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    白念珠菌毒力因子及致病機(jī)制研究進(jìn)展

    2018-02-06 16:25:05陸一綸吳嵐唐若愚姜遠(yuǎn)英曹永兵
    中國(guó)真菌學(xué)雜志 2018年2期
    關(guān)鍵詞:水解酶念珠菌生物膜

    陸一綸 吳嵐 唐若愚 姜遠(yuǎn)英 曹永兵,4

    (1.第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)員旅學(xué)員11隊(duì),上海 200433;2.第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院新藥研究中心,上海 200433;3.同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院,上海 210110;4.上海市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院上海市中西醫(yī)結(jié)合脈管病研究所,上海 200082)

    白念珠菌為條件致病性真菌,具有酵母-菌絲雙相型。在正常情況下,白念珠菌作為無(wú)害的共生體駐留在大多數(shù)人身上。當(dāng)機(jī)體的穩(wěn)態(tài)被破壞,白念珠菌可引起從皮膚的淺表感染到危及生命的全身性感染在內(nèi)的各種真菌病。白念珠菌存在于約75%的人體口腔內(nèi),常發(fā)生口腔內(nèi)感染,稱(chēng)為“口腔念珠菌病”(oral candidiasis,OC)[1-2]。約75%婦女一生中至少患有1次外陰陰道念珠菌病 (vulvovaginal candidiasis,VVC)[3-4]。易感人群,移植患者,低體重新生兒及接受放化療的患者更容易因?yàn)榭谇换蜿幍鲤つじ腥灸钪榫l(fā)展成黏膜和全身等嚴(yán)重感染,如口腔炎,陰道炎,血液感染及深部組織感染[5],其中念珠菌血癥最為常見(jiàn)[6]。全身性念珠菌病死亡率仍然很高[7]。由于白念珠菌在臨床上引起的危害,對(duì)其致病機(jī)制以及宿主抵御能力的研究具有重要意義。

    真菌細(xì)胞的內(nèi)在特性及對(duì)一些外界因素的響應(yīng)能力已被證實(shí)對(duì)真菌致病性有一定作用,迄今為止,白念珠菌為條件性致病真菌,其致病機(jī)制尚不明確,目前認(rèn)為白念珠菌感染在不同宿主的感染力受到多種毒力因子和宿主的影響,如酵母菌絲轉(zhuǎn)換、調(diào)解黏附性分子的分泌及對(duì)宿主細(xì)胞的入侵、分泌水解酶類(lèi)、生物膜的形成、聯(lián)系傳感和向觸性等[8]。此外,其他影響因素還包括快速適應(yīng)環(huán)境pH值的波動(dòng),代謝調(diào)整的靈活性,營(yíng)養(yǎng)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和應(yīng)激性反應(yīng)等[9]。在過(guò)去幾年中,隨著研究的深入,人們對(duì)這些因素和機(jī)制在白念珠菌感染中所發(fā)揮的作用有了更多的認(rèn)識(shí)[10]。故本文對(duì)白念珠菌毒力因子的致病機(jī)制及毒力研究所涉及的幾個(gè)方面進(jìn)行綜述。

    1 多態(tài)性

    白念珠菌的多態(tài)性是其主要毒力因子之一。白念珠菌是一種多態(tài)真菌,可以在酵母態(tài),假菌絲態(tài)和菌絲態(tài)三種細(xì)胞形態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換,并可以相互交織存在,形成具有三維立體結(jié)構(gòu)的生物被膜[11]。菌絲形式已被證明比酵母形式更具侵略性。白念珠菌形態(tài)可因受到環(huán)境因素影響[12]及群體感應(yīng)而轉(zhuǎn)換,高細(xì)胞密度 (>107cell/mL)可促進(jìn)酵母態(tài)細(xì)胞的生長(zhǎng),而低細(xì)胞密度 (<107cell/mL)則有利于菌絲態(tài)細(xì)胞的形成。酵母與菌絲生長(zhǎng)形態(tài)的轉(zhuǎn)換學(xué)術(shù)上被稱(chēng)為同種二形性,與真菌的致病性密切相關(guān),一旦形成菌絲,其相關(guān)的毒力因子也會(huì)隨之大量表達(dá),從而提高其致病性[13]。研究表明,菌絲態(tài)白念珠菌可以通過(guò)釋放水解酶來(lái)侵襲宿主的上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞,進(jìn)而造成系統(tǒng)性真菌感染。菌絲除了可以幫助其逃逸被吞噬細(xì)胞的吞噬,還可以通過(guò)穿透上皮表面而到達(dá)更深的組織[14]。

