jié)核病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律及研發(fā)新的抗結(jié)核藥物具有重大意義。本文對結(jié)核肉芽腫的特點、功能以及參與結(jié)核肉芽腫形成的各種因素進行了綜述。

結(jié)核分枝桿菌；肉芽腫；細(xì)胞因子；致病機制

結(jié)核病(tuberculosis，TB)是結(jié)核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis，M.tb)引起的一種危害嚴(yán)重的人獸共患傳染病。機體感染M.tb后，感染的發(fā)展和轉(zhuǎn)歸是宿主免疫系統(tǒng)和M.tb相互斗爭的結(jié)果，這種斗爭最基本和最主要的病理特征之一是形成肉芽腫。肉芽腫是結(jié)核病病理診斷上的特征性標(biāo)志物。眾多研究已經(jīng)描述了經(jīng)典干酪樣肉芽腫的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點：干酪樣壞死的中心，周圍環(huán)繞著巨噬細(xì)胞、上皮樣細(xì)胞、多核巨細(xì)胞和淋巴細(xì)胞，最外層是成纖維細(xì)胞及其膠原纖維等。近年來，隨著分子生物學(xué)、免疫學(xué)等學(xué)科的發(fā)展及其相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，我們對結(jié)核肉芽腫有了新的認(rèn)識。

1 結(jié)核肉芽腫的結(jié)構(gòu)特點

1.1 結(jié)核肉芽腫多種形態(tài) 早期病理學(xué)家對肉芽腫的描述是干酪樣壞死的中央?yún)^(qū)，周圍伴有增生的上皮樣細(xì)胞和朗漢斯多核巨細(xì)胞(Langhans multinucleate giant cell)，并伴有淋巴細(xì)胞和成纖維細(xì)胞圍繞。現(xiàn)已表明，除了經(jīng)典的干酪樣肉芽腫外，還有非壞死及纖維化的結(jié)構(gòu)[1-2]。干酪樣壞死肉芽腫在活動性結(jié)核和結(jié)核桿菌潛伏感染中都存在，非壞死肉芽腫主要在活動性結(jié)核患者多見，而纖維化肉芽腫主要在潛伏感染時形成。三種不同形態(tài)的肉芽腫如圖1所示。

圖1 肉芽腫的不同形態(tài)(引自Clifton E Barry 3rd,2009[1])

1.2 肉芽腫的結(jié)構(gòu)多樣性 最初研究發(fā)現(xiàn)，雖然分枝桿菌如M.tb或BCG等感染后，在人、猴、豚鼠、家兔、牛、豬及小鼠等均能形成肉芽腫樣結(jié)構(gòu)[3-4]，但其形態(tài)結(jié)構(gòu)卻有明顯差異，主要表現(xiàn)為在小鼠上形成的肉芽腫結(jié)構(gòu)異型性較大，其既無干酪樣壞死，也不能形成鈣化和空洞等；在豬、牛、家兔、猴、豚鼠等動物中能形成較明顯的干酪樣壞死及鈣化的肉芽腫，且以家兔的典型性稍差[4-6]。由于M.tb及BCG對生物安全的要求較高，近年來，一些研究者把與M.tb同源性較高的海分枝桿菌(Mycobacterium marinum，M.m)作為研究結(jié)核分枝桿菌的模式菌株，海分枝桿菌與M.tb的基因和氨基酸同源性分別在99%和85%以上，其天然宿主是斑馬魚等[7]。研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚在感染M.m后能形成典型的干酪樣壞死肉芽腫結(jié)構(gòu)[3，8-11]。

1.3 肉芽腫的低氧特性 Via等[12]通過對小鼠、豚鼠、家兔及猴的肉芽腫結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)在多種結(jié)核病模型中，其肉芽腫結(jié)構(gòu)中能形成典型低氧微環(huán)境；Reece等[13]和Harper等[14]多個課題組分別發(fā)現(xiàn)肉芽腫低氧微環(huán)境對M.tb在宿主體內(nèi)建立潛伏感染及抵御免疫效應(yīng)細(xì)胞的免疫殺傷有重要作用。

