宿主導向的抗結(jié)核藥物靶點研究進展

郭雪穎,張志芳,萬珈旭,高 妍,陳 祥,,徐正中,,焦新安,

由結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis,M.tb)感染引起的結(jié)核病是一種重要的人獸共患病,世界衛(wèi)生組織在其發(fā)布的《2022全球結(jié)核病報告》中指出,2021年全球新發(fā)結(jié)核病患者1 060萬,約160萬人死于結(jié)核病,結(jié)核病的發(fā)病率在20年間首次出現(xiàn)上升[1],結(jié)核病仍然是一個威脅全球公共衛(wèi)生的重大問題。隨著耐多藥結(jié)核病(MDR-TB)和廣泛耐藥結(jié)核病(XDR-TB)的出現(xiàn),結(jié)核病正在發(fā)展成為一種嚴重的難以治愈的疾病。盡管在過去的十年中,一些新的抗生素已經(jīng)被批準用于治療MDR-TB和XDR-TB,包括貝達喹啉、德拉馬尼、利奈唑胺和普瑞瑪尼[2]。但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了M.tb對這些藥物產(chǎn)生的耐藥性突變,而且這些藥物可能對持久性結(jié)核病沒有顯著效果。因此,迫切需要通過開發(fā)新的藥物作用靶點來發(fā)現(xiàn)新的抗結(jié)核病藥物,為結(jié)核病的控制提供有效的支持。

本文綜述了當前主要開發(fā)的藥物靶點,包括靶向M.tb的組分生物合成,如細胞壁生物合成、蛋白質(zhì)合成、DNA合成和鐵載體合成等,以及新發(fā)現(xiàn)的免疫代謝途徑相關的靶點,包括能量代謝、脂類代謝和中心碳代謝途徑等。全面了解M.tb的藥物靶點可以為開發(fā)更安全和更有效的藥物提供廣泛的見解,并可能為結(jié)核病控制和治療提供新的思路。除了概述藥物靶點,我們還重點對利用HDT來治療結(jié)核病的方法進行了總結(jié)。與直接針對病原體M.tb不同,HDT是一種通過適當調(diào)節(jié)宿主免疫反應來治療結(jié)核病的方法[3],以宿主對感染的反應為目標,并且與直接針對病原體的抗結(jié)核藥物相比,HDT更不易產(chǎn)生治療耐藥性[4]。HDT治療結(jié)核病的發(fā)展主要集中在兩種途徑:一種是調(diào)節(jié)宿主炎癥途徑,以減輕過度炎癥和肺組織損傷,保護肺功能;另一種是增強宿主抗M.tb感染的免疫效應機制,以控制M.tb感染[5]。最后,HDT與當前抗結(jié)核藥物方案的聯(lián)合使用可以縮短耐多藥結(jié)核病的治療時間,取得更好的治療結(jié)果,減少復發(fā)或再次感染的機會,并有助于實現(xiàn)世界衛(wèi)生組織到2035年結(jié)束全球結(jié)核病流行的宏偉目標[6]。

1 結(jié)核分枝桿菌組分合成和代謝相關藥物靶點

更好地了解M.tb的生物學特性將有助于促進新型抗結(jié)核藥物的開發(fā)。在這一視角下,我們對M.tb生長所必需的組分進行了分析,這些組分的生物合成涉及多個步驟和途徑,需要多種酶的活性,因此提供了豐富的潛在藥物靶點[7]。目前,參與M.tb細胞壁生物合成相關的靶點包括:M.tbMur酶[8]、L-D轉(zhuǎn)肽酶[9-10]、GlcNAc-1-P轉(zhuǎn)移酶(WecA)[11]等。另一個蛋白質(zhì)合成所需的目標是Leucyl-tRNA合酶(LeuRS),它在細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運中發(fā)揮重要作用[12]。M.tbDNA復制過程中一個重要的蛋白質(zhì)靶點是DNA回旋酶,它是維持DNA超螺旋和染色體復制所必需的酶[13]。M.tb通過產(chǎn)生分枝桿菌素類鐵載體來獲取鐵,鐵載體的產(chǎn)生對M.tb的毒力也很重要[14]。在M.tb中,鐵依賴調(diào)節(jié)蛋白(Iron-dependent regulator protein,IdeR)控制鐵載體的合成[15]。此外,靶向M.tb細胞質(zhì)的鐵螯合劑也是一種抑制M.tb生長的方法[16]。

