銅綠假單胞菌和白假絲酵母的跨界相互作用

陳佳，宋建新

華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院感染科，武漢430030

在研究細菌過程中，與細菌群體活動密切相關的信號系統——群體感應(quorum sensing，QS)系統的發現，具有重要意義。細菌合成并釋放信號分子，胞外信號分子濃度隨細菌密度的增加而增加，達到閾濃度后能啟動菌體中相關基因表達，調控細菌生物行為，適應環境變化[1]。細菌利用QS 系統相互交流，以群體的形式改變菌群的生物學特性，從而達到整個菌群最適合的生存狀態。同樣，在研究白假絲酵母〔又稱白念珠菌(CandidaAlbicans)〕過程中，具有相似交流作用的信號分子——法呢醇(farnesol)及其對應信號系統的發現，讓人類對真菌的認識發生了較大改變[2]。進一步研究表明，這種相互交流并非局限于種群內部。共存于各種環境的細菌與真菌間存在復雜的相互關系，既有競爭、拮抗作用，也有協同、互助作用。如混合生物膜(biofilm)中的細菌與真菌相互競爭黏附位點，同時口腔細菌通過為白念珠菌提供黏附位點而幫助其定植。于是，有人將細菌與真菌間的這種關系定義為跨界相互作用(cross-kingdom interaction)[3]。

銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)和白念珠菌這兩種可共存于人體的條件致病菌，其相互作用很早就引起了人們的注意[4-6]。早期研究認為，銅綠假單胞菌具有抗白念珠菌作用。如Gupta等通過分析燒傷患者傷口的病原菌類型，發現感染銅綠假單胞菌的傷口合并白念珠菌感染的概率明顯低于對照組，因而認為銅綠假單胞菌抑制白念珠菌生長[7,8]。而近期研究表明，白念珠菌的存在同樣可制約銅綠假單胞菌的致病性[9]。綜合現有研究，兩者間的跨界相互作用也并非簡單的競爭、拮抗。本文將從幾種可能的機制探討銅綠假單胞菌與白念珠菌的跨界相互作用及其臨床意義。

1 信號轉導通路

銅綠假單胞菌和白念珠菌均存在信號分子和對應的QS系統。經研究發現，銅綠假單胞菌至少存在3套密度感應系統：以N-3-氧代十二烷酰-L-同型絲氨酸內酯﹝N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone，3-oxo-C12-HSL﹞為信號分子的Las系統、以N-丁酰基-L-同型絲氨酸內酯(N-butyryl-L-homoserine lactone，C4-HSL)為信號分子的Rhl系統和以2-庚基-3-羥基-4-喹諾酮為信號分子的喹諾酮信號 (pseusomonas qinolone signal，PQS) 系統。Las包括LasR (一種正向轉錄激活蛋白)和LasI〔催化血漿纖溶酶原激活物抑制物(plasminogen activitor inhibitor 1，PAI-1)合成〕；Rhl包括RhlR和RhlI(催化PAI -2合成)。LasR和Rh1R協調銅綠假單胞菌多種毒力因子的轉錄，如彈性蛋白酶、溶血素、除鐵色素、超氧化物歧化酶、堿性蛋白酶、殼多糖酶等[10]。PQS連接Las和Rhl系統，一方面Las和Rhl控制PQS生成，另一方面PQS又影響Las和Rhl的基因表達，兩者存在微妙的平衡關系。此外，PQS還在調整細菌密度、釋放毒力因子綠膿素等方面起一定作用[11]。

目前學者一致認為，白念珠菌這一雙相菌，通過分泌信號分子——法呢醇來調節基因表達、形態改變和毒力變化，即存在以法呢醇為信號分子的QS系統。法呢醇，這一12碳原子的倍半萜烯，不僅是一種致病因子，還可抑制白念珠菌形態轉換和生物膜形成。Cao等通過cDNA微陣列分析發現，使用法尼醇抑制白念珠菌生物膜形成時伴有274個基因的表達水平發生改變，其中包括有關細胞壁蛋白、菌絲生長(形態轉換)、外排泵及熱休克蛋白的基因[12]。據推測，法呢醇對生物膜的抑制作用是通過組氨酸激酶(CHK1)的表達或激活來實現的[13]。