2 肉芽腫的形成對宿主和分枝桿菌誰有利？

肉芽腫是分枝桿菌感染過程中出現(xiàn)的一個由多種細(xì)胞聚集形成的慢性炎癥性區(qū)域，一直以來，研究者認(rèn)為肉芽腫是機體控制結(jié)核分枝桿菌感染的保護性結(jié)構(gòu)，并且能限制細(xì)菌在體內(nèi)播散。2009年，Davis等[9]利用斑馬魚胚胎感染模型，證實了肉芽腫的形成有利于細(xì)菌的早期生長和擴散。因此，傳統(tǒng)對肉芽腫功能的界定比較簡單，考慮到其形態(tài)結(jié)構(gòu)的多樣性及不同形成階段，肉芽腫的形成到底是有利于保護宿主，還是更有利于細(xì)菌的潛伏和持續(xù)擴散，還需要進行更多的深入研究[15-17]。

3 參與肉芽腫形成的因子

肉芽腫的形成過程經(jīng)歷了一系列步驟，單核-巨噬細(xì)胞出現(xiàn)或聚集在感染部位，肉芽腫組織中的巨噬細(xì)胞逐漸轉(zhuǎn)化成上皮樣細(xì)胞等。在肉芽腫的形成和維持過程中，宿主和病原體因子的作用如何？目前，很多學(xué)者借助各種轉(zhuǎn)基因技術(shù)和動物模型研究發(fā)現(xiàn)了多種參與肉芽腫形成的因子。

3.1 細(xì)菌中參與肉芽腫形成的因子 有報道表明，分枝桿菌的RD-1區(qū)域作為其毒力因子，能有有效促進肉芽腫的形成，而非致病性分枝桿菌或RD-1缺失株誘導(dǎo)肉芽腫形成的能力顯著降低[8]。繼而有研究證實了分枝桿菌細(xì)胞壁的糖脂成分——Lipomannan也能介導(dǎo)肉芽腫的形成[18]。鑒于分枝桿菌具有龐大的基因組，那么除了RD-1和Lipomannan外，是否還存在著其它能發(fā)揮類似效應(yīng)的毒力成分，需要進一步的研究。

3.2 宿主方面參與肉芽腫形成的因子 雖然眾多研究認(rèn)為肉芽腫的形成對宿主限制分枝桿菌的傳播有利，但具體宿主的哪些成分參與肉芽腫的形成最初并未引起研究者的關(guān)注。轉(zhuǎn)基因動物的出現(xiàn)極大地推動了該方向的研究。

3.2.1 TNF-α在肉芽腫形成過程中的作用 研究表明，TNF-α在限制細(xì)菌播散和對宿主的免疫保護效應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[19]。Kindler等[20]研究發(fā)現(xiàn)TNF-α對BCG感染后誘導(dǎo)肉芽腫的形成是必須的；后來，Keane等[21]和Flynn等[22]課題組分別通過TNF-α拮抗劑infliximab及TNF-α受體轉(zhuǎn)基因小鼠，發(fā)現(xiàn)TNF-α對肉芽腫的形成具有重要意義。Fallahi-Sichani等[23]通過多因素模型計算模擬，進一步證實了TNF-α在肉芽腫形成中的重要作用。后來有學(xué)者用組織學(xué)、免疫組織化學(xué)和FCM等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)拮抗TNF-α后能導(dǎo)致不規(guī)則肉芽腫結(jié)構(gòu)的形成，表明TNF-α在肉芽腫形成過程中對保護肉芽腫的結(jié)構(gòu)及免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)方面具有重要作用[19]。de Noronha等[24]通過對HIV-TB共同感染及TB患者肉芽腫的研究表明，HIV-TB共感染患者不能形成規(guī)則的肉芽腫結(jié)構(gòu)，且其肉芽腫的載菌量遠(yuǎn)高于TB患者；同時也發(fā)現(xiàn)TB患者結(jié)核肉芽腫中TNF-α的表達(dá)量遠(yuǎn)高于HIV-TB共感染患者。這些結(jié)果既直接證實了TNF-α對肉芽腫形成的重要性，也間接表明肉芽腫的形成在宿主限制分枝桿菌的播散中發(fā)揮重要作用。

3.2.2 參與肉芽腫形成的其他因子Yoshida等[25]發(fā)現(xiàn)用BCG感染IL-17A基因敲除小鼠后小鼠不僅表現(xiàn)為易感，且無法在其肺組織中形成肉芽腫，表明IL-17A對肉芽腫的形成不可或缺。Shrivastava等[26]發(fā)現(xiàn)IL-10能介導(dǎo)結(jié)核肉芽腫尤其是多核巨細(xì)胞的形成。Tekippe等[27]通過構(gòu)建Nlrp3及Casp-1基因突變小鼠，發(fā)現(xiàn)NLRP3的接頭蛋白PYCARD對肉芽腫的形成是必需的。

