病原菌逃避单核-巨噬细胞杀灭策略的研究进展

罗云蔓,郭晓奎,姜叙诚

1. 上海交通大学医学院病理学教研室,上海 200025; 2. 上海交通大学医学院病原生物学教研室,上海 200025

单核-巨噬细胞(mononuclear macrophage)包括外周血中的单核细胞(monocyte)以及组织内的巨噬细胞(macrophage)。两者均起源于骨髓多能造血干细胞,在骨髓中分化、发育为幼稚单核细胞；然后进一步发育,转变为成熟的单核细胞并入血;在血液内停留12～24 h后穿透血管内皮细胞,进入全身各组织和器官,变成巨噬细胞。因为存在于不同的组织和器官,所以有不同的命名。单核-巨噬细胞具有很强的吞噬能力,可以吞噬异物、病原菌、衰老和突变的细胞等,在机体固有免疫和适应性免疫中均发挥重要作用。处于功能静止期的巨噬细胞称为固着巨噬细胞。当病原菌入侵时,其表面存在一些结构恒定且进化保守的分子结构,统称为病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP),它们可被巨噬细胞表面的模式识别受体(pattern-recognition receptor,PRR)识别并黏附,随后诱导巨噬细胞活化。活化的巨噬细胞在趋化因子作用下,向感染灶聚集,并伸出伪足，包绕病原菌。伪足融合后,病原菌即被摄入细胞内，形成吞噬小体(phagosome),后者在向细胞内部运动的过程中会获得多种水解酶,并通过其膜上的质子泵-ATP酶逐渐酸化而成熟,然后与胞内的溶酶体融合,形成吞噬溶酶体(phagolysosome),最后启动多种途径,如通过活性氧中间物、活性氮中间物以及溶酶体酶等将病原菌降解、杀灭。被降解的病原菌分解产物通过胞吐作用被清除至细胞外。为逃避宿主的免疫清除,病原菌也逐渐进化形成多种有效的防御策略,使自身得以在宿主体内存活并繁殖。在与巨噬细胞相互作用的病原菌中,有的作用较强,如沙门菌、李斯特菌等能够有效地侵袭并进入巨噬细胞,阻断巨噬细胞的某些生理功能,最终将巨噬细胞杀灭而大量播散;有的作用则相对较弱,如分枝杆菌、衣原体属等进入机体后并不激活巨噬细胞,而是通过抑制巨噬细胞的杀菌活性等方式使其得以在巨噬细胞内增殖[1]。病原菌逃避单核-巨噬细胞杀灭的机制可分为以下4个方面。

1 抗巨噬细胞的吞噬作用

巨噬细胞强有力的吞噬功能对病原菌构成了很大的威胁,病原菌可通过逃避吞噬作用而避免其后在胞内被降解和杀灭。这一机制主要通过以下3种方式来实现。

1.1 病原菌利用某些成分作为屏障免于被巨噬细胞识别

荚膜的抗吞噬作用主要与3个因素有关:亲水性、伪装性以及可以屏蔽其内部受调理素作用的成分。肺炎链球菌的荚膜多糖能有效遮蔽自身抗原表位及PAMP,使得巨噬细胞无法识别,从而逃避巨噬细胞的吞噬[2]。金黄色葡萄球菌分泌的凝固酶,可使宿主血浆中的纤维蛋白原转变为固态纤维蛋白,后者包绕在病原菌周围,使得病原菌表面的抗原结构被屏蔽而不能被巨噬细胞识别,从而有效抵抗巨噬细胞的吞噬[2]。肠外致病性大肠埃希菌可表达一种多糖成分——K2荚膜。Buckles等[3]发现K2荚膜等位基因突变株对人血浆中补体成分比野生株更易感,不易在宿主泌尿道和肾脏中定植;而将含有K2荚膜等位基因的质粒导入该突变株后,可恢复其K2荚膜的表达,并增强其在宿主泌尿道存活的能力及对宿主血浆中补体的抗性。其机制在于:K2荚膜可以有效屏蔽该菌表面与血浆补体结合的抗原,从而避免补体介导的巨噬细胞吞噬作用。