最新研究表明，白念珠菌的信號分子法呢醇和銅綠假單胞菌的信號分子3-oxo-C12-HSL不僅在自身QS系統中發揮作用，還可改變對方的生物學行為，具體作用如下。

1.1 3-oxo-C12-HSL對白念珠菌形態轉換的抑制作用

當共同培養白念珠菌與銅綠假單胞菌時，即便生長于誘導假菌絲形成的環境中，白念珠菌仍以酵母形態存在，無法完成形態轉換。進一步研究表明，銅綠假單胞菌分泌的信號分子3-oxo-C12-HSL抑制白念珠菌酵母細胞的絲化，使其無法形成假菌絲[14,15]。Hogan等研究發現，200 μmol/L的3-oxo-C12-HSL即可完全抑制白念珠菌形態轉換。相反，將不能分泌3-oxo-C12-HSL的銅綠假單胞菌突變株與白念珠菌共同培養時，后者形態轉換并未受影響[14]。

白念珠菌從酵母形態轉換為菌絲形態在其黏附中起至關重要的作用，而黏附于組織是白念珠菌最終定植并致病的前提條件。相關研究表明，菌絲形態生長的白念珠菌具有更強的黏附性和侵襲性，也具有更強的致病性[16]。銅綠假單胞菌對白念珠菌形態轉換的抑制，必將影響其黏附和定植，最終削弱其致病性。這也提示，廣泛寄居于人體各部位的白念珠菌之所以呈酵母相，一定程度上歸因于其他共存的微生物對其形態轉換的抑制。而腸道菌群的平衡狀態，與這種跨界制約作用有著密切的關系。本課題組初步研究表明，改變銅綠假單胞菌pvdQ基因(具有長鏈高絲氨酸內酯水解作用)表達，可影響銅綠假單胞菌對白念珠菌形態轉換的抑制作用。

1.2 法呢醇對PQS的抑制作用

Cugini等[9]將法呢醇加入銅綠假單胞菌的培養基15 min后，通過反轉錄-聚合酶鏈反應(reverse transcriptase-polymerase chain reaction，RT-PCR)和實時PCR等方法觀察到，編碼PQS的相關基因pqsA表達下調，以及序貫發生PQS分子減少和綠膿素產量降低。綠膿素是銅綠假單胞菌較為重要的毒力因子。體外研究已證實，綠膿素具有鈍化過氧化氫酶等各種酶、廣泛損傷細胞、誘導細胞凋亡及改變機體免疫反應等作用[17]。法呢醇對PQS的抑制作用導致綠膿素減少，必將影響銅綠假單胞菌的致病性。

1.3 法呢醇對叢集運動的抑制作用

叢集運動(swarming motility)是銅綠假單胞菌的3種運動形式之一，也是細菌應對黏稠環境的復雜適應過程。Overhage等[18]應用DNA微陣列實驗觀察到，在促叢集運動條件下，大量毒力相關基因表達上調，故推斷叢集運動與銅綠假單胞菌的致病性有著密切關系。

McAlester等[15]研究表明，法呢醇有降低銅綠假單胞菌叢集運動的能力。目前已證實，鼠李糖脂(銅綠假單胞菌的一種致病因子)以生物表面活化劑的方式調節叢集運動，而鼠李糖脂的表達受PQS的調控。不難假設，法呢醇對叢集運動的抑制與其對PQS的抑制作用有關。鑒于叢集運動與致病性的關系，法呢醇的這種抑制作用勢必影響銅綠假單胞菌的致病性。

綜上所述，銅綠假單胞菌與白念珠菌的跨界相互作用依賴于各自的信號分子。因此，推測白念珠菌和銅綠假單胞菌的各自信號轉導系統可感知彼此的存在并作出相應反應，也就是說它們之間可能存在信號系統的跨界作用，而且這種跨界相互作用影響彼此的致病性。

2 生物膜

在絕大多數環境中，微生物都傾向于以生物膜的形式存在。白念珠菌和銅綠假單胞菌均可形成各自的生物膜，也可與其他細菌(或真菌)混合存在于同一生物膜中。在混合生物膜中，各微生物相互競爭附著點。白念珠菌的凝集素樣序列和細胞表面糖蛋白因牽涉到黏附于宿主表面的過程，通常在混合生物膜的形成中起重要作用。

