牙龈卟啉单胞菌相关致病因子的研究进展

赵梦楠，刘宗昂，王 舰

(1.中国医科大学 七年制94期，辽宁 沈阳 110001;2.盛京医院 胸外科，辽宁 沈阳 110001;3.中国医科大学病原微生物学教研室，辽宁沈阳 110001)

牙龈卟啉单胞菌作为一种机会致病菌，有脂多糖、荚膜多糖、菌毛、牙龈蛋白酶等一系列致病因子，使牙龈卟啉单胞菌能够侵袭宿主细胞，并逃避免疫系统，从而诱发牙周炎等疾病。本文针对牙龈卟啉单胞菌的各种致病因子的最新研究进行综述。

1 牙龈卟啉单胞菌相关的脂多糖

1.1 脂多糖的作用机制

和其他革兰阴性菌一样，牙龈卟啉单胞菌外表被脂多糖覆盖，使其能够被宿主识别并引发细胞内信号传导。其中Toll样受体(Toll like receptors，TLRs)和CD14是脂多糖常见的信号传导受体，能够辨别共生种属与致病种属。牙龈卟啉单胞菌脂多糖可促进炎症反应与骨质吸收，Hamedi等［1］在体外培养过程中发现脂多糖能够促进单核细胞中的促炎症因子，如 IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-18及TNF-α等的生成。然而，对于牙龈卟啉单胞菌脂多糖在诱导炎症反应中的作用仍存在争议。与其他革兰阴性菌相比，有学者认为其自身刺激宿主产生细胞因子的能力较弱，也有人认为它能够拮抗其他病原体，减弱其刺激宿主细胞产生细胞因子的能力。

1.2 脂多糖的结构

牙龈卟啉单胞菌脂多糖在结构上有其独特的特征。Paramonov等［2］发现牙龈卟啉单胞菌的O抗原具有抗原特异性，并且其酰化作用与脂质A的受体激活能力也具有特异性。大部分革兰阴性菌的脂质A是TLR4反应的强效激动剂，然而牙龈卟啉单胞菌的脂质A在TLR2反应中起主要激动作用，而对TLR4起拮抗作用，抑制免疫反应。牙龈卟啉单胞菌脂质A主要通过四酰基化和五酰基化这两种模式进行异构酰化作用，诱导对宿主的拮抗反应。五酰基化脂质A激动TLR4，而四酰基化脂质A则拮抗TLR4。脂质A酰基化改变依赖于微环境的条件。Al-Qutub等［3］发现，在高铁血红素较多的情况下，五酰基化脂质A将转化为四酰基脂质A。由此可见，脂质A根据微环境的条件改变其结构，从而牙龈卟啉单胞菌脂多糖对其同源TLR受体的亲合力也发生改变，进而影响宿主免疫系统的信号传导。

牙龈卟啉单胞菌还存在着另一种脂多糖—ALPS［4］，它含有一种完全不同的脂质A相关阴离子多糖。A-LPS需要细胞的完整性和血清抵抗。与传统的LPS相比，A-LPS对诱导人类单核细胞产生细胞因子的能力较弱。不过，2种LPS的异构和异质性都可以产生拮抗作用和免疫逃避。这也伴随着对宿主先天性免疫反应的干扰，以便使牙龈卟啉单胞菌能够适应环境并在宿主体内生存。

2 牙龈卟啉单胞菌的荚膜多糖

牙龈卟啉单胞菌的一个主要致病因素是荚膜，即荚膜多糖(capsule polysaccharide，CPS)或K抗原。根据CPS诱导产生IgG的能力，其荚膜至少可分为6种血清型。在小鼠模型中，被荚膜包裹的牙龈卟啉单胞菌表现出很强的侵袭性，引起小鼠全身感染，而没有荚膜的牙龈卟啉单胞菌只引起局限性脓肿。牙龈卟啉单胞菌荚膜虽然引起IgG反应，却降低了牙槽骨的丢失量。与无荚膜的牙龈卟啉单胞菌相比，被荚膜包裹的牙龈卟啉单胞菌对多形性细胞的吞噬作用具有更强的抵抗能力，而且对牙龈上皮细胞具有更强的吸附能力［5］。CPS的血清型能够反映出牙龈卟啉单胞菌刺激巨噬细胞产生趋化因子的能力及刺激树状细胞产生细胞因子的能力。而Brunner等［6］发现一个无荚膜的变异菌株诱导人类牙龈纤维母细胞产生细胞因子的能力比其同源野生株更强，这意味着CPS在逃避先天免疫系统的过程中也起到了一定作用。虽然CPS及其血清型的存在已被证实在牙龈卟啉单胞菌的致病过程中起到决定性作用，但是该抗原在整个宿主反应中起到的潜在作用仍有待明确。

