結(jié)核分枝桿菌的致病機(jī)制研究

結(jié)核分枝桿菌的致病機(jī)制研究

核電站是由種子分枝桿菌（通常被稱為桿菌）引起的一種傳染性疾病，主要通過(guò)呼吸道傳播，最常見的是結(jié)核病。在抗結(jié)核化療問(wèn)世約40余年和廣泛推行接種卡介苗約50余年后,自20世紀(jì)80年代中期,結(jié)核病出現(xiàn)全球性惡化趨勢(shì),結(jié)核病死灰復(fù)燃,卷土重來(lái)。據(jù)世界衛(wèi)生組織2000年度公布資料,該年度全世界因結(jié)核致死人數(shù)達(dá)220萬(wàn),占世界總死亡人數(shù)的4%,主要集中在發(fā)展中國(guó)家。全世界有20億人感染過(guò)結(jié)核分枝桿菌,每年大約有880萬(wàn)新結(jié)核病患者產(chǎn)生,一個(gè)具有傳染性的結(jié)核病患者每年可導(dǎo)致10~15人感染結(jié)核分枝桿菌,因此,結(jié)核病對(duì)人類的生命健康威脅仍然十分嚴(yán)峻。隨著耐藥結(jié)核病的蔓延,HIV雙重感染的流行,加強(qiáng)對(duì)結(jié)核病的發(fā)病機(jī)制等免疫病理方面的深入研究日益引起世界范圍的重視。現(xiàn)就結(jié)核分枝桿菌的生物學(xué)特性與致病機(jī)制研究綜述如下。1結(jié)核桿菌的脂質(zhì)及致病機(jī)制結(jié)核分枝桿菌是一種抗酸陽(yáng)性棒狀桿菌,主要包括人型、牛型、非洲型和鼠型,其中對(duì)人致病的主要是人型結(jié)核菌。結(jié)核菌細(xì)長(zhǎng)略彎曲,大小約1~4×0.4μm,無(wú)鞭毛、無(wú)芽孢、不能產(chǎn)生內(nèi)外毒素,專性需氧,培養(yǎng)要求高,生長(zhǎng)緩慢。菌體成分主要有脂質(zhì)、多糖、蛋白質(zhì)等。結(jié)核桿菌中含有的大量脂質(zhì),占菌體干重20%~40%,胞壁含量最多,使之具疏水性,對(duì)環(huán)境的抵抗力較強(qiáng)。而且據(jù)大量研究表明結(jié)核桿菌的毒力與其所含的復(fù)雜的脂質(zhì)成分有關(guān),尤其是糖脂。其脂質(zhì)主要由索狀因子、磷脂、脂肪酸和蠟質(zhì)等組成。索狀因子是分枝菌酸和海藻糖結(jié)合的一種糖脂,與結(jié)核桿菌的索狀生長(zhǎng)有關(guān),它能破壞線粒體的呼吸作用,與結(jié)核桿菌的毒力是密切相關(guān)的。磷脂能增強(qiáng)菌體蛋白質(zhì)的致敏作用,產(chǎn)生干酪性壞死;脂肪酸中的結(jié)核桿菌酸有促進(jìn)結(jié)核結(jié)節(jié)形成的作用。蠟質(zhì)在脂質(zhì)中所占比率最高,其中分枝菌酸與抗酸性有關(guān)。大量研究表明結(jié)核桿菌屬于兼性寄生菌,原因是首先在感染的巨噬細(xì)胞內(nèi)復(fù)制,故稱為胞內(nèi)菌;然后,隨著病變發(fā)展又會(huì)出現(xiàn)在壞死組織中即巨噬細(xì)胞外進(jìn)行復(fù)制。結(jié)核桿菌的致病性與其在組織細(xì)胞內(nèi)大量繁殖引起的炎癥反應(yīng),菌體和細(xì)胞壁成分以及代謝物質(zhì)的毒性和機(jī)體產(chǎn)生抗結(jié)核免疫反應(yīng)等有關(guān)。結(jié)核桿菌的細(xì)胞壁厚,脂質(zhì)含量高,胞質(zhì)膜外為堅(jiān)硬的肽聚糖(PG)層,在PG層與質(zhì)膜之間含有多種具有免疫原性的蛋白質(zhì),而大量的分枝菌酸是包圍在PG層的外面。