細胞自噬與肺結核的研究進展

李容 顧玉海 多杰

1青海大學研究生院,西寧810000;2青海省人民醫院呼吸與危重癥醫學科,西寧810000

1 細胞自噬

自噬是細胞內的一種內穩態過程,通過溶酶體降解去除蛋白聚集體和受損細胞器來維持細胞內穩態過程。這一過程對細胞在應激條件下生存是至關重要的,包括從細胞中消除不必要的或損壞的元素[1]。它也是清除入侵病原體的關鍵過程,使其成為定向治療的潛在靶點[2-3]。

在細胞應激時通過溶酶體降解來降解受損的細胞成分和細胞器,幫助機體渡過難關,同時其也是先天免疫的一部分,參與消滅細胞內病原體,此外細胞自噬還可能參與調節先天和適應性免疫系統[2]。

2 肺結核和細胞自噬

結核分枝桿菌 (mycobacterium tuberculosis,Mtb)是結核的病原體,是一種非常成功的細胞內病原體,可長期存活于巨噬細胞的細胞質中并逃避細胞免疫的追殺。肺結核的感染通常由吸入含有Mtb的氣溶膠液滴進入肺泡后開始。肺結核是一種嚴重的傳染病,每年奪去無數人的生命。雖然目前肺結核可通過一線藥物治療,包括異煙肼、利福平、吡嗪酰胺、乙胺丁醇和鏈霉素,至少6 個月有效治療[4],然而肺結核的預后卻不盡如人意。一線治療往往不能治愈結核病的原因包括：患者不遵守,藥物水平不合適,藥物短缺或其他因素,導致肺結核治療失敗、結核播散、耐藥結核的出現、結核復發等。因此,迫切需要新的治療策略,包括減少機體對結核桿菌的易感性、增強機體對結核桿菌的防御力、尋找可提高受感染宿主免疫防御能力的藥物等措施。

在Mtb感染中,存在2種自噬途徑,最終導致自溶酶體的形成。第一個經典途徑是噬菌體吞噬,又稱異種吞噬,它是由Mtb感染后早期激活細菌分泌性抗原靶分泌系統,導致吞噬體膜的破壞[5]。接下來,干擾素刺激因子(STING)依賴性通路可識別細菌表面的DNA;STING 途徑可直接導致細菌泛素化,parkin連接酶、Smurf1連接酶和TRIM3連接酶均參與了細菌泛素化過程[6];從而觸發細胞自噬。接下來,lc3 經泛素化加工后與泛素化連接酶p62和NPD52共價結合,導致自噬成分的募集,從而在細菌周圍形成吞噬團[7]。第二種途徑被稱為LC3 相關吞噬(LAP)途徑,其自噬體為單膜,該途徑開始于Mtb激活Toll樣受體,導致病原體的吞噬;這最終導致與細胞溶酶體融合并破壞病原體[8]。

2.1 細胞自噬與結核發生、發展的相互關系 Mtb是結核病的致病菌。吸入含有細菌的氣溶膠滴液后,肺泡巨噬細胞、樹突狀細胞和招募的單核細胞通過各種模式識別受體識別Mtb[9]。這些受體啟動不同的信號轉導途徑,包括核轉錄因子κB和絲裂原活化蛋白激酶信號通路,誘導細胞因子和趨化因子在宿主細胞內產生[10]。這些效應分子可調控細菌生長,促進適應性免疫反應。Mtb被吞噬后,通過吞噬作用形成含有Mtb抗原的吞噬體,Mtb抗原被加工成對Mtb有特異性的CD4+T 細胞和CD8+T 細胞,產生多種細胞因子激活巨噬細胞和淋巴細胞。

