脑膜炎性病原菌破坏血脑屏障机制的研究进展

郭文斐，黄晶，雷连成

(1吉林大学第一医院，长春130021；2吉林大学动物医学学院)

细菌性脑膜炎是好发于儿童的中枢神经系统急性感染性疾病，常由化脓性细菌感染所致，又称为化脓性脑膜炎。引起细菌性脑膜炎常见的病原菌主要有脑膜炎奈瑟菌、肺炎链球菌、B组流感嗜血杆菌、大肠杆菌K1、无乳链球菌、金黄色葡萄球菌、产单核李斯特菌、肺炎克雷伯菌等。尽管预防细菌性脑膜炎的疫苗研制已取得了很大的进展，但细菌性脑膜炎在全球范围内仍有较高的发病率和病死率，并且幸存者中有50%左右会发生永久性神经系统后遗症[1]，如脑损伤、癫痫、失聪以及视力变化等。血脑屏障(BBB)作为中枢神经系统的重要屏障，对维持脑内微环境的稳定至关重要，BBB完整性的破坏是病原菌入侵中枢神经系统引起细菌性脑膜炎的重要环节。近年来，关于细菌性脑膜炎发病的分子机制研究已有了长足的进展，本研究就病原菌破坏BBB完整性机制的研究进展作一综述。

1　BBB的结构与功能

BBB主要由脑的微血管内皮细胞及其细胞间的紧密连接、完整的基膜、周细胞以及星形胶质细胞终足围成的神经胶质膜组成，其中脑微血管内皮细胞在细菌性脑膜炎的发生发展过程中发挥重要作用。脑微血管内皮细胞与其他内皮细胞的不同之处在于前者具有复杂的紧密连接结构，缺乏细胞孔并且缺少跨膜转运的囊泡，正常情况下异物难以通过屏障结构进入脑组织。构成紧密连接的蛋白主要包括闭合蛋白occludin、闭合蛋白claudin、细胞选择性黏附分子等，它们通过胞质蛋白与细胞骨架相连[2]。BBB独有的这些特点有效阻止了有害物质由血液进入脑组织，维持了中枢神经系统的正常生理状态。

2　BBB在脑膜炎中的变化

尽管BBB的结构紧密，但在某些情况下仍会有少数病原菌可以突破宿主细胞屏障到达中枢神经系统，引起脑膜炎。根据脑组织的结构推测，病原菌入侵的位置可能在脉络丛、中枢神经系统屏障或硬脑膜静脉窦的蛛网膜绒毛处。其中，病原菌与BBB的相互作用最为重要。在1例爆发性紫癜患者的尸检报告中发现，脑膜炎奈瑟菌通过与BBB的多种成分直接作用进入脑组织[3]。在大肠杆菌K1引起的新生儿脑膜炎的鼠模型中发现，病原菌主要定植在软脑膜外的脑微血管内皮细胞周围[4]。细菌要想成功穿越BBB，需要满足以下几方面的条件：持续高浓度的菌血症，细菌的黏附聚集，相关信号通路的激活等。病原菌黏附在脑微血管内皮细胞表面后，可释放出毒力因子，破坏内皮细胞之间的紧密连接，或通过胞吞转运作用直接进入内皮细胞内，使得BBB通透性增加，病原菌及其有害物质更易进入脑组织。McLoughlin等[5]在感染金黄色葡萄球菌的人脑微血管内皮细胞的体外模型中发现，病原菌可有效黏附在内皮细胞表面，并使得BBB通透性增加。同时，机体的抗感染免疫开始发挥作用，吞噬细胞(如粒细胞和单核细胞/巨噬细胞)被刺激，转录因子NF-κB被激活，脑组织发生一系列炎症反应。机体分泌的趋化因子(如CXCL8、CCL3、CCL2等[6])与其他代谢产物(如活性氧和氮物质等)以及补体系统共同作用募集高度活化的多形核中性粒细胞(PMN)，于内皮细胞的紧密连接处穿过BBB，导致脑脊液细胞增多。在大肠杆菌K1感染的研究中发现，病原菌在PMN和巨噬细胞中的存活和繁殖可导致血液中产生促炎细胞因子，其上调BBB上细胞内黏附分子1的表达，更促进了PMN的浸润[7]。此外，在大肠杆菌感染的新生小鼠的大脑中也观察到了TNF-α和IL-1β水平的上升[8]。由此可见，抑制中性粒细胞的募集可以减少神经元损伤，改善脑膜炎的临床症状。所以对社区获得性脑膜炎患者，在抗生素治疗的同时通常联合使用地塞米松，以保护大脑免受细菌裂解产物诱发的机体过度炎症所致的损伤。

