羅云蔓,郭曉奎,姜敘誠

1. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)教研室,上海 200025; 2. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué)教研室,上海 200025

單核-巨噬細(xì)胞(mononuclear macrophage)包括外周血中的單核細(xì)胞(monocyte)以及組織內(nèi)的巨噬細(xì)胞(macrophage)。兩者均起源于骨髓多能造血干細(xì)胞,在骨髓中分化、發(fā)育為幼稚單核細(xì)胞；然后進(jìn)一步發(fā)育,轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓膯魏思?xì)胞并入血;在血液內(nèi)停留12～24 h后穿透血管內(nèi)皮細(xì)胞,進(jìn)入全身各組織和器官,變成巨噬細(xì)胞。因?yàn)榇嬖谟诓煌慕M織和器官,所以有不同的命名。單核-巨噬細(xì)胞具有很強(qiáng)的吞噬能力,可以吞噬異物、病原菌、衰老和突變的細(xì)胞等,在機(jī)體固有免疫和適應(yīng)性免疫中均發(fā)揮重要作用。處于功能靜止期的巨噬細(xì)胞稱為固著巨噬細(xì)胞。當(dāng)病原菌入侵時(shí),其表面存在一些結(jié)構(gòu)恒定且進(jìn)化保守的分子結(jié)構(gòu),統(tǒng)稱為病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP),它們可被巨噬細(xì)胞表面的模式識別受體(pattern-recognition receptor,PRR)識別并黏附,隨后誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞活化?；罨木奘杉?xì)胞在趨化因子作用下,向感染灶聚集,并伸出偽足，包繞病原菌。偽足融合后,病原菌即被攝入細(xì)胞內(nèi)，形成吞噬小體(phagosome),后者在向細(xì)胞內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的過程中會獲得多種水解酶,并通過其膜上的質(zhì)子泵-ATP酶逐漸酸化而成熟,然后與胞內(nèi)的溶酶體融合,形成吞噬溶酶體(phagolysosome),最后啟動(dòng)多種途徑,如通過活性氧中間物、活性氮中間物以及溶酶體酶等將病原菌降解、殺滅。被降解的病原菌分解產(chǎn)物通過胞吐作用被清除至細(xì)胞外。為逃避宿主的免疫清除,病原菌也逐漸進(jìn)化形成多種有效的防御策略,使自身得以在宿主體內(nèi)存活并繁殖。在與巨噬細(xì)胞相互作用的病原菌中,有的作用較強(qiáng),如沙門菌、李斯特菌等能夠有效地侵襲并進(jìn)入巨噬細(xì)胞,阻斷巨噬細(xì)胞的某些生理功能,最終將巨噬細(xì)胞殺滅而大量播散;有的作用則相對較弱,如分枝桿菌、衣原體屬等進(jìn)入機(jī)體后并不激活巨噬細(xì)胞,而是通過抑制巨噬細(xì)胞的殺菌活性等方式使其得以在巨噬細(xì)胞內(nèi)增殖[1]。病原菌逃避單核-巨噬細(xì)胞殺滅的機(jī)制可分為以下4個(gè)方面。

1 抗巨噬細(xì)胞的吞噬作用

巨噬細(xì)胞強(qiáng)有力的吞噬功能對病原菌構(gòu)成了很大的威脅,病原菌可通過逃避吞噬作用而避免其后在胞內(nèi)被降解和殺滅。這一機(jī)制主要通過以下3種方式來實(shí)現(xiàn)。