1.2 通过抑制补体激活干扰调理作用

当病原菌感染宿主后,机体血浆中的补体C3被激活,产生大量C3b,后者具有特殊结构,一端可黏附病原菌表面,另一端通过巨噬细胞表面相应的受体与之结合,介导巨噬细胞对病原菌的吞噬和杀灭,补体的这一功能称为调理作用[4]。Rooijakkers等[5]提出金黄色葡萄球菌可通过分泌一种补体抑制因子而降低由补体介导的巨噬细胞吞噬作用。Kuo等[6]在研究中发现链球菌致热外毒素B(streptococcal pyrogenic exotoxin B,SPE B)是A群链球菌感染的重要毒力因子,它能降低血浆补体C3的水平,从而抵抗补体的破坏及调理吞噬作用。

1.3 抑制吞噬过程所需的肌动蛋白细胞骨架的重排

巨噬细胞的活动力很强,能借助细胞内的肌动蛋白系统吞噬外来的异物。耶尔森菌是一种革兰阴性菌,当它与宿主细胞(巨噬细胞、树突细胞和中性粒细胞等)接触后,其Ⅲ型分泌装置便将病原菌的效应蛋白注入宿主靶细胞[7]。其中有4种效应蛋白——YopE、YopH、YopT和YopO,能够阻断正常吞噬过程中的肌动蛋白重排,导致巨噬细胞的细胞骨架解离[8],从而降低巨噬细胞的吞噬能力,增强病原菌自身的毒力。

2 抗吞噬溶酶体的降解作用

许多病原菌即使被巨噬细胞吞噬,也依然能引起宿主感染,一个重要的原因就在于它们能抵抗巨噬细胞内吞噬溶酶体的降解作用。

2.1 抑制吞噬小体与溶酶体的融合

化脓性链球菌的M蛋白及M样蛋白能抑制脱颗粒作用以及吞噬小体与溶酶体嗜苯胺蓝颗粒的融合,从而避免被溶酶体降解[9]。布鲁杆菌的脂多糖分为光滑型和粗糙型,主要区别在于前者具有O抗原结构,能使光滑型布鲁杆菌通过被称为脂筏或脂质微结构域的特殊结构进入巨噬细胞,该途径不同于一般的细胞内体途径,不能形成吞噬小体,故不能与溶酶体融合而降解杀菌[10]。而结核分枝杆菌则通过若干机制抑制吞噬小体与溶酶体的融合。Sturgill-Koszycki等[11]发现，结核分枝杆菌被巨噬细胞吞噬后形成的吞噬小体内部pH值较高(6.2～6.3),且缺乏质子泵-ATP酶,故小体内氢离子会逸出,这种非酸化的吞噬小体有利于结核分枝杆菌生存。在巨噬细胞内吞噬小体成熟的初期,早期内体会短暂地形成GTP结合蛋白Rab5,Rab5的累积在磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K)的作用下会导致磷脂酰肌醇-3磷酸(phosphatidylinositol 3-phosphate,PI3P)的生成,后者是膜转运和吞噬小体成熟所必需的。Fratti等[12]发现结核分枝杆菌的一种胞壁成分脂阿拉伯甘露聚糖可抑制PI3P的产生;另外,Vergne等[13]指出结核分枝杆菌还可生成一种磷酸酶SapM,特异性降解已经生成的PI3P。这2种机制共同参与抑制吞噬小体的成熟及其与溶酶体的融合。

2.2 从吞噬小体内逸入细胞质

产单核细胞李斯特菌能分泌李斯特溶菌素O(listeriolysin O),后者属于胆固醇依赖性溶细胞素家族,可在吞噬小体上聚合,使之形成多个孔洞。一方面导致吞噬小体内的氢离子逸出,吞噬小体无法酸化、成熟,不能进一步与溶酶体融合;另一方面也为该菌逸入非酸性的巨噬细胞胞质提供了窗口,使得该菌可逃避溶酶体的降解[14]。

3 诱导巨噬细胞的凋亡或坏死

以上2种病原菌逃避巨噬细胞杀灭的方式是相对被动的,直接诱导巨噬细胞凋亡或坏死则是病原菌强效而主动的对抗方式。虽然目前病原菌诱导巨噬细胞凋亡或坏死的机制尚不十分明确,但推测病原菌的某些毒力因子如内毒素、外毒素、侵袭素、超抗原以及Ⅲ型分泌装置等可能与该机制有关,它们在病原菌逃避宿主的第1道免疫防线中发挥重要作用。此外,凋亡的巨噬细胞还可通过分泌炎症细胞因子来诱发炎症反应,这也是导致感染被严格局限的重要原因。