同時,M.tb的代謝途徑也是藥物開發(fā)的新靶點,代謝途徑中的每一步都被驗證為M.tb生存的基本功能。M.tb的代謝狀態(tài)也是藥物耐受性的一個特異性決定因素[17]。近年來,M.tb的能量代謝,特別是氧化磷酸化途徑,對復制和非復制M.tb的生存能力至關重要[18],其中包括3個重要的藥物靶點:II型NADH脫氫酶(NDH-2)、細胞色素bcc復合體和ATP合酶。而脂質(zhì)代謝和中心碳代謝,它們都是M.tb致病性的關鍵決定因素[19-20]。迄今為止,參與M.tb脂肪酸生物合成的幾種酶β-酮酰-ACP合成酶Ⅲ(FabH)、烯?；d體蛋白還原酶(INHA)、β-酮?；鵄CP合酶(KasA)[21]和β-酮酰基ACP合酶(KasB)[21]正在作為藥物靶點進行研究。在缺乏碳水化合物的情況下,大多數(shù)微生物使用乙醛酸循環(huán)在脂肪酸或乙酸上生長[22],這引起了人們對乙醛酸分流器的酶:異檸檬酸裂解酶(ICL)[12]和蘋果酸合成酶[23]作為靶標的興趣。因此,針對M.tb組分生物合成和免疫代謝途徑可能為未來的研究和可能的藥物靶點開辟新的途徑。

2 宿主導向治療的抗結(jié)核藥物靶點

與當前常規(guī)的結(jié)核病治療方法相比,靶向宿主因子已經(jīng)成為新的結(jié)核病治療方法,稱為宿主導向治療。HDT是一個新興領域,針對的是宿主免疫應答機制,可能是一種有吸引力的策略來恢復或增強宿主的免疫防御機制[24]。HDT的目標是最大限度地殺滅細菌,在使用傳統(tǒng)抗結(jié)核藥物的同時盡量減少肺部的炎癥和病理組織損傷[25]。目前HDT主要靶向M.tb誘導的一系列宿主免疫反應,如肉芽腫形成、自噬、炎癥應答、宿主的新陳代謝和細胞內(nèi)的殺傷機制等。