近年來，基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)在肉芽腫的作用得到了研究者的重視[28-30]。MMPs幾乎能降解ECM中的各種蛋白成分，能破壞宿主細(xì)胞的組織學(xué)屏障，在腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移中起關(guān)鍵性作用，被認(rèn)為是該過程中主要的蛋白水解酶。由于宿主的很多細(xì)胞都能釋放MMP-9，MMP-9與細(xì)菌的哪些因子發(fā)生作用及其作用方式尚不清楚。Volkman等[31]用微分干涉差顯微鏡（differential interference contrast microscope）技術(shù)和共聚焦顯微鏡等方法發(fā)現(xiàn)分枝桿菌的ESAT-6分泌蛋白能誘導(dǎo)被細(xì)菌感染的巨噬細(xì)胞周圍的上皮細(xì)胞分泌MMP-9，且MMP-9分泌活化后能夠募集更多的巨噬細(xì)胞參與肉芽腫的形成。同時，也有研究表明MMP-9可能與人對TB的易感性之間有一些內(nèi)在關(guān)聯(lián)[31-32]。Fayyazi等[33]通過原位雜交和免疫熒光等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)肉芽腫的干酪樣壞死與巨噬細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞凋亡密切相關(guān)，證實肉芽腫的形成尤其是干酪樣壞死與細(xì)胞凋亡有關(guān)。近來，有報道表明血紅素加氧酶1(heme oxygenase，HO-1)對宿主抗分枝桿菌感染和肉芽腫形成具有重要作用，Regev等[34]通過HO-1(-/-)小鼠感染鳥分枝桿菌，發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，HO-1(-/-)小鼠肺組織中不能形成較規(guī)則的肉芽腫結(jié)構(gòu)，且細(xì)菌載量較高。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞移動抑制因子(macrophage migration inhibitory factor，MIF)在小鼠等肉芽腫結(jié)構(gòu)中尤其在多核巨細(xì)胞中顯著表達(dá)，提示MIF參與肉芽腫的形成[35]。雖然研究者已從病原體和機體兩方面對肉芽腫的形成過程與機制等開展研究，拓展了我們對肉芽腫的認(rèn)識，但目前對于這一過程的很多環(huán)節(jié)仍所知有限。

4 展 望

分枝桿菌感染機體后能導(dǎo)致多種病理變化，其中最主要的病理特征之一是形成肉芽腫。肉芽腫的形成是病原體-宿主相互作用的結(jié)果，研究肉芽腫的形成及其機制對深入闡明TB的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律具有重要意義。從細(xì)菌角度出發(fā)，分枝桿菌有超過4 000個編碼基因的龐大基因組，因此，除了已報道的RD-1等因子外，鑒定其他參與肉芽腫形成的成分并解析其機制，對揭示分枝桿菌的毒力成分及其致病機理具有重要意義，尤其是對結(jié)核病的早期診斷試劑盒的研制與開發(fā)具有積極的意義。從宿主角度考慮，研究參與肉芽腫形成的細(xì)胞因子及其信號通路，對尋找并發(fā)現(xiàn)新的抗結(jié)核藥物的靶點及其機制具有重要的促進作用。

總之，結(jié)核肉芽腫的形成是病原體和宿主相互作用的動態(tài)過程，肉芽腫在結(jié)核病的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸過程中扮演了雙重角色。從一定程度上講，肉芽腫的發(fā)展和轉(zhuǎn)歸決定著結(jié)核病的病程和感染的最終結(jié)果[16，27，36-38]。隨著對結(jié)核肉芽腫的形成與發(fā)展機制的研究，一些細(xì)胞、分子及多層次多系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究將推動我們對肉芽腫形成的意義與機制方面的深層次理解，拓展我們對結(jié)核病發(fā)病機制的認(rèn)識。

[1]Barry CE,Boshoff H,Dartois V,et al.The spectrum of latent tuberculosis:rethinking the goals of prophylaxis[J].Nature Reviews Microbiology,2009,7(12):845-55.

[2]Ulrichs T,Kosmiadi GA,Trusov V,et al.Human tuberculous granulomas induce peripheral lymphoid follicle-like structures to orchestrate local host defence in the lung[J].Journal of Pathology,2004,204(2): 217-28.