3　脑膜炎性病原菌破坏BBB的毒力因子

3.1　脑膜炎奈瑟菌

脑膜炎奈瑟菌表面有众多的毒力因子，包括菌毛、外膜蛋白以及脂多糖等，能够使其定植在宿主细胞表面，免受宿主体内中性粒细胞、补体系统的吞噬作用。其中Ⅳ型菌毛(T4P)是重要的毒力因子。T4P是一种存在于多种革兰阴性菌表面并由菌毛蛋白聚合形成的丝状物。组成T4P的主要菌毛蛋白是PilE，除此之外还包括PilV、PilX和ComP，T4P通过孔蛋白PilQ穿过荚膜伸出到细菌表面[9]。Bernard等[10]利用人源化的小鼠模型清晰地展现了脑膜炎奈瑟菌黏附素PilE、PilV与人内皮细胞表面受体CD147之间的相互作用。另外，脑膜炎奈瑟菌表面外膜蛋白Opa在内皮细胞上的受体为癌胚抗原相关细胞黏附分子[11]。Opc与细胞外基质成分玻连蛋白或纤维连接蛋白结合后，能够靶向结合脑血管内皮细胞上的同源受体α5β1整合素，从而参与细菌的黏附过程[12]。在脑膜炎奈瑟菌疫苗研制的过程中发现，脑膜炎奈瑟菌黏附素A可作为抗原用于B型脑膜炎奈瑟疫苗的制备。

3.2　肺炎链球菌

正常情况下，肺炎链球菌定植在人鼻咽部，在某些特殊情况下，肺炎链球菌可穿过呼吸道黏膜防御系统进入血液，随血流播散进入脑组织。此过程中需要多糖荚膜、表面蛋白以及细胞壁成分的共同作用。细菌黏附素胆碱结合蛋白A(CbpA)与聚合免疫球蛋白结合受体(pIgR)互相作用，可引发细菌易位，穿过鼻咽上皮[13]。在脑微血管内皮细胞上，CbpA与内皮细胞表面的层连蛋白受体结合，可以介导细菌穿越基底膜[14]。另外有研究表明，肺炎链球菌神经酰胺酶A以及血小板内皮细胞黏附分子1(PECAM1)也参与了细菌黏附于BBB内皮细胞这一过程[15,16]。首次报道的与肺炎链球菌黏附、侵袭和转运有关的受体是血小板活化因子受体(PAFR)[17]，这是一种G蛋白偶联受体，它的天然配体是磷脂血小板活化因子。Iovino等[18]认为，炎症反应激活了PAFR，然后通过上调pIgR和PECAM1的表达，促进细菌与内皮细胞的结合，从而参与到肺炎链球菌的致病过程。此外，有研究发现，肺炎链球菌菌毛的主要黏附素RrgA和胆碱结合蛋白PspC也可与pIgR和PECAM1受体结合，在菌血症来源的脑膜炎模型和突变体小鼠中研究发现，使用针对pIgR和PECAM1受体的抗体，可预防肺炎链球菌进入脑组织以及脑膜炎发展[19]。

3.3　B型链球菌

B型链球菌通过跨细胞途径进入微血管内皮细胞，其参与BBB完整性破坏的主要毒力因子有脂磷壁酸、菌毛蛋白PilA、αC蛋白、链球菌纤维连接蛋白结合蛋白等。引起新生儿脑膜炎的高毒力致病株B型链球菌ST-17可编码B型链球菌高毒性黏附素HvgA,能有效黏附在肠道上皮细胞或脑微血管内皮细胞表面，介导病原菌的侵袭。现已证明，PilA可结合细胞外基质(ECM)的组分胶原蛋白，增强B型链球菌附着于内皮细胞上的能力，这一过程依赖中性粒细胞的浸润，因为中性粒细胞的消耗可降低BBB的完整性，促进B型链球菌的渗透。此外，PilA胶原复合物可与脑微血管内皮上的α2β1整合素结合，促进细菌附着和趋化因子释放[20]。

3.4　大肠杆菌K1

大肠杆菌K1是引起新生儿脑膜炎的第二大病原菌，K1荚膜的表达是其致病的关键。参与大肠杆菌K1黏附侵袭过程的毒力因子有FimH、外膜蛋白A、脂蛋白NlpI、鞭毛等。这些毒力因子与其宿主细胞受体相互作用，可以激活许多宿主细胞相关信号蛋白，包括磷脂酰肌醇3-激酶、信号转导和转录激活因子3、RHO家族GTP酶、酪氨酸激酶表皮生长因子受体(EGFR)和蛋白质激酶C等。最近研究发现，大肠杆菌K1通过内化形成空泡的方式进入内皮细胞，EGFR的激活在细菌内化中起关键作用[21]。IbeA也是大肠杆菌K1重要的毒力因子，其与受体NF-κB调节因子Vimentin结合后可增加病原体入侵和PMN募集，增加BBB通透性，在宿主防御脑膜炎感染中起着不利的作用[22]。