2.1 靶向肉芽腫形成過程 作為結(jié)核病進展過程中最顯著的病理特征,肺部肉芽腫的形成是由分枝桿菌和肺部的宿主因子共同驅(qū)動的,被認為是M.tb感染過程中免疫發(fā)病機制的中心。M.tb在肉芽腫中長期存在的能力增加了M.tb利用肉芽腫作為安全庇護所的可能性,因此抑制肉芽腫形成可能成為治療結(jié)核病的一種有效的HDT方法[6]。有證據(jù)表明,基質(zhì)金屬蛋白酶(Tissue-degrading matrix metalloproteinases,MMPs)是降解和調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)的酶,能夠促使新的巨噬細胞招募到肉芽腫中[24],在肉芽腫的發(fā)展中十分關鍵[26],特別是MMP-1、-3和-9,是結(jié)核病相關肺損傷的主要驅(qū)動因素[27-28]。通過抑制多種MMPs可以避免組織降解,減少結(jié)核病期間肺組織的破壞,因此抑制MMPs活性是一種有前途的HDT策略[29]。MMPs抑制劑在臨床前的研究很有前景,但在癌癥的III期臨床試驗中遭遇失敗,主要原因是其嚴重的副作用,缺乏靶向特異性,以及對MMPs在疾病中的功能認識不足[30-31]。目前高特異性的第3代MMPs抑制劑的開發(fā)可能會緩解這些脫靶效應,所以它仍然是有希望的候選藥物。有報道顯示,趨化因子腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor α,TNF-α),在肉芽腫形成和維持其完整性中起著關鍵作用[32],是誘導巨噬細胞殺傷活性所必需的物質(zhì),是結(jié)核病肺損傷的重要驅(qū)動因素。抑制TNF-α會破壞肉芽腫的完整性,進而增強抗結(jié)核藥物的反應并改善肺部病理情況,并且抑制TNF-α活性已成功用于治療炎癥性疾病[33],因此阻斷TNF-α的活性已被探索為一種潛在的宿主導向治療結(jié)核病的方法[34]。然而,使用TNF-α抑制劑的安全風險也已在人體研究中得到證實,在慢性炎癥疾病中接受TNF-α抑制劑的患者可能會出現(xiàn)結(jié)核病的再激活[24]。因此,還需要更多的研究來提高TNF-α抑制劑的安全性。此外,M.tb感染導致宿主血管系統(tǒng)重構(gòu),在肉芽腫周圍生成新的血管。然而,結(jié)節(jié)性肉芽腫的血管系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和形態(tài)上都異常,這有利于分枝桿菌的生存和生長,因此抑制血管生成是HDT的一個重要的靶點。血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF),它促進異常的血管生成并導致缺氧微環(huán)境,通過抑制VEGF可促進血管結(jié)構(gòu)正?；p少缺氧,促進現(xiàn)有抗結(jié)核藥物的滲透和療效,并有可能縮短結(jié)核病的治療時間[35-36]。通過體外刺激試驗測量潛伏感染肺結(jié)核的成人和兒童血液中的VEGF水平,表明VEGF可能提供一個向活動性肺結(jié)核疾病進展的潛在生物標志物[37]。

2.2 靶向自噬途徑 在細胞內(nèi)存在M.tb的情況下,自噬作為一種先天防御機制被啟動,巨噬細胞利用自噬來限制M.tb的復制和生存,并將抗原呈現(xiàn)給其他免疫細胞。但M.tb駐留在巨噬細胞的吞噬小體中并進行復制,通過抑制吞噬小體融合來逃避自噬,從而增加其存活率,因此誘導自噬將是一個有吸引力的HDT策略。自噬誘導的一種方式是抑制表皮生長因子受體(EGFR)介導的酪氨酸激酶信號級聯(lián)[32],當給予EGFR抑制劑時,能夠降低巨噬細胞和小鼠模型中M.tb的生長和復制,因此,通過抑制EGFR激活自噬可能是一種有希望的HDT途徑[29]。另一個可能的靶點是NAD+依賴的組蛋白去乙?；竤irtuin 1(SIRT-1),最近被證明在M.tb感染期間下調(diào),但對控制細菌復制很重要[38]。SIRT-1激活劑可誘導吞噬溶酶體融合和自噬,限制M.tb在體內(nèi)和體外的生長[39]。最近的研究報道顯示,一些模式識別受體(Pattern recognition receptors,PRRs)如Toll樣受體,能夠激活自噬,提高宿主對病原體的防御[3],并且PRRs可以識別分枝桿菌表達的病原體相關分子模式,以啟動吞噬作用[26,40]。M.tb逃避和調(diào)節(jié)PRRs信號以促進允許性巨噬細胞的招募,并操縱宿主適應性免疫應答[39],因此將PRRs定位為潛在的HDT靶點可以對抗M.tb感染。研究表明,哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin,mTOR)是自噬的負調(diào)控因子[41],通常mTOR在細胞應激(即缺氧和饑餓)條件下失活,從而誘導自噬[35],增加巨噬細胞對抗M.tb感染的能力[42],因此,治療結(jié)核病的主要策略之一是直接抑制mTOR的活性。另外,腺苷一磷酸活化蛋白激酶(AMPK)是一種關鍵的代謝和能量調(diào)節(jié)因子,大量研究表明AMPK信號通路在自噬激活中具有積極作用,激活的AMPK通過抑制mTOR(自噬誘導的抑制因子)或激活自噬啟動因子ULK1/2來促進自噬[43-45]?？偠灾?盡管誘導自噬對抗結(jié)核病的HDT具有潛在的優(yōu)勢,但關于自噬激活增強宿主細胞中對M.tb復制限制的詳細分子機制仍存在許多挑戰(zhàn),值得我們深入探究。