3 牙龈卟啉单胞菌的菌毛

3.1 菌毛的作用机制

牙龈卟啉单胞菌的菌毛很薄，细胞表面的丝状突起增强了其对唾液蛋白、细胞外基质、真核细胞及同类或其他种属细菌的粘附性。牙龈卟啉单胞菌通过菌毛可以粘附于早期增殖的细菌，并参与其生物膜的形成。Ⅰ型菌毛为牙龈卟啉单胞菌的主要菌毛，在细菌的扩散及侵袭中发挥重要作用，而牙龈卟啉单胞菌的次要菌毛—Ⅱ型菌毛，相对具有更强的促炎作用。然而 Inaba等［7］发现W50和W83这2种无菌毛的牙龈卟啉单胞菌在皮下脓肿的实验模型中，也表现出侵袭性。

在牙周炎实验模型中，菌毛的一个特殊的作用是诱导骨质破坏。因此，被有菌毛的牙龈卟啉单胞菌感染的相比被无菌毛的牙龈卟啉单胞菌感染的大鼠模型，其骨质损失的情况更严重。而针对牙龈卟啉单胞菌菌毛的免疫应答具有保护骨质损失的作用。另外，Ⅰ型和Ⅱ型菌毛诱导促炎因子(如 IL-1、IL-6、IL-8、TNF-α 等)和基质金属蛋白酶(matrix Metalloproteinases，MMPs)MMP-9 产物的产生。

3.2 菌毛相关的信号传导通路

牙龈卟啉单胞菌菌毛可以通过TLR2或TLR4进行信号传导。菌毛激活的TLR2通路与脂多糖激活的信号通路不同。菌毛可以直接诱导2个不同的信号通路，一个调节促炎因子产物，如IL-6和TNF-α等;另一个通路调节细胞粘附分子的表达，如细胞间粘附分子-1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)等。另外，TLR4信号通路还需要CD14和MD-2的共同作用［8］。主要菌毛还能激活TLR2信号通路，从而在“由内而外”的信号通路中与补体受体3(CR3)相互作用。这种作用加强了补体CR3的能力，使牙龈卟啉单胞菌在巨噬细胞中内在化，减少IL-12的产物，从而整体上降低了细菌清除率。

4 牙龈卟啉单胞菌的牙龈蛋白酶

牙龈蛋白酶是牙龈卟啉单胞菌中的一组细胞表面半胱氨酸蛋白酶，也具有可溶解的形式。在牙龈卟啉单胞菌所有蛋白水解作用中，蛋白酶的作用占85%。

4.1 牙龈蛋白酶的分型

根据底物特异性可将牙龈蛋白酶分为精氨酸特异型(Arg-X)和赖氨酸特异型(Lys-X)2种分型。Arg-X的作用方式与胰蛋白类似，能够降解细胞外基质，包括整合纤连蛋白、细胞因子、免疫球蛋白和补体因子等。Arg-X蛋白酶又分为2种类型，分别为包含一个水解蛋白作用域和一个黏附作用域的RgpA、只包含水解蛋白作用域的RgpB。Lys-X蛋白酶只有一种类型，即Kgp，既包含水解蛋白作用域也包含黏附作用域。研究表明Kgp和RgpA的黏附作用域的序列有一定相似性［9］。

4.2 牙龈蛋白酶的作用机制

牙龈蛋白酶能够影响免疫系统的分子组成，从而逃避免疫应答。例如，它们能够破坏CD2、CD4、CD8等T细胞受体，从而妨碍细胞介导的免疫应答。它们还能够刺激蛋白酶激活的受体在中性粒细胞、牙龈上皮细胞、牙龈纤维母细胞和T细胞中的表达，这在诱导细胞因子反应和牙周炎慢性炎症中起到决定性作用［10］。牙龈蛋白酶能够刺激口腔上皮细胞产生IL-6，刺激牙龈纤维母细胞产生IL-8，从而促进炎症反应。它还能够通过蛋白水解作用降低抗炎因子(IL-4、IL-5)和促炎因子(IL-12、IFN-γ)的活性。

牙龈蛋白酶对补体系统的组成成分也有一系列影响。Arg-X蛋白酶能破坏C5分子，造成C5a成分的释放，这对于促进多形核中性粒细胞(PMNs)的趋化是至关重要的［11］。Lys-X能使PMNs的C5a受体失活，从而阻碍趋化作用。并且，Arg-X蛋白酶能降解C3分子，有助于降低细菌的调节作用。这种能力增强了牙龈卟啉单胞菌对杀菌物质的抵抗能力。

牙龈蛋白酶除了影响免疫反应外，在牙龈卟啉单胞菌对宿主细胞的粘附作用方面也起到一定作用，如Rgp-Kgp结合体表现出对牙龈上皮细胞和牙龈纤维母细胞的粘附作用。然而，有研究表明，当牙龈卟啉单胞菌在细胞内侵袭牙龈上皮细胞时，牙龈蛋白酶的表达却减少了［12］。