為了成功地消滅病原體,先天免疫反應和適應性免疫反應都集中于自噬。在最初的固有免疫反應之后,開始出現適應性免疫,以控制細菌的分裂;適應免疫應答一般出現在Mtb初次暴露后3～8周,宿主對Mtb感染的有效免疫應答依賴于適當的T 細胞亞群和受感染的巨噬細胞之間的相互作用。適應性免疫受損常導致臨床結核病。自噬參與適應性免疫,促進抗原表達,最終導致肉芽腫的形成。肉芽腫的形成是結核病的病理學特征,肉芽腫為T 細胞提供了合適的微環境,在這里可以激活被Mtb感染的巨噬細胞,抑制細菌生長并為細胞免疫反應提供感染部位的具體位置。肉芽腫的形成在很大程度上依賴于T 細胞介導的免疫反應和巨噬細胞分泌的細胞因子,如干擾素γ和腫瘤壞死因子家族成員。趨化因子的即時性和持續分泌及單核細胞和淋巴細胞的募集、遷移和聚集等因素對Mtb感染部位的肉芽腫形成至關重要。肉芽腫由多種免疫細胞組成,包括巨噬細胞、樹突狀細胞、T 細胞、成纖維細胞、上皮樣組織細胞、巨細胞和自然殺傷細胞。肉芽腫提供了一個物理屏障,包裹并阻止細菌傳播。這種局部環境允許這些免疫細胞相互作用,并有效地殺死Mtb。自噬可通過增強抗原表達,促進了Mtb感染中先天免疫反應和適應性免疫反應之間的相互作用。據報道[11],自噬包括向MHCⅡ類抗原呈遞分子傳遞外源性和內源性抗原,以及通過MHCⅠ類抗原呈遞分子呈遞病毒抗原,此外自噬還可協助MHCⅡ的分類表達,增加MHCⅡ的轉化率,并提高MHCⅡ類細胞對CD4+T 細胞的表達,這些在Mtb防御中尤其重要。除了抗原呈遞,適應性免疫系統和自噬還可以通過產生細胞因子在防御Mtb中維持協同關系。Th1細胞可產生干擾素γ而誘發自噬。同時,自噬能增加腫瘤壞死因子α、IL-6、IL-8的產生[11]。特異性T 細胞與Mtb感染的巨噬細胞之間的細胞-細胞接觸也可誘導自噬[12]。然后自噬信號最終通過比傳統吞噬體的抗菌膜更強的溶解性和抗菌性殺死分枝桿菌。此外Mtb感染時,宿主巨噬細胞通過誘導細胞凋亡 (或其他形式的細胞死亡),促進吞噬體-溶酶體融合、產生自由基和活性氮、誘導自噬、分泌干擾素和細胞因子來防御病原體[12]。這些反應標志著適應性免疫反應通過啟動特異性抗原T 細胞和隨后產生的記憶性T 細胞對病原體進行清除。

然而,Mtb可以通過逃避宿主免疫和巨噬細胞的攻擊進行反擊。例如,Mtb通過改變噬菌體的運輸途徑,阻止其自身被消滅,Mtb 可利用磷脂酰肌醇甘露糖苷刺激Rab14,促進吞噬體與早期內胚體融合,預防吞噬體成熟和酸化。同時,Mtb可通過成功地操縱宿主膜的轉運、重組含分枝桿菌的吞噬溶酶體以及調節細胞死亡信號以實現其進一步定植、持續和復制的目的[13]。Mtb可以阻止自噬體和溶酶體的融合,從而降低巨噬細胞對感染刺激的敏感性[14],病原體抑制吞噬體-溶酶體融合的能力是感染開始的關鍵。且Mtb可重新編程宿主脂質代謝,這表明Mtb可以在脂質豐富的自噬體中生存[15]。且某些分枝桿菌蛋白會干擾吞噬體-溶酶體融合[16],一旦細菌通過抑制吞噬體融合而存活下來,它就會受到宿主防御機制 (包括程序性細胞死亡和其他調控形式的細胞死亡)的攻擊。據報道,有幾種Mtb蛋白可通過干擾多種細胞死亡途徑,而抑制細胞死亡信號可以預防T 淋巴細胞的啟動,從而延緩細胞介導的適應性免疫的關鍵過程,對Mtb提供保護性作用[17]。同時機體在外界環境的刺激 (饑餓、缺氧等情況)下,可通過抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 (mammalian target of rapamycin,m TOR)的表達從而抑制自噬,Mtb可以增加m TOR 的活性,抑制自噬。研究表示[18]抑制自噬可導致Mtb的持續性感染。

2.2 細胞自噬與結核的易感性 自噬通過回收有缺陷或功能失調的細胞器和蛋白質,維持細胞內平衡,并構成一種能量守恒機制。研究表明細胞自噬和Mtb的感染有明顯的關系。ULK1在細胞自噬的起始及成熟中發揮著關鍵的作用,在分析ULK1基因的多態性與肺結核之間的關系中發現[19],ULK1的rs7138581C 等位基因,rs7138581GC 基因型和rs9481GC基因型是肺結核的保護因子,可增加患肺結核的風險,同時rs7138581GC 基因型可間接反映肺結核患者病情的嚴重性;而rs9481A 等位基因是肺結核的危險因素,可降低患肺結核的風險;ULK1 的CCGAA 單體基因型可降低感染肺結核的風險,而TGAAA 可增加感染肺結核的風險。表明肺結核的易感性與ULK1的基因多態性及單核苷酸的多態性有關。Horne 等[20]研究還表明rs12297124基因的G-C的轉變可增加潛伏肺結核的易感性(結核潛伏感染)。但是目前關于結核易感性的調節中,ULK1的相關基因的轉化機制尚不明確。