2.3 靶向炎癥反應 炎癥應答是免疫系統(tǒng)清除病原體和修復受損組織的一種防御機制,調(diào)節(jié)炎癥過程也可能為耐藥結(jié)核病的治療提供理想的方法[37]。由于宿主促炎反應和抗炎反應之間的平衡對分枝桿菌的控制和肺部病理都至關重要,因此通過HDT靶向炎癥反應成為一種有效的治療策略。例如,宿主炎癥平衡受到脂質(zhì)A4(Lipoxin A4,LXA4)和白三烯B4(Leukotriene B4,LTB4)水平的影響,LXA4的升高有助于維持炎癥平衡,并在控制結(jié)核病進展中發(fā)揮關鍵作用,而LTB4則會引起過度炎癥并增加疾病的嚴重程度[32,29]。因此,促進LXA4的產(chǎn)生,進而抑制中性粒細胞的遷移和TNF-α的產(chǎn)生,能夠調(diào)節(jié)M.tb感染過程中的炎癥性肺部病理,提高治療效果[46]。另外,前列腺素E2(Prostaglandin E2,PGE2),可以防止壞死和巨噬細胞凋亡[47],能夠同時影響炎癥反應和抗炎反應,并抑制分枝桿菌的吞噬和殺傷[3]。PGE2和LTB4分別是免疫抑制因子和免疫刺激因子,它們之間的平衡在消除M.tb而不損害組織方面十分重要[26],結(jié)核病患者PGE2/LTA4(LTA4是LTB4的前體)比值普遍降低,因此加強PGE2信號轉(zhuǎn)導或阻斷LTA4/LTB4的產(chǎn)生,都能改善宿主生存質(zhì)量,同時減少M.tb感染小鼠的細菌負荷和肺損傷[48]。而其他參與調(diào)節(jié)炎癥反應的物質(zhì),包括細胞因子(如IL-10)和骨髓源性抑制細胞(MDSCs)[27],都能減弱炎癥反應,控制結(jié)核病的進展。

2.4 靶向新陳代謝途徑 免疫代謝是定義宿主和M.tb病原體之間密切關系的關鍵特征之一,明確了解這些相互作用對于限制結(jié)核病的發(fā)展至關重要[49]。M.tb利用宿主的新陳代謝,來逃避免疫監(jiān)視,調(diào)節(jié)各種反應,破壞宿主的活動,以促進其自身的生存。因此,靶向宿主的新陳代謝可能是一種根除M.tb有效的新型HDT途徑。在一項研究中,糖酵解條件下的環(huán)境有利于M.tb的生長,抑制糖酵解降低了M.tb的生存能力,并導致ATP消耗誘導巨噬細胞凋亡[26]。乳酸脫氫酶A(lactatedehydrogenase,LDHA),在糖酵解過程中將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸[4],抑制LDHA可以減少細菌負荷和肉芽腫壞死病變的發(fā)展,表明LDHA在疾病驅(qū)動中的重要作用,并作為HDT的潛在靶點[6,50]。另外,膽固醇是體內(nèi)M.tb的首選碳源[40],膽固醇的合成可產(chǎn)生維持M.tb生長所需的脂滴成分(lipid droplets,LD)[47],M.tb可以利用宿主膽固醇維持持續(xù)的慢性感染[24],因此,抑制膽固醇生物合成途徑被認為是一種保護宿主免受M.tb感染的HDT。通過促進吞噬小體成熟,降低吞噬體膜內(nèi)的膽固醇水平,進而激活宿主誘導的自噬,自噬通過將儲存在LD中的膽固醇酯傳遞到溶酶體來抑制LD積累,從而促進脂質(zhì)分解代謝,提高結(jié)核病的治療效果[13,25,47]。而微量營養(yǎng)素,如維生素,在宿主抗菌免疫中的作用已引起越來越多的關注。由于維生素D在自噬過程中是必需的,它被認為是抗真菌宿主防御的必要物質(zhì),因此是一種有趣的HDT候選物質(zhì)[32]。除了通過多種作用(包括自噬誘導)上調(diào)先天免疫功能外,維生素D還通過下調(diào)促炎細胞因子和趨化因子的產(chǎn)生、增加抗炎細胞因子的產(chǎn)生和干擾T細胞反應來調(diào)節(jié)炎癥宿主反應[25]。此外,維生素B1和B5通過調(diào)節(jié)宿主的促炎反應參與M.tb感染的控制[3]。

