结核分枝杆菌的致病机制研究

结核分枝杆菌的致病机制研究

核电站是由种子分枝杆菌（通常被称为杆菌）引起的一种传染性疾病，主要通过呼吸道传播，最常见的是结核病。在抗结核化疗问世约40余年和广泛推行接种卡介苗约50余年后,自20世纪80年代中期,结核病出现全球性恶化趋势,结核病死灰复燃,卷土重来。据世界卫生组织2000年度公布资料,该年度全世界因结核致死人数达220万,占世界总死亡人数的4%,主要集中在发展中国家。全世界有20亿人感染过结核分枝杆菌,每年大约有880万新结核病患者产生,一个具有传染性的结核病患者每年可导致10~15人感染结核分枝杆菌,因此,结核病对人类的生命健康威胁仍然十分严峻。随着耐药结核病的蔓延,HIV双重感染的流行,加强对结核病的发病机制等免疫病理方面的深入研究日益引起世界范围的重视。现就结核分枝杆菌的生物学特性与致病机制研究综述如下。1结核杆菌的脂质及致病机制结核分枝杆菌是一种抗酸阳性棒状杆菌,主要包括人型、牛型、非洲型和鼠型,其中对人致病的主要是人型结核菌。结核菌细长略弯曲,大小约1~4×0.4μm,无鞭毛、无芽孢、不能产生内外毒素,专性需氧,培养要求高,生长缓慢。菌体成分主要有脂质、多糖、蛋白质等。结核杆菌中含有的大量脂质,占菌体干重20%~40%,胞壁含量最多,使之具疏水性,对环境的抵抗力较强。而且据大量研究表明结核杆菌的毒力与其所含的复杂的脂质成分有关,尤其是糖脂。其脂质主要由索状因子、磷脂、脂肪酸和蜡质等组成。索状因子是分枝菌酸和海藻糖结合的一种糖脂,与结核杆菌的索状生长有关,它能破坏线粒体的呼吸作用,与结核杆菌的毒力是密切相关的。磷脂能增强菌体蛋白质的致敏作用,产生干酪性坏死;脂肪酸中的结核杆菌酸有促进结核结节形成的作用。蜡质在脂质中所占比率最高,其中分枝菌酸与抗酸性有关。大量研究表明结核杆菌属于兼性寄生菌,原因是首先在感染的巨噬细胞内复制,故称为胞内菌;然后,随着病变发展又会出现在坏死组织中即巨噬细胞外进行复制。结核杆菌的致病性与其在组织细胞内大量繁殖引起的炎症反应,菌体和细胞壁成分以及代谢物质的毒性和机体产生抗结核免疫反应等有关。结核杆菌的细胞壁厚,脂质含量高,胞质膜外为坚硬的肽聚糖(PG)层,在PG层与质膜之间含有多种具有免疫原性的蛋白质,而大量的分枝菌酸是包围在PG层的外面。而且近些年来引起研究者注意较多的是结核杆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过磷酸肌醇组成的一种复杂多糖,由胞质膜延伸贯穿到整个细胞壁,甚至是细菌的表面。结核杆菌H37Rv和牛型结核杆菌BCG的LAM阿拉伯糖侧链被甘露糖掩盖即manLAM;而快速生长分枝杆菌(耻垢分枝杆菌)和减毒的结核杆菌H37Ra的LAM有较长的阿拉伯侧链即araLAM,这两种末端的差异与其菌株的毒力和对巨噬细胞产生TNF等反应不同有关。2结核杆菌基因组组成结核杆菌标准菌株H37Rv基因组全长约4,411,529bp,具有特征性的是高鸟嘌呤G和胞嘧啶C即G+C含量高达65.5%,其中编码蛋白的蛋白有3924个,占编码基因的91%,以GTG为起始密码子的基因占35%,这也是造成结核菌高G+C含量偏向。而有明确功能的基因有2441个,不含有插入序列的假基因6个,另外目前还有606个基因还不知其明确功能。对于结核杆菌的特征的研究最有力的证据是插入序列IS的存在和分布,其中最引人注意的就是IS6100,这是属于IS3家族中的一个序列,由于其具有插入位置和拷贝数的变异,已经广泛应用于菌株的分型和结核病的分子流行病学研究。有研究通过基因芯片技术来分析比较结核杆菌基因组的组成特点,指出结核杆菌特有的129个开放读码框(ORF),主要集中在16个缺失区域RD区内。其中共有61个ORF是在卡介苗BCG等所有的牛型分枝杆菌中缺失的。另外29个ORF在部分BCG菌株中是缺失的,可能与结核杆菌的减毒无直接关系,而余下的39个ORF(主要集中在3个RD区内)在所有的BCG菌株中都是缺失的,那么这些ORF可能与结核菌的毒力减低是直接相关的。而且,由此可以看出那些是结核杆菌特异性的ORF却在卡介苗BCG中是缺失的基因很可能是代表了毒性因子编码基因,也有可能是结核杆菌保护性抗原编码基因。另外,在结核杆菌基因组DNA中,有大约250个基因是用于编码脂肪酸代谢的酶类,因此,在结核杆菌胞壁中含有许多特殊脂类物质,这种特殊的胞壁赋予结核杆菌能在宿主吞噬细胞内生存的能力,也为特异性T淋巴细胞提供了独特的糖脂抗原;而且从其基因组序列可以看出结核杆菌具有潜在的由一种代谢途径转变为其他代谢途径的能力,包括有氧呼吸(如氧化磷酸化)和厌氧呼吸(如硝酸还原反应)。