4　脑膜炎性病原菌破坏BBB的作用途径

4.1　细胞旁途径

脑微血管内皮细胞间的细胞连接对于维持BBB完整性起着关键作用，有效阻止了细菌等外源物质从细胞旁途径进入脑组织。然而，许多脑膜炎病原菌可以通过释放毒素或者干扰紧密连接蛋白的作用影响BBB的功能。例如，B型链球菌可以通过释放穿孔毒素直接破坏BBB[23]。而脑膜炎奈瑟菌则是通过靶向作用紧密连接蛋白来破坏BBB的完整性。脑膜炎奈瑟菌黏附到内皮细胞表面后，T4P亚基PilE和PilV与内皮细胞β2-肾上腺素能受体相互作用，迅速激活宿主细胞信号传导通路，导致埃兹蛋白募集以及SRC激酶、皮动蛋白的激活，使得内皮细胞的细胞膜向外突出包裹住病原菌，增加了病原菌与内皮细胞表面黏附的面积。此外，病原菌黏附还诱导基质金属蛋白8的活化，其促进闭合蛋白的水解[24]。最终，细胞间的紧密连接被破坏，BBB通透性增加，脑膜炎奈瑟菌通过细胞旁途径侵入中枢神经系统。研究表明，B型链球菌的细胞壁组分可诱导宿主内皮细胞中转录抑制因子Snail-1的表达，其可下调紧密连接蛋白的表达[25]，BBB完整性降低，这使得B型链球菌开启了细胞旁路径进入中枢神经系统。此外，大肠杆菌侵袭人脑微血管内皮细胞时，可通TLR2-MAPK-ERK1/2信号通路诱导血管内皮生长因子A和Snail-1的上调，进而影响紧密连接蛋白的表达，导致BBB通透性增加[26]。

4.2　跨细胞途径

大肠杆菌K1是通过跨细胞途径穿过BBB的。胞吞作用是一个复杂的过程，其涉及从内皮细胞顶端到基底外侧的细胞移动，细菌与内皮细胞顶端受体结合后，促进细菌的侵袭和易位，最终通过胞吐作用离开细胞。近年研究发现，一些脑膜炎病原菌可以通过改变细胞骨架结构，以活菌的形式直接进入宿主细胞。Iovino等[27]在感染肺炎链球菌的小鼠脑血管中观察到，细胞间连接分子VE钙黏蛋白着色连续均匀，表明该细菌是通过转胞吞作用而不是通过紧密连接的中断来穿过BBB的。Cutting等[28]在电子显微镜下发现，B型链球菌在宿主细胞中以空泡形式存在，表明B型链球菌也可以通过跨细胞途径侵入脑组织。此外，有研究证明，大肠杆菌K1可触发肌动蛋白介导的摄取途径，刺激机体的胞吞作用，网格蛋白介导的内吞作用也在大肠杆菌K1的摄取中起间接作用[29]。到目前为止，虽然在显微镜下观察到了许多细菌内化的现象，但是细菌内化的机制目前尚不明确，有待进一步研究。

5　展望

尽管抗生素的应用和疫苗的研发已取得了较大进展，但是细菌性脑膜炎仍然是威胁全球人类健康的重大疾病，特别是在婴幼儿、老年人和免疫功能低下的人群中，发病率和病死率仍较高。抗性菌株的出现(如大肠杆菌和肺炎链球菌)、表型的异质性(如脑膜炎球菌)、有效疫苗的缺乏(如B型链球菌)等是我们目前面临的重大难题。关于宿主-病原菌相互作用的分子机制方面目前已取得了重大进展，掌握病原菌开放BBB的常用途径，有助于细菌性脑膜炎的预防和靶向治疗。此外，对于如何使药物穿过BBB治疗相应中枢神经系统疾病仍然是现代医学的一个难题，因此研究病原菌的信号传导途径对药物的靶向运输具有重要的临床意义。然而，目前所掌握的大部分数据都是体外研究的结果，对于体外试验与病原菌体内活动的相关性仍然存在疑问，仍然需要使用人源化的动物模型来进一步探究脑膜炎病原菌在体内的致病活动，为脑膜炎相关疫苗的研发和治疗提供理论基础。

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