2.5 靶向細胞內(nèi)殺傷機制 活性氧和活性氮的產(chǎn)生與調(diào)控 氧化和亞硝化應激在巨噬細胞的細菌清除中起著至關重要的作用,宿主細胞通過NADPH氧化酶2(NOX2)和誘導型一氧化氮合酶2(iNOS)分別觸發(fā)活性氧(ROS)和活性氮(RNS)的產(chǎn)生[26]。在吞噬小體中,ROS和RNS修飾脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸,最終導致M.tb死亡[39,51]。盡管ROS的產(chǎn)生及其調(diào)控的關鍵平衡對宿主抵抗分枝桿菌感染很重要,但將ROS作為HDT策略調(diào)節(jié)需要仔細監(jiān)測,因為過量的ROS會導致氧化應激和伴隨的壞死[52],因此,不影響細胞死亡的ROS和iNOS誘導物是治療結(jié)核病的一種有前途的HDT方法。此外,在M.tb感染期間,與野生型小鼠巨噬細胞相比,蛋白激酶R(protein-kinase R,PKR)缺陷的巨噬細胞誘導了更高水平的iNOS[26]。小鼠中PKR的缺失使細胞內(nèi)M.tb感染的控制得到改善,突出了PKR作為HDT靶標的潛力[53]。

綜上所述,新型HDT可以通過增強現(xiàn)有抗分枝桿菌藥物的效果、針對新機制、繞過耐藥性或縮短治療時間來幫助治療MDR-TB和XDR-TB。但通過HDT治療結(jié)核病仍存在一些潛在缺陷,包括潛在的靶外效應、藥物-藥物相互作用和相關的副作用,這些局限性需要在未來的臨床前和臨床研究中進一步研究[6]。并且,目前的知識和臨床證據(jù)仍不足以將HDT分子作為一種獨立的、沒有輔助抗生素的治療方式來治療人類任何形式的結(jié)核病。

3 結(jié) 語

在世界上許多地區(qū),耐藥結(jié)核病是控制和消除結(jié)核病的重大挑戰(zhàn),為了有效控制結(jié)核病的流行,為藥物敏感和耐藥結(jié)核病開發(fā)新的治療方案至關重要。新的分枝桿菌靶點在不斷出現(xiàn)。本文所述的分枝桿菌新靶點不僅出現(xiàn)在細胞壁合成、蛋白質(zhì)合成和DNA/RNA合成等經(jīng)典途徑中,還出現(xiàn)在分枝桿菌的新途徑中,如分枝桿菌的各種代謝途徑,這些途徑都是近年來抗結(jié)核藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的研究熱點。在未來,我們應該尋找更合理有效的靶點,開發(fā)更有效和更安全的抗結(jié)核藥物,特別是針對耐多藥結(jié)核病和廣泛耐藥結(jié)核病的藥物。最后,宿主導向治療還為耐藥結(jié)核病的治療提供了一種有吸引力的策略,HDT通過調(diào)節(jié)宿主免疫應答,能夠減少肺部病理并改善結(jié)核病治療的未來。HDT結(jié)合現(xiàn)有的結(jié)核病藥物可以縮短治療時間,并通過減少耐藥菌株的出現(xiàn)獲得更好的治療結(jié)果。雖然目前可獲得的大多數(shù)證據(jù)來自臨床前研究,但正在進行的臨床試驗將有助于評估HDT候選藥物的安全性和有效性,為引入HDT作為結(jié)核病的輔助療法鋪平道路。盡管取得了重大進展,但仍需有效應對耐多藥和廣泛耐藥結(jié)核病的挑戰(zhàn)。

利益沖突：無