这一代谢途径转换的灵活性对结核杆菌适应生存环境的变化有极大的意义,主要表现为结核杆菌既可以在人高氧压力的肺泡中生存繁殖,还可以在结核肉芽肿的微氧和厌氧的环境中存活。3结核杆菌回复突变的机制结核杆菌作为兼性胞内寄生菌,以巨噬细胞为宿主细胞。在巨噬细胞表面的胆固醇作为结核杆菌细胞的锚定部位,去除胞膜上的胆固醇可以抑制结核杆菌的摄取。结核杆菌通过与巨噬细胞表面胆固醇结合而锚定在巨噬细胞表面。而且在巨噬细胞表面还存在许多抗原受体(免疫球蛋白受体和Toll样受体以及补体受体等),结核杆菌能够与这些受体结合,通过受体介导内吞入巨噬细胞内形成吞噬体。通常吞噬体都有杀灭病原菌的作用,于是结核杆菌在吞噬体中的命运转归取决于是否能逃脱溶酶体活性氧ROI(H2O2/O2-等)和活性氮RNI(NO/NO2-等)的破坏作用。对于结核杆菌能在胞内生长,主要是由于结核杆菌能有效抵御吞噬体内的酸性环境、通过分泌一种酸性磷酸酯酶(SapM)来水解位于吞噬体膜的PI3-P(一种能够调节吞噬体与溶酶体结合的脂类),从而阻止含有结核杆菌的吞噬体与溶酶体的融合,抑制吞噬体的进一步成熟、以及跟宿主竞争与防御有关的铁元素。IFN-r可以活化促进吞噬体的成熟,下调巨噬细胞表面的甘露糖受体的表达,增加巨噬细胞的杀菌能力,尤其是IFN-r和TNF-a能形成活性氧和活性氮的中间体,其中活性氮中间体的保护作用在以往的研究中已经被阐明,而活性氧的作用机制仍然不明。被细胞因子活化的巨噬细胞并不能完全清除体内的结核杆菌,这可能是与结核杆菌通过降低自身代谢进入非复制休眠潜伏状态。随着现代分子生物学技术的发展以及对结核杆菌的潜伏感染越来越多的研究,许多研究者发现了与结核杆菌毒力相关的基因,如phoP基因,通过插入耐药基因失活的研究等。有研究表明了一种转录调节结核杆菌多种毒力相关基因RpoV,当它发生基因突变时,结核杆菌相关毒力因子表达下调,菌体的代谢降低,进入休眠期而不能使机体产生适度的免疫反应。一旦机体抵抗力下降,也有从休眠期转入增殖期的可能。4抗结果分生杆菌的免疫反应4.1其他细胞群一直以来认为在天然免疫中巨噬细胞是结核感染的主要的靶细胞,也是机体抗结核感染的最早起作用和最具有代表性的细胞群。但随着研究的深入,发现在结核感染的发展中有重要作用的其他细胞群,如中性粒细胞,是最早被征集到炎症部位,通过氧依赖的杀菌物质和胞外捕获机制来杀病原微生物。而且有研究者在感染实验动物前,将中性粒细胞去除,结果分支杆菌生长增加;反之,实验前用刺激中性粒细胞增殖的试剂,则分枝杆菌生长率降低。以及后来在中性粒细胞中发现了防御素——机体天然抗结核反应机制的重要组分。然而,中性粒细胞不只是有这种对机体的保护作用,还有些报道显示由于不同宿主对结核杆菌的敏感性的不同,中性粒细胞的病理损伤作用会超过其保护作用。4.2cd4和tf3在机体抗结核感染中的作用针对结核杆菌,如同其他胞内感染菌一样,细胞介导的免疫反应比抗体介导的免疫反应更重要。于是通常会认为结核杆菌存在胞内不能与抗体结合,因此体液免疫反应对结核感染的机体没有保护作用。但是事实并非如此,抗体对于胞内菌感染的作用越来越得到研究者们的关注,以期得到有关结核免疫机制的更深入理解。在抗结核的细胞免疫反应中,主要参与的细胞是CD4+和CD8+T细胞。巨噬细胞中结核杆菌通过MHCⅡ类分子的抗原提呈给CD4+T细胞,被早期细胞因子如IL-12、IL-18等诱导向Th1型细胞分化。这种CD4+T细胞能够产生大量的IFN-r等细胞因子,激活巨噬细胞,加速吞噬和杀灭结核杆菌。另外有研究说明CD4+T细胞还参与被感染的细胞的凋亡。抗原特异的溶细胞性CD4+T细胞杀灭吞噬了结核杆菌的巨噬细胞,其中对细胞的溶解会导致细菌的扩散,但是释放出的细菌又会被机体中的其他巨噬细胞吞噬,这样形成的一个恶性循环;只有调节巨噬细胞和溶细胞性T细胞活化之间平衡才能利于感染的控制。总的来说,CD4+T细胞在机体抗结核感染起着重要作用,当例如HIV感染的病人,缺乏CD4+T细胞时,结核感染便不能控制。对于CD8+T细胞对结核感染的控制作用主要是产生颗粒溶素(granulysin)和穿孔素来直接杀灭结核杆菌;还有r/δT细胞,在天然免疫和适应性免疫其连接作用,其作用不仅仅是产生细胞因子和细胞毒性作用,还可以维持宿主细胞的完整性和内环境的稳态。另外还有些调节性T细胞和单核细胞都能产生免疫抑制性的细胞因子TGF-