    2 黏附素和侵襲素

    白念珠菌侵襲人體時(shí),菌絲表面黏附素 (Hwp1p)和侵襲素 (Als3p、Ssa1p)會(huì)與宿主上皮細(xì)胞的相應(yīng)受體結(jié)合,促進(jìn)黏附;同時(shí),菌絲尖端分泌水解酶 (Sap2)和溶解素 (Candidalysin),侵襲和破壞宿主上皮細(xì)胞膜的完整性,使細(xì)胞膜通透性增加,減弱宿主細(xì)胞的防御能力[15]。白念珠菌通過(guò)兩個(gè)不同的機(jī)制來(lái)侵入宿主細(xì)胞:誘導(dǎo)性?xún)?nèi)吞作用和積極滲透。誘導(dǎo)性?xún)?nèi)吞作用是指真菌表達(dá)細(xì)胞表面的特殊蛋白-侵襲素,結(jié)合到宿主配體,如上皮細(xì)胞的E-鈣黏素和內(nèi)皮細(xì)胞的N-鈣黏素上,從而誘導(dǎo)被吞沒(méi)的真菌細(xì)胞進(jìn)入宿主細(xì)胞[16-17]。即使是被滅活的菌絲,其誘導(dǎo)內(nèi)吞作用仍存在。說(shuō)明這是一個(gè)被動(dòng)的過(guò)程,不需要真菌細(xì)胞的活動(dòng)。目前,兩個(gè)侵襲素已確定,即Als3和Ssa1。Ssa1是一種細(xì)胞表面表達(dá)的熱休克蛋白70 (Hsp70)家族的成員。als3Δ/Δ和ssa1Δ/Δ突變體會(huì)減少上皮細(xì)胞黏附素和侵襲素的表達(dá),可降低小鼠口咽念珠菌病模型中白念珠菌的毒性。Als3和Ssa1可結(jié)合到宿主的鈣黏蛋白,這可能誘導(dǎo)宿主細(xì)胞對(duì)白念珠菌的內(nèi)吞作用。相比之下,積極滲透是真菌侵染宿主細(xì)胞的一個(gè)主動(dòng)反應(yīng)過(guò)程,需要真正的白念珠菌菌絲。

    白念珠菌有一系列特殊蛋白-黏附素,可調(diào)節(jié)白念珠菌之間及與其他微生物、非微生物、宿主間的黏附力[18]。在生物被膜形成的早期,白念珠菌需要黏附在非生物介質(zhì)的表面,該過(guò)程主要依賴(lài)于細(xì)胞表面的黏附相關(guān)蛋白。其中包括凝集素 (Als)家族中的凝集素樣序列蛋白Als3、Als5以及菌絲細(xì)胞壁蛋白Hwp1、分泌天冬氨酸蛋白酶Sap4、Sap5、Sap6和菌絲相關(guān)蛋白Ece1和Hyr1等。白念珠菌黏附素最好的研究模型是凝集素樣序列 (agglutinin-like sequence,ALS)蛋白,其家族包括Als1-7及Als9。ALS基因編碼糖基磷脂酰肌醇 (glycosylphosphatidylinositol,GPI)樣細(xì)胞表面糖蛋白,其中Als3對(duì)黏附素尤為重要[19]。上述毒力因子相關(guān)的編碼基因表達(dá)與菌絲形成有關(guān),但毒力因子本身不參與菌絲的形成[20]。在體外口腔上皮細(xì)胞與白念珠菌共孵育,以及體內(nèi)陰道感染白念珠菌期間,均可觀察到白念珠菌ALS3基因表達(dá)上調(diào)[21]。研究表明,念珠菌口腔與上皮細(xì)胞混合培養(yǎng),其菌株中均可檢測(cè)到ALS2及ALS3mRNA的表達(dá)[22]。并且ALS在不同的模型中表達(dá)有所差異,但表達(dá)方式無(wú)明顯菌株差異[23]。另一個(gè)重要的白念菌黏附素是Hwp1,與菌絲相關(guān)GPI樣蛋白有關(guān)。Hwp1是哺乳動(dòng)物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的底物,可能通過(guò)共價(jià)鏈接結(jié)合白念珠菌菌絲與宿主細(xì)胞,從而引起白念珠菌感染[24]。研究發(fā)現(xiàn),Hwp1和Als3也與白念珠菌生物膜的形成有關(guān)。獨(dú)立形態(tài)蛋白質(zhì) (independent morphogenetic proteins)也可以促進(jìn)細(xì)胞黏連,包括GPI連接蛋白Eap1、Iff4和Ecm33,非共價(jià)壁相關(guān)蛋白Mp65 (β-葡聚糖酶)、Phr1 (β-1,3葡聚糖轉(zhuǎn)移酶),細(xì)胞表面相關(guān)蛋白酶Sap9、Sap10,以及蛋白質(zhì)Int1整合蛋白樣表面蛋白。