牙龈蛋白酶还能够影响血管通透性，造成牙周出血。它们可以水解血浆中的激肽释放酶和缓激肽，或者选择性地增加凝血酶或促凝血酶的释放，从而增加血管通透性并激活PMN系统。另外，通过降低纤维蛋白原的活性，牙龈蛋白酶有助于阻止血液凝固，增加出血，从而满足牙龈卟啉单胞菌对血晶素(hemin)的需求。

许多研究表明牙龈蛋白酶表现出对先天性免疫反应的抵抗，在牙周炎的发病机理中发挥其作用。然而，牙龈蛋白酶在不同的浓度梯度时发挥的作用可能不同［13］。越接近牙龈上皮组织，牙龈蛋白酶浓度越高，则起到降低免疫系统各成分活性的作用，从而降低细菌清除率，提高细菌的侵袭能力。然而，越深入到牙龈结缔组织中，牙龈蛋白酶浓度越低，对炎症反应则起到促进而非抑制作用，这将破坏牙龈骨组织和结缔组织［14］。

综上所述，牙龈卟啉单胞菌在牙周炎的致病中起到了重要作用，因此越来越多的学者致力于对牙龈卟啉单胞菌的研究，目前已发展到探讨牙龈卟啉单胞菌相关的致病因子及其致病机制的研究。但是牙龈卟啉单胞菌致病因子的具体致病机制尚不完全明了，许多问题仍存在争议，对该菌的研究为牙周炎的预防和治疗开辟了一个新的方向。

［1］ Hamedi M，Belibasakis GN，Cruchley AT，et al.Porphyromonas gingivalis culture supernatants differentially regulate interleukin-1 beta and interleukin-18 in human monocytic cells［J］.Cytokine，2009，45(2):99-104.

［2］ Paramonov NA，Aduse-Opoku J，Hashim A，et al.Structural analysis of the core region of O-lipopolysaccharide of Porphyromonas gingivalis from mutants defective in O-antigen ligase and O-antigen polymerase［J］.J Bacteriol，2009，191(16):5272-5282.

［3］ Al-Qutub MN，Braham PH，Karimi-Naser LM，et al.Hemin-dependent modulation of the lipid A structure of Porphyromonas gingivalis lipopolysaccharide［J］.Infect Immun，2006，74(8):4474-4485.

［4］ Slaney JM，Gallagher A，Aduse-Opoku，et al.Mechanisms of resistance of Porphyromonas gingivalis to killing by serun complement［J］.Infect Immun，2006，74(9):5352-5361.

［5］ Dierickx K，Pauwels M，Laine ML，et al.Adhesion of Porphyromonas gingivalis serotypes to pocket epithelium［J］.J Periodontol，2003，74(6):844-848.

［6］ Brunner J，Scheres N，El Idrissi NB，et al.The capsule of Porphyromonas gingivalis reduces the immune response of human gingival fibroblasts［J］.BMC Microbiol，2010，10:5.

［7］ Inaba H，Nakano K，Kato T，et al.Heterogenic virulence and related factors among clinical isolates of Porphyromonas gingivalis with typeⅡ fimbriae［J］.Oral Microbiol Immunol，2008，23(1):29-35.

［8］ Davey M，Liu X，Ukai T，et al.Bacterial fimbriae stimulate proinflammatory activation in the endothelium through distinct TLRs［J］.J Immunol，2008，180(4):2187-2195.

［9］ Curtis MA，Aduse-Opoku J＆Rangarajan M.Cysteine proteases of Porphyromonas gingivalis［J］.Crit Rev Oral Biol Med，2001，12(3):192-216.

［10］ Fagundes JA，Monoo LD，Euzebio Alves VT，et al.Porphyromonas gingivalis is associated with protease-activated receptor-2 upregulation in chronic periodontitis［J］.J Periodontol，2011，82(11):1596-1601.

［11］ Imamura T，Banbula A，Pereira PJ，et al.Activation of human prothrombin by arginine-specific cysteine proteinases(Gingipains R)from Porphyromonas gingivalis［J］.J Biol Chem，2001，276(22):18984-18991.

［12］Xia Q，Wang T，TaubF，et al.Quantitative proteomics of intracellular Porphyromonas gingivalis［J］.Proteomics，2007，7(23):4323-4337.

［13］Pathirana RD，O'Brien-Simpson NM，Reynolds.Host immune responses to Porphyromonas gingivalis antigens［J］.Periodontology 2000，2010，52(1):218-237.

［14］李红旭，胡德渝.不同溶液中乳过氧化物酶系统对Pg和Fn的影响［J］.微生物学杂志，2005，25(3):14-16.