[3]Ramakrishnan L.Revisiting the role of the granuloma in tuberculosis. [J].Nature Reviews Immunology,2012,12(5):352-366.

[4]Young D.Animal models of tuberculosis[J].European Journal of Immunology,2009,39(8):2011-2014.

[5] Gupta UD,Katoch M.Animal models of tuberculosis[J].Tuberculosis,2005,85(5-6):277-293.

[6] Iliopoulos A,Psathakis K,Aslanidis S,et al.Tuberculosis and granuloma formation in patients receiving anti-TNF therapy[J].International Journal of Tuberculosis&Lung Disease,2006,10(5):588-590.

[7]Tobin DM,Ramakrishnan L.Comparative pathogenesis of Mycobacterium marinum,and Mycobacterium tuberculosis[J].Cellular Microbiology,2008,10(5):1027-1039.

[8]Volkman HE,Clay H,Beery D,et al.Tuberculous granuloma formation is enhanced by a mycobacterium virulence determinant[J].Plos Biology,2004,2(11):e367.

[9]Davis JM,Ramakrishnan L.The role of the granuloma in expansion and dissemination of early tuberculous infection[J].Cell,2009,136 (1):37-49.

[10]Tobin DM,Vary JC,Ray JP,et al.The lta4h locus modulates susceptibility to mycobacterial infection in zebrafish and humans[J].Cell, 2010,140(5):717-730.

[11]Volkman HE,Pozos TC,Zheng J,et al.Tuberculous granuloma induction via interaction of a bacterial secreted protein with host epithelium[J].Science,2010,327(5964):466-469.

[12]Via LE,Lin PL,Ray SM,et al.Tuberculous granulomas are hypoxic in guinea pigs,rabbits,and nonhuman primates[J].Infection&Immunity,2008,76(6):2333-2340.

[13]Reece ST,Loddenkemper CAskew DJ,Zedler U,et al.Serine protease activity contributes to control of Mycobacterium tuberculosis in hypoxic lung granulomas in mice[J].Journal of Clinical Investigation, 2010,120(9):3365-3376.

[14]Harper J,Skerry C,Davis SL,et al.Mouse model of necrotic tuberculosis granulomas develops hypoxic lesions.[J].The Journal of Infectious Diseases,2012.205(4):595-602.

[15]Bold TD,Ernst JD.Who benefits from granulomas,mycobacteria or host?[J].Cell,2009,136(1):17-19.

[16]Rubin EJ.The granuloma in tuberculosis--friend or foe?[J].New England Journal of Medicine,2009,360(23):2471-2473.

[17]Silva MM,Breiman A,Allain S,et al.The tuberculous granuloma: an unsuccessful host defence mechanism providing a safety shelter for the bacteria?[J].Clinical&Developmental Immunology,2012, 2012(1):289-301.

[18]Puissegur MP,Lay G,Gilleron M,et al.Mycobacterial lipomannan induces granuloma macrophage fusion via a TLR2-dependent,ADAM9-and beta1 integrin-mediated pathway[J].Journal of Immunology,2007,178(5):3161-3169.

[19]Chakravarty SD,Zhu G,Tsai M C,et al.Tumor necrosis factor blockade in chronic murine tuberculosis enhances granulomatous inflammation and disorganizes granulomas in the lungs[J].Infection&Immunity,2008,76(3):916-926.

[20]Kindler V,SappinoAP,Grau GE,et al.The inducing role of tumor necrosis factor in the development of bactericidal granulomas during BCG infection[J].Cell,1989,56(5):731-740.

[21]Keane J,Gershon S,Wise RP,et al.Tuberculosis associated with infliximab,a tumor necrosis factor alpha-neutralizing agent[J].New England Journal of Medicine,2001,345(15):1098-1104.

[22]Flynn JAL,Goldstein MM,Chan J,et al.Tumor necrosis factor-alpha is required in the protective immune response against mycobacterium tuberculosis in mice[J].Immunity,1995,2(6):561-572.

[23]Fallahi-Sichani M,El-Kebir M,Marino S,et al.Multiscale computational modeling reveals a critical role for TNF-alpha receptor 1 dynamics in tuberculosis granuloma formation[J].Journal of Immunology,2011,186(6):3472-3483.