    目前仍不清楚入侵宿主細(xì)胞第二線(xiàn)路的調(diào)節(jié)機(jī)制有哪些,但真菌黏附素和物理阻力 (physical resistance)被認(rèn)為是至關(guān)重要的。天冬氨酸蛋白酶 (Saps)似乎也與積極滲透相關(guān),但脂肪酶和磷脂酶未被證實(shí)有助于這一過(guò)程。因此,白念珠菌侵襲宿主細(xì)胞可能是由互相補(bǔ)充的兩種機(jī)制引起的:由Als3和Ssa1誘導(dǎo)的內(nèi)吞作用以及目前機(jī)制仍不明確的積極滲透作用。

    3 分泌水解酶

    隨著白念珠菌黏附到宿主細(xì)胞表面,并生長(zhǎng)出菌絲,白念珠菌菌絲便會(huì)分泌水解酶,以促進(jìn)白念珠菌通過(guò)內(nèi)吞作用 (類(lèi)似腸致病性細(xì)菌的特許細(xì)胞)及積極滲透 (類(lèi)似植物真菌致病原理)完成主動(dòng)滲透[25]。此外,分泌水解酶還可提高細(xì)胞外營(yíng)養(yǎng)獲取的效率。白念珠菌分泌水解酶分為三種類(lèi)型:蛋白酶、磷脂酶、脂酶。

    天冬氨酸分泌蛋白酶家族 (Saps)由十名成員Sap1-10組成。Sap1-8分泌和釋放到周?chē)橘|(zhì),而Sap9和Sap10可結(jié)合到細(xì)胞表面[26]。在全身感染小鼠模型中,Sap1-3已被證實(shí)可參與損害重組人類(lèi)上皮[27]。最新的研究表明,Saps在白念珠菌的不同致病階段都發(fā)揮重要作用,包括黏附、浸潤(rùn)、上皮損傷和免疫逃避等。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)破壞編碼Saps的基因會(huì)降低白念珠菌損傷陰道和口腔上皮細(xì)胞的能力,從而減少宿主感染[28]。

    磷脂酶家族由A、B、C、D四類(lèi)磷脂酶構(gòu)成[29]。其中B類(lèi)磷脂酶第5名成員PLB1-5位于細(xì)胞外,其通過(guò)破壞宿主細(xì)胞膜,可提高其致病性。在全身感染小鼠模型中,plb1Δ/Δ和plb5Δ/Δ突變已被證明可使白念珠菌毒性減弱[30]。

    脂酶由LIP1-LIP10等10名成員組成。lip8Δ/Δ突變也可降低白念珠菌在全身感染小鼠模型中的毒性,證實(shí)了胞外水解酶在白念珠菌致病性中的作用[31]。

    4 生物膜形成

    生物膜形成是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程,包括酵母細(xì)胞黏附到基底物,酵母細(xì)胞增殖,生物膜上菌絲細(xì)胞成形、細(xì)胞外基質(zhì)材料的積累,以及酵母細(xì)胞最終從生物膜播散[32]。導(dǎo)管、假牙 (非生物)和黏膜細(xì)胞表面 (生物)是最常見(jiàn)的依附底物[33]。與浮游細(xì)胞比較,成熟的生物膜對(duì)抗菌藥和宿主免疫系統(tǒng)有更強(qiáng)的抵抗力[34]。其影響因素包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物膜、生物膜基質(zhì)、藥物外排泵 (drug efflux pumps)的表達(dá)增加及代謝可塑性 (Metabolic plasticity)的增強(qiáng)。成熟生物膜的酵母細(xì)胞播散已被證實(shí)有直接毒力作用,播散細(xì)胞在感染小鼠模型中的毒力更強(qiáng)[35]。Hsp90是一種負(fù)責(zé)各種宿主蛋白穩(wěn)定性的熱休克蛋白,其通過(guò)穩(wěn)定蛋白磷酸酶鈣調(diào)磷酸酶和MAPK Mkc1,在蜉蝣狀態(tài)下,產(chǎn)生并維持白念珠菌生物膜的耐藥性。Hsp90亦可以通過(guò)抑制cAMP-PKA信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)與溫度相關(guān)的白念珠菌的形態(tài)變化。此外,Hsp90亦是生物膜對(duì)抗真菌藥物產(chǎn)生抗性所必需的。