體外研究證實，銅綠假單胞菌將從數量和質量上抑制白念珠菌生物膜的形成[19]。亦有學者觀察到一個有趣的現象，將白念珠菌與銅綠假單胞菌混合培養時，銅綠假單胞菌可在白念珠菌菌絲上形成致密的生物膜。幾乎在生物膜形成的同時，白念珠菌菌絲死亡，而對酵母細胞并無影響[20]。通過對一系列銅綠假單胞菌突變株的研究，Hogan等證實銅綠假單胞菌的某些毒力因子，包括菌毛和分泌的可溶性分子，參與殺菌絲的過程。隨后的研究表明，菌絲死亡涉及直接接觸和可溶性分子介導2種調控模式[21]。

El-Azizi等[22]通過直接計數生物膜中細菌或真菌數量的變化，研究其相互作用。發現將銅綠假單胞菌加入白念珠菌的成熟生物膜中，細菌數量顯著增加；相反，將白念珠菌加入銅綠假單胞菌的成熟生物膜中，真菌數量則不會增加。比較不同微生物對導尿管黏附能力的體外研究亦證實，白念珠菌的存在將增強銅綠假單胞菌對導尿管的黏附[23]。上述現象可能與白念珠菌的黏附能力和形成生物膜的能力強于銅綠假單胞菌有關?；旌仙锬ぶ邪啄钪榫⑽磳︺~綠假單胞菌產生競爭、拮抗作用；相反，它增強銅綠假單胞菌的黏附能力，促進其生物膜形成。

通過生物膜這一可能機制，銅綠假單胞菌發揮其對白念珠菌的殺菌絲作用，最終將限制白念珠菌的致病性；同時，白念珠菌對銅綠假單胞菌生物膜形成的協同作用，可能在一定程度上增強其致病性和耐藥性。

3 毒力因子

早在1973年，就有研究發現，含綠膿素的銅綠假單胞菌氯仿粗提物具有抗白念珠菌作用。后來Kerr等[24]通過高效液相層析儀分離細菌浸液(銅綠假單胞菌臨床分離株)，并經紫外分光及質譜分析驗證，進一步證明綠膿素這一氧化還原色素發揮主要的抗真菌作用，其機制為綠膿素降低白念珠菌菌絲轉換所依賴的胞內cAMP量[25]。最新研究[26]表明，綠膿素的前體5-甲基-鹽酸異丙嗪-1-羧酸(5-MPCA)間接發揮抗真菌作用，因為5-MPCA相關紅色素與真菌活力下降有關，但綠膿素并非是其發揮抗真菌作用所必需的；這一5-MPCA衍生的紅色素在真菌胞內聚集，并保留氧化還原的能力，因而推斷這種氧化還原能力與真菌毒力下降有關?？傊?，銅綠假單胞菌分泌的某些毒力因子參與其抗白念珠菌的過程。

以上所述3種機制并非各自獨立。已證實銅綠假單胞菌的某些毒力因子也參與菌絲表面生物膜形成和菌絲死亡過程。生物膜作為一種細菌群體、細菌間及細菌與環境間的信號傳遞，對生物膜的形成與成熟發揮重要作用?？傊盘栟D導、生物膜、毒力因子共同作用于白念珠菌與銅綠假單胞菌的跨界相互作用，詳細機制還有待進一步研究。

4 結語

白念珠菌與銅綠假單胞菌均為條件致病菌。銅綠假單胞菌對白念珠菌形態轉換的抑制以及殺菌絲和毒力因子的毒性作用，可能很大程度限制白念珠菌的致病性。而白念珠菌對銅綠假單胞菌PQS的抑制作用，導致其毒力因子綠膿素產量下降以及叢集運動減退，也將削弱其致病性。正是因為兩者的跨界相互作用，相互制約而維持平衡，在一定條件下保證了各自的條件致病性。一旦這種平衡被打破，各自的致病性將會引起機體損害。銅綠假單胞菌和白念珠菌如何相互作用而影響彼此的致病性，具體機制還需要更深入研究。

臨床上，長期或大量使用抗生素常可導致真菌感染。這種繼發感染的發生機制很可能與本文提及的跨界相互作用有關，即細菌被殺滅后其對真菌的抑制作用也隨之消失。提示在對細菌感染性疾病的治療過程中應充分重視跨界相互作用的存在，更合理使用抗菌藥物，從而避免激發真菌感染。同樣，在抗真菌治療時也應考慮同時調整抗細菌藥物的使用，以修復細菌和真菌的平衡，降低繼發嚴重感染的風險。

跨界相互作用也為研究新藥提供了方向。如果能充分利用其相互制約致病性的特點，選擇合適靶點，將為治療帶來極大便利。

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