而且近些年來(lái)引起研究者注意較多的是結(jié)核桿菌胞壁又一主要成分即脂阿拉伯甘露聚糖(LAM),它是由阿拉伯糖和甘露糖通過(guò)磷酸肌醇組成的一種復(fù)雜多糖,由胞質(zhì)膜延伸貫穿到整個(gè)細(xì)胞壁,甚至是細(xì)菌的表面。結(jié)核桿菌H37Rv和牛型結(jié)核桿菌BCG的LAM阿拉伯糖側(cè)鏈被甘露糖掩蓋即manLAM;而快速生長(zhǎng)分枝桿菌(恥垢分枝桿菌)和減毒的結(jié)核桿菌H37Ra的LAM有較長(zhǎng)的阿拉伯側(cè)鏈即araLAM,這兩種末端的差異與其菌株的毒力和對(duì)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生TNF等反應(yīng)不同有關(guān)。2結(jié)核桿菌基因組組成結(jié)核桿菌標(biāo)準(zhǔn)菌株H37Rv基因組全長(zhǎng)約4,411,529bp,具有特征性的是高鳥嘌呤G和胞嘧啶C即G+C含量高達(dá)65.5%,其中編碼蛋白的蛋白有3924個(gè),占編碼基因的91%,以GTG為起始密碼子的基因占35%,這也是造成結(jié)核菌高G+C含量偏向。而有明確功能的基因有2441個(gè),不含有插入序列的假基因6個(gè),另外目前還有606個(gè)基因還不知其明確功能。對(duì)于結(jié)核桿菌的特征的研究最有力的證據(jù)是插入序列IS的存在和分布,其中最引人注意的就是IS6100,這是屬于IS3家族中的一個(gè)序列,由于其具有插入位置和拷貝數(shù)的變異,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于菌株的分型和結(jié)核病的分子流行病學(xué)研究。有研究通過(guò)基因芯片技術(shù)來(lái)分析比較結(jié)核桿菌基因組的組成特點(diǎn),指出結(jié)核桿菌特有的129個(gè)開放讀碼框(ORF),主要集中在16個(gè)缺失區(qū)域RD區(qū)內(nèi)。其中共有61個(gè)ORF是在卡介苗BCG等所有的牛型分枝桿菌中缺失的。另外29個(gè)ORF在部分BCG菌株中是缺失的,可能與結(jié)核桿菌的減毒無(wú)直接關(guān)系,而余下的39個(gè)ORF(主要集中在3個(gè)RD區(qū)內(nèi))在所有的BCG菌株中都是缺失的,那么這些ORF可能與結(jié)核菌的毒力減低是直接相關(guān)的。而且,由此可以看出那些是結(jié)核桿菌特異性的ORF卻在卡介苗BCG中是缺失的基因很可能是代表了毒性因子編碼基因,也有可能是結(jié)核桿菌保護(hù)性抗原編碼基因。另外,在結(jié)核桿菌基因組DNA中,有大約250個(gè)基因是用于編碼脂肪酸代謝的酶類,因此,在結(jié)核桿菌胞壁中含有許多特殊脂類物質(zhì),這種特殊的胞壁賦予結(jié)核桿菌能在宿主吞噬細(xì)胞內(nèi)生存的能力,也為特異性T淋巴細(xì)胞提供了獨(dú)特的糖脂抗原;而且從其基因組序列可以看出結(jié)核桿菌具有潛在的由一種代謝途徑轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌x途徑的能力,包括有氧呼吸(如氧化磷酸化)和厭氧呼吸(如硝酸還原反應(yīng))。這一代謝途徑轉(zhuǎn)換的靈活性對(duì)結(jié)核桿菌適應(yīng)生存環(huán)境的變化有極大的意義,主要表現(xiàn)為結(jié)核桿菌既可以在人高氧壓力的肺泡中生存繁殖,還可以在結(jié)核肉芽腫的微氧和厭氧的環(huán)境中存活。