    轉(zhuǎn)錄因子Bcr1,Tec1,Efg1可控制生物膜的形成[36]。Nobile 等研究轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)對(duì)生物膜形成的調(diào)節(jié)以及生物膜生產(chǎn)調(diào)節(jié)器,其影響因素包括Ndt80 Rob1和Brg1。已有研究表明,BCR1,TEC1,EFG1,NDT80,ROB1及Brg1中任何一個(gè)調(diào)節(jié)因子的刪失,都會(huì)導(dǎo)致活鼠感染模型中白念珠菌生物膜形成的缺陷[37]。

    細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生由另外的因素控制。鋅反應(yīng)性轉(zhuǎn)錄因子Zap1可負(fù)調(diào)節(jié)生物膜基質(zhì)的主要成分β-1,3葡聚糖。葡萄糖淀粉酶Gca1和Gca2,葡聚糖轉(zhuǎn)移酶Bgl2和Phr1,以及外切葡聚糖酶Xog1是β-1,3葡聚糖的正調(diào)節(jié)器。雖然GCA1和GCA2的表達(dá)受Zap1控制,但酶Bgl2、Phr1和Xog1可不依賴(lài)Zap1起調(diào)節(jié)作用。缺乏BGL2、PHR1或XOG1的生物膜在體外和體內(nèi)均對(duì)氟康唑更敏感。此外,最近的研究表明,白念珠菌生物膜對(duì)中性粒細(xì)胞的殺傷具有抵抗性,且不引發(fā)活性氧 (ROS)產(chǎn)物。有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明,細(xì)胞外基質(zhì)中的β-1,3-葡聚糖可以結(jié)合更多的氟康唑,降低其對(duì)抗真菌藥物的敏感性[38]。

    5 傳感和向觸性

    低氧、缺乏營(yíng)養(yǎng)及滲透壓增高等環(huán)境因素對(duì)真菌生長(zhǎng)具有非常重要影響,接觸傳感也是一個(gè)重要的環(huán)境信號(hào)。真菌通過(guò)與物質(zhì)表面接觸了解周?chē)h(huán)境情況,并可觸發(fā)菌絲以及白念珠菌生物膜的形成。白念珠菌的傳感性同時(shí)會(huì)導(dǎo)致侵入性菌絲的形成,這些菌絲穿透并在基礎(chǔ)材料內(nèi)生長(zhǎng),其可以是宿主組織或?qū)嶒?yàn)室培養(yǎng)基。在宿主內(nèi),穿透性菌絲可到達(dá)血流,成為全身系統(tǒng)性感染的傳播基礎(chǔ)。

    向觸性是指人類(lèi)致病真菌如白念珠菌重新定位菌絲長(zhǎng)軸以適應(yīng)潛在的表面形貌。在某些具有特定拓?fù)浔砻娴幕|(zhì)上 (如脊線(xiàn)),可能會(huì)發(fā)生定向菌絲的生長(zhǎng)。Brand等人研究發(fā)現(xiàn),白念珠菌菌絲向觸性是由細(xì)胞外鈣吸收的鈣通道Cch1、Mid1和Fig1調(diào)節(jié)的[39]。其他調(diào)節(jié)機(jī)制還包括Rsr1極體/Bud1-GT酶[40]。實(shí)驗(yàn)室中可以檢測(cè)白念珠菌的向觸性反應(yīng),例如在人造物表面或者含有脊結(jié)果,白念珠菌附著胞生長(zhǎng)可被誘導(dǎo)、重新取向。MS通道可被釓劑抑制,經(jīng)過(guò)Gd3+處理菌絲生長(zhǎng)而被抑制,表明白念珠菌MS通道會(huì)影響菌絲的向觸性。與此觀點(diǎn)一致的研究結(jié)果是,編碼白念珠菌MS通道成分的MID1基因的缺失,可導(dǎo)致其向觸性的降低 (在脊處重新定向的能力)。

    6 小 結(jié)

    理解白念珠菌的致病機(jī)制對(duì)發(fā)展新型抗真菌藥物、診斷疾病至關(guān)重要。經(jīng)典的抑菌及抗真菌藥物旨在殺死病原微生物。然而,專(zhuān)門(mén)針對(duì)毒性因素治療方案已被建議作為一個(gè)新的和有前途的抗真菌策略。一些毒力因素,如多態(tài)性、蛋白酶的分泌、侵襲素的表達(dá),被認(rèn)為是有研究?jī)r(jià)值的目標(biāo)。因此深入研究白念菌致病機(jī)制和感染宿主的相關(guān)分子機(jī)制可為白念珠菌及其他病原微生物發(fā)病機(jī)制的研究、臨床診斷和治療提供依據(jù)。

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