[24]de Noronha AL,Báfica A,Nogueira L,et al.Lung granulomas from Mycobacterium tuberculosis/HIV-1 co-infected patients display decreased in situ TNF production[J].Pathology Research and Practice, 2008,204(3):155-161.

[25]Okamoto YY,Umemura M,Yahagi A,et al.Essential role of IL-17A in the formation of a mycobacterial infection-induced granuloma in the lung[J].Journal of Immunology,2010,184(8):4414-4422.

[26]Shrivastava P,Bagchi T.IL-10 modulates in vitro multinucleate giant cell formation in human tuberculosis[J].PLoS One,2013,8(10): 377-380.

[27]Tekippe ME,Allen IC,Hulseberg PD,et al.Granuloma formation and host defense in chronic Mycobacterium tuberculosis infection requires PYCARD/ASC but not NLRP3 or caspase-1[J].Plos One, 2010,5(8):1570-1573.

[28]Taylor JL,Hattle JM,Dreitz SA,et al.Role for matrix metalloproteinase 9 in granuloma formation during pulmonary Mycobacterium tuberculosis infection[J].Infection&Immunity,2006,74(11):6135-6144.

[29]Izzo AA,Izzo LS,Kasimos J,et al.A matrix metalloproteinase inhibitor promotes granuloma formation during the early phase of Mycobacterium tuberculosis pulmonary infection[J].Tuberculosis,2004, 84(6):387-396.

[30]Parks WC,Wilson CL,López-Boado YS.Matrix metalloproteinases as modulators of inflammation and innate immunity[J].Nature Reviews Immunology,2004,4(8):617-629.

[31]Volkman HE,Pozos TC,Zheng J,et al.Tuberculous granuloma induction via interaction of a bacterial secreted protein with host epithelium[J].Science,2010,327(5964):466-469.

[32]Sheen P,O'Kane C M,Chaudhary K,et al.High MMP-9 activity characterises pleural tuberculosis correlating with granuloma formation[J].European Respiratory Journal,2009,33(1):134-141.

[33]Fayyazi A,Eichmeyer B,Soruri A,et al.Apoptosis of macrophages and T cells in tuberculosis associated caseous necrosis[J].Journal of Pathology,2000,191(4):417-425.

[34]Regev D,Surolia R,Karki S,et al.Heme oxygenase-1 promotes granuloma development and protects against dissemination of mycobacteria[J].Laboratory Investigation,2012,92(11):1541-1552.

[35]Wang D,Zhou W,Lu S,et al.Increased density of macrophage migration inhibitory factor(MIF)in tuberculosis granuloma[J].Experimental&Molecular Pathology,2012,93(2):207-212.

[36]Gil O,Díaz I,Vilaplana C,et al.Granuloma encapsulation is a key factor for containing tuberculosis infection in minipigs[J].PLoS One,2010,5(4):e10030.

[37]Ehlers S,Schaible UE.The Granuloma in tuberculosis:dynamics of a host-pathogen collusion[J].Frontiers in Immunology,2012,3:411. [38]Gupta A,Kaul A,Tsolaki AG,et al.Mycobacterium tuberculosis:immune evasion,latency and reactivation[J].Immunobiology,2012, 217(3):363-374.

New progress in tuberculosis granuloma research.

LI Jia,LIU Bing-ye,WANG De-cheng.Medical College of China Three Gorges University,Yichang 443002,Hubei,CHINA

Tuberculosis,which caused by Mycobacterium tuberculosis(M.tb),is a serious zoonotic disease.After infected with M.tb,the development and consequence of infection is a dynamic process between the host immune system and M.tb.The outcome of this struggle was presented by granuloma formation.Therefore,the research about granuloma formation and function will benefit us from understanding tuberculosis pathogenesis,as the basic and characteristic pathology of tuberculosis.Moreover,the achievements of granuloma research can give us new perspectives on anti-tuberculosis drugs development.

Mycobacterium tuberculosis;Granuloma;Cytokine;Pathogenesis

R

A

1003—6350（2016）23—3893—04

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.23.035

2016-05-10)

國家自然科學(xué)基金面上項目(編號：31572485)；湖北省自然科學(xué)基金面上項目(編號：2014CFB674)；湖北省衛(wèi)計委青年人才項目(編號：WJ2015Q035)；三峽大學(xué)人才啟動經(jīng)費(編號：KJ2014B023)。

王德成。E-mail：dcwang99@163.com