3結(jié)核桿菌回復(fù)突變的機(jī)制結(jié)核桿菌作為兼性胞內(nèi)寄生菌,以巨噬細(xì)胞為宿主細(xì)胞。在巨噬細(xì)胞表面的膽固醇作為結(jié)核桿菌細(xì)胞的錨定部位,去除胞膜上的膽固醇可以抑制結(jié)核桿菌的攝取。結(jié)核桿菌通過(guò)與巨噬細(xì)胞表面膽固醇結(jié)合而錨定在巨噬細(xì)胞表面。而且在巨噬細(xì)胞表面還存在許多抗原受體(免疫球蛋白受體和Toll樣受體以及補(bǔ)體受體等),結(jié)核桿菌能夠與這些受體結(jié)合,通過(guò)受體介導(dǎo)內(nèi)吞入巨噬細(xì)胞內(nèi)形成吞噬體。通常吞噬體都有殺滅病原菌的作用,于是結(jié)核桿菌在吞噬體中的命運(yùn)轉(zhuǎn)歸取決于是否能逃脫溶酶體活性氧ROI(H2O2/O2-等)和活性氮RNI(NO/NO2-等)的破壞作用。對(duì)于結(jié)核桿菌能在胞內(nèi)生長(zhǎng),主要是由于結(jié)核桿菌能有效抵御吞噬體內(nèi)的酸性環(huán)境、通過(guò)分泌一種酸性磷酸酯酶(SapM)來(lái)水解位于吞噬體膜的PI3-P(一種能夠調(diào)節(jié)吞噬體與溶酶體結(jié)合的脂類),從而阻止含有結(jié)核桿菌的吞噬體與溶酶體的融合,抑制吞噬體的進(jìn)一步成熟、以及跟宿主競(jìng)爭(zhēng)與防御有關(guān)的鐵元素。IFN-r可以活化促進(jìn)吞噬體的成熟,下調(diào)巨噬細(xì)胞表面的甘露糖受體的表達(dá),增加巨噬細(xì)胞的殺菌能力,尤其是IFN-r和TNF-a能形成活性氧和活性氮的中間體,其中活性氮中間體的保護(hù)作用在以往的研究中已經(jīng)被闡明,而活性氧的作用機(jī)制仍然不明。被細(xì)胞因子活化的巨噬細(xì)胞并不能完全清除體內(nèi)的結(jié)核桿菌,這可能是與結(jié)核桿菌通過(guò)降低自身代謝進(jìn)入非復(fù)制休眠潛伏狀態(tài)。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)結(jié)核桿菌的潛伏感染越來(lái)越多的研究,許多研究者發(fā)現(xiàn)了與結(jié)核桿菌毒力相關(guān)的基因,如phoP基因,通過(guò)插入耐藥基因失活的研究等。有研究表明了一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)結(jié)核桿菌多種毒力相關(guān)基因RpoV,當(dāng)它發(fā)生基因突變時(shí),結(jié)核桿菌相關(guān)毒力因子表達(dá)下調(diào),菌體的代謝降低,進(jìn)入休眠期而不能使機(jī)體產(chǎn)生適度的免疫反應(yīng)。一旦機(jī)體抵抗力下降,也有從休眠期轉(zhuǎn)入增殖期的可能。4抗結(jié)果分生桿菌的免疫反應(yīng)4.1其他細(xì)胞群一直以來(lái)認(rèn)為在天然免疫中巨噬細(xì)胞是結(jié)核感染的主要的靶細(xì)胞,也是機(jī)體抗結(jié)核感染的最早起作用和最具有代表性的細(xì)胞群。但隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)在結(jié)核感染的發(fā)展中有重要作用的其他細(xì)胞群,如中性粒細(xì)胞,是最早被征集到炎癥部位,通過(guò)氧依賴的殺菌物質(zhì)和胞外捕獲機(jī)制來(lái)殺病原微生物。