3.1 毒素

金黄色葡萄球菌能表达2种成孔毒素(pore-forming toxin,PFT),即α溶血素和白细胞毒素。低剂量的成孔毒素与巨噬细胞受体结合后,使钠离子内流。一方面,钠离子的内流可引起细胞内、外离子的失衡,对细胞有一定的毒性;另一方面,钠离子的流入又可导致胞内钙离子浓度增加,后者可作为第二信使诱发巨噬细胞凋亡。而高剂量的成孔毒素会在细胞膜上形成较大的孔道,使钙离子自由进出细胞,对细胞产生较强的毒性作用,使其坏死,从而逃避巨噬细胞的杀伤[15]。Lee等[16]发现痢疾志贺菌和肠出血性大肠埃希菌产生的志贺毒素1(Shigatoxin-1,Stx1)能诱导人急性单核细胞白血病THP-1细胞株凋亡。Stx1一方面可引起巨噬细胞内质网应激反应,使内质网内储存的钙离子释放入胞质,激活蛋白酶calpain,并诱导半胱天冬酶8前体(procaspase-8)的生成,最终激活半胱天冬酶8(caspase-8)和半胱天冬酶3(caspase-3),从而诱导THP-1细胞凋亡;另一方面,Stx1还可上调转录因子C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein, CHOP)的表达,CHOP再通过上调DR5蛋白死亡结构域的表达和下调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达,使THP-1细胞发生凋亡。

3.2 侵袭素

研究表明,对于同一种病原菌,具有侵袭力的菌株往往可诱导巨噬细胞凋亡,而某些不具侵袭力的突变株一般不能引起凋亡。野生型福氏志贺菌产生的侵袭蛋白IpaB与巨噬细胞胞膜上的白细胞介素1β转化酶(interleukin 1β converting enzyme, ICE)或半胱天冬酶1(为一效应性分子,参与执行细胞凋亡[17])结合后可诱导巨噬细胞凋亡。

3.3 Ⅲ型分泌装置

Ⅲ型分泌装置存在于多种病原菌中,是病原菌重要的毒力因子之一。此外,病原菌还能分泌一些无信号肽蛋白,即效应蛋白。当致病菌与宿主细胞接触后,前者可将这些效应蛋白通过该装置转运到宿主细胞内,以改变宿主细胞的功能,最终产生相应的致病效应。耶尔森菌在体内、外均可诱导巨噬细胞发生凋亡,它通过Ⅲ型分泌装置将质粒编码的外膜蛋白YopJ(Yersiniaouter protein J)转运到巨噬细胞胞质中,YopJ再通过抑制丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信号通路诱导巨噬细胞凋亡。而NF-κB主要通过上调某些凋亡抑制基因表达促进细胞存活[18]。

4 抑制巨噬细胞凋亡或坏死

某些病原菌不能诱导巨噬细胞凋亡或坏死,相反却可通过抑制其凋亡或坏死的方式将其作为一个保护性屏障,抑制病原菌抗原的释放,从而抑制抗原呈递和适应性免疫应答的诱导,最终有利于病原菌在宿主体内播散。Zhang等[19]发现结核分枝杆菌毒株H37Rv诱导的巨噬细胞凋亡数量明显少于减毒株H37Ra,因为H37Rv可通过诱导巨噬细胞抗凋亡蛋白Bcl-2的表达抑制细胞凋亡,而该蛋白在H37Ra感染的巨噬细胞中表达下调。这一机制并不仅仅局限于胞内菌。最近有研究证实,典型的胞外菌,即金黄色葡萄球菌可有效抵抗巨噬细胞所介导的杀伤作用[20]。Koziel等[21]发现该菌可抑制巨噬细胞内的细胞色素C释放及随后的caspase-3活化,上调一些如bcl-2和mcl-1抗凋亡基因的表达,而mcl-1又可抑制某些促凋亡基因如bax和bak的表达,最终抑制巨噬细胞凋亡。

5 结语

目前,单核-巨噬细胞与病原菌的相互作用仍是一项具有挑战意义的研究课题,两者在长期的较量过程中,相互竞争、相互促进。因此,研究两者间相互作用机制将有利于探索感染性疾病的发生、发展与转归,深入了解机体的固有免疫。对于某些目前致病机制尚未明确的病原菌感染,也可分别从以上4个方面入手,逐步探究它们与巨噬细胞的关系。但是,很多病原菌的致病机制十分复杂,并不局限于只与宿主的固有免疫发生反应,因此还需综合考虑其他因素的影响。

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