3 新型治療研究

結核感染是全球公共衛生的一大威脅。目前的治療仍然圍繞著抗生素點療法。隨著抗生素耐藥性的增長,其他治療靶點將變得越來越重要。宿主定向治療 (host-directed therapy,HDT)是一種新的治療策略,旨在利用宿主免疫機制來對抗感染。HDT 的目的是通過使用藥理學增強內源性宿主免疫系統來對抗結核病感染。自噬是HDT 治療結核病的一個重要目標。特異性增強自噬的策略可分為兩類,一類參與抑制m TOR 通路,另一類不參與。Akt/m TOR通路中的幾個位點可能是促進自噬的靶點,如m TOR 自身或AMPK。雷帕霉素及其類似物直接抑制m TOR 復合物,也稱為 “雷帕霉素靶點”,是一種促進自噬的成熟機制。激活AMPK 抑制m TOR1 形成從而激活自噬[21](盡管其在Mtb感染治療中的作用需要進一步研究)。抑制ATGs和PIK3C3的藥物也在開發中;還有一些m TOR 無關的靶點可以促進自噬。

雷帕霉素類似物抑制m TOR 而促進自噬,增加巨噬細胞對抗Mtb感染的能力。雷帕霉素類似物包括西羅莫司、他克莫司和依維莫司[21]。這些藥物傳統上被用作抗癌治療,因為它們具有抑制生長的作用,然而,由于它們對Akt/m TOR 通路和自噬的影響,它們正在被研究用于治療結核病。作為一種新型的m TOR 抑制劑,有望作為Mtb感染的治療手段,并已被證明可以降低Mtb 的生長速度[22]。依維莫司是一種口服片劑,其不良反應低;此外,依維莫司具有比西羅莫司更大的生物利用度,它比西羅莫司更能減少血管炎癥[22]。在治療Mtb感染時,必須仔細權衡依維莫司對自噬的有益作用與它對免疫系統的影響。在高劑量時,依維莫司是一種有效的免疫抑制劑,在低劑量時,它具有增強宿主免疫能力的作用[23]。2014年進行的一項研究顯示[23],一組健康老年人在接受完6周一定劑量的依維莫司治療后,再注射流感疫苗,他們對流感疫苗的應答反應較未行依維莫司治療的老人組提高了20%。研究的受試者接受依維莫司的治療劑量低于移植患者,而移植患者在使用依維莫司時,Mtb感染風險相對較高[22]。一種被提議的機制是通過吸入納米顆粒制劑,將依維莫司傳遞到感染Mtb的靶細胞,而不引起系統免疫抑制[24]。吸入性雷帕霉素對細胞內分枝桿菌的清除效果優于溶液中的雷帕霉素。這些發現表明,雷帕霉素類似物如依維莫司,作為一種抗結核病的HDT 可能有很好的前景。

其他相關藥物包括鈣離子通道阻滯劑,如可樂定和米諾地爾,已被發現通過增加LC3水平誘導自噬[25]。一些抗精神病藥物,如鋰和丙戊酸,也通過降低三磷酸肌醇的水平來增加自噬,而三磷酸肌醇被認為促進自噬,盡管這一機制還知之甚少。鋰已經被證明可以抑制其他分枝桿菌的生長,但是需要進一步的研究來確定其在Mtb發病機制中的作用[26]。許多其他藥物也提出了自噬誘導機制,如白藜蘆醇、精胺、EGFR 拮抗劑、維生素D 和影響Beclin1或一氧化二氮的藥物[27],盡管還需要對它們的治療效果進行更多的研究。

除HDT 治療藥物的研究外,對于細胞免疫功能受損的個體,如人類免疫缺陷病毒陽性患者和糖尿病患者,由于機體無法產生足夠的Th1細胞介導的細胞免疫,巨噬細胞無法獲得殺菌功能;故宿主對Mtb高度敏感。而免疫功能降低是由于谷胱甘肽水平的降低,這已經在人類免疫缺陷病毒感染和2型糖尿病患者中被證明[28]。補充谷胱甘肽可以幫助恢復細胞因子平衡和增強肉芽腫反應[28]。谷胱甘肽是細胞內抗氧化系統的重要組成部分,具有保護細胞免受氧化應激和維持氧化還原平衡的作用。谷胱甘肽可能是抗生素和新的宿主定向療法的潛在輔助療法,有助于減輕細胞的氧化應激。

綜上,目前研究表明細胞自噬是針對肺結核的一個極優突破點,研究自噬相關基因的關鍵靶點及其作用機制,對降低機體對肺結核的易感性、增加機體對肺結核的抵御能力的進一步研究指明方向,而研究自噬相關基因與感染機體的靶向關系、機體中誘導及抑制自噬的干擾因素,可為結核藥物的進一步提升提供理論依據。在接下來的進程中我們應該通過細胞自噬的多面角色在肺結核的發生、發展中起到不同的作用,讓肺結核的發病率降低、治愈率提高、病殘率降低、患者的生活質量提高。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突