而且有研究者在感染實(shí)驗(yàn)動(dòng)物前,將中性粒細(xì)胞去除,結(jié)果分支桿菌生長(zhǎng)增加;反之,實(shí)驗(yàn)前用刺激中性粒細(xì)胞增殖的試劑,則分枝桿菌生長(zhǎng)率降低。以及后來(lái)在中性粒細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了防御素——機(jī)體天然抗結(jié)核反應(yīng)機(jī)制的重要組分。然而,中性粒細(xì)胞不只是有這種對(duì)機(jī)體的保護(hù)作用,還有些報(bào)道顯示由于不同宿主對(duì)結(jié)核桿菌的敏感性的不同,中性粒細(xì)胞的病理?yè)p傷作用會(huì)超過(guò)其保護(hù)作用。4.2cd4和tf3在機(jī)體抗結(jié)核感染中的作用針對(duì)結(jié)核桿菌,如同其他胞內(nèi)感染菌一樣,細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)比抗體介導(dǎo)的免疫反應(yīng)更重要。于是通常會(huì)認(rèn)為結(jié)核桿菌存在胞內(nèi)不能與抗體結(jié)合,因此體液免疫反應(yīng)對(duì)結(jié)核感染的機(jī)體沒有保護(hù)作用。但是事實(shí)并非如此,抗體對(duì)于胞內(nèi)菌感染的作用越來(lái)越得到研究者們的關(guān)注,以期得到有關(guān)結(jié)核免疫機(jī)制的更深入理解。在抗結(jié)核的細(xì)胞免疫反應(yīng)中,主要參與的細(xì)胞是CD4+和CD8+T細(xì)胞。巨噬細(xì)胞中結(jié)核桿菌通過(guò)MHCⅡ類分子的抗原提呈給CD4+T細(xì)胞,被早期細(xì)胞因子如IL-12、IL-18等誘導(dǎo)向Th1型細(xì)胞分化。這種CD4+T細(xì)胞能夠產(chǎn)生大量的IFN-r等細(xì)胞因子,激活巨噬細(xì)胞,加速吞噬和殺滅結(jié)核桿菌。另外有研究說(shuō)明CD4+T細(xì)胞還參與被感染的細(xì)胞的凋亡?？乖禺惖娜芗?xì)胞性CD4+T細(xì)胞殺滅吞噬了結(jié)核桿菌的巨噬細(xì)胞,其中對(duì)細(xì)胞的溶解會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的擴(kuò)散,但是釋放出的細(xì)菌又會(huì)被機(jī)體中的其他巨噬細(xì)胞吞噬,這樣形成的一個(gè)惡性循環(huán);只有調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞和溶細(xì)胞性T細(xì)胞活化之間平衡才能利于感染的控制?？偟膩?lái)說(shuō),CD4+T細(xì)胞在機(jī)體抗結(jié)核感染起著重要作用,當(dāng)例如HIV感染的病人,缺乏CD4+T細(xì)胞時(shí),結(jié)核感染便不能控制。對(duì)于CD8+T細(xì)胞對(duì)結(jié)核感染的控制作用主要是產(chǎn)生顆粒溶素(granulysin)和穿孔素來(lái)直接殺滅結(jié)核桿菌;還有r/δT細(xì)胞,在天然免疫和適應(yīng)性免疫其連接作用,其作用不僅僅是產(chǎn)生細(xì)胞因子和細(xì)胞毒性作用,還可以維持宿主細(xì)胞的完整性和內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。另外還有些調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和單核細(xì)胞都能產(chǎn)生免疫抑制性的細(xì)胞因子TGF-