1.1 病原菌利用某些成分作為屏障免于被巨噬細(xì)胞識別

莢膜的抗吞噬作用主要與3個(gè)因素有關(guān):親水性、偽裝性以及可以屏蔽其內(nèi)部受調(diào)理素作用的成分。肺炎鏈球菌的莢膜多糖能有效遮蔽自身抗原表位及PAMP,使得巨噬細(xì)胞無法識別,從而逃避巨噬細(xì)胞的吞噬[2]。金黃色葡萄球菌分泌的凝固酶,可使宿主血漿中的纖維蛋白原轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)纖維蛋白,后者包繞在病原菌周圍,使得病原菌表面的抗原結(jié)構(gòu)被屏蔽而不能被巨噬細(xì)胞識別,從而有效抵抗巨噬細(xì)胞的吞噬[2]。腸外致病性大腸埃希菌可表達(dá)一種多糖成分——K2莢膜。Buckles等[3]發(fā)現(xiàn)K2莢膜等位基因突變株對人血漿中補(bǔ)體成分比野生株更易感,不易在宿主泌尿道和腎臟中定植;而將含有K2莢膜等位基因的質(zhì)粒導(dǎo)入該突變株后,可恢復(fù)其K2莢膜的表達(dá),并增強(qiáng)其在宿主泌尿道存活的能力及對宿主血漿中補(bǔ)體的抗性。其機(jī)制在于:K2莢膜可以有效屏蔽該菌表面與血漿補(bǔ)體結(jié)合的抗原,從而避免補(bǔ)體介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞吞噬作用。

1.2 通過抑制補(bǔ)體激活干擾調(diào)理作用

當(dāng)病原菌感染宿主后,機(jī)體血漿中的補(bǔ)體C3被激活,產(chǎn)生大量C3b,后者具有特殊結(jié)構(gòu),一端可黏附病原菌表面,另一端通過巨噬細(xì)胞表面相應(yīng)的受體與之結(jié)合,介導(dǎo)巨噬細(xì)胞對病原菌的吞噬和殺滅,補(bǔ)體的這一功能稱為調(diào)理作用[4]。Rooijakkers等[5]提出金黃色葡萄球菌可通過分泌一種補(bǔ)體抑制因子而降低由補(bǔ)體介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞吞噬作用。Kuo等[6]在研究中發(fā)現(xiàn)鏈球菌致熱外毒素B(streptococcal pyrogenic exotoxin B,SPE B)是A群鏈球菌感染的重要毒力因子,它能降低血漿補(bǔ)體C3的水平,從而抵抗補(bǔ)體的破壞及調(diào)理吞噬作用。

1.3 抑制吞噬過程所需的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的重排

巨噬細(xì)胞的活動(dòng)力很強(qiáng),能借助細(xì)胞內(nèi)的肌動(dòng)蛋白系統(tǒng)吞噬外來的異物。耶爾森菌是一種革蘭陰性菌,當(dāng)它與宿主細(xì)胞(巨噬細(xì)胞、樹突細(xì)胞和中性粒細(xì)胞等)接觸后,其Ⅲ型分泌裝置便將病原菌的效應(yīng)蛋白注入宿主靶細(xì)胞[7]。其中有4種效應(yīng)蛋白——YopE、YopH、YopT和YopO,能夠阻斷正常吞噬過程中的肌動(dòng)蛋白重排,導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的細(xì)胞骨架解離[8],從而降低巨噬細(xì)胞的吞噬能力,增強(qiáng)病原菌自身的毒力。

2 抗吞噬溶酶體的降解作用

許多病原菌即使被巨噬細(xì)胞吞噬,也依然能引起宿主感染,一個(gè)重要的原因就在于它們能抵抗巨噬細(xì)胞內(nèi)吞噬溶酶體的降解作用。

2.1 抑制吞噬小體與溶酶體的融合

化膿性鏈球菌的M蛋白及M樣蛋白能抑制脫顆粒作用以及吞噬小體與溶酶體嗜苯胺藍(lán)顆粒的融合,從而避免被溶酶體降解[9]。布魯桿菌的脂多糖分為光滑型和粗糙型,主要區(qū)別在于前者具有O抗原結(jié)構(gòu),能使光滑型布魯桿菌通過被稱為脂筏或脂質(zhì)微結(jié)構(gòu)域的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)入巨噬細(xì)胞,該途徑不同于一般的細(xì)胞內(nèi)體途徑,不能形成吞噬小體,故不能與溶酶體融合而降解殺菌[10]。而結(jié)核分枝桿菌則通過若干機(jī)制抑制吞噬小體與溶酶體的融合。Sturgill-Koszycki等[11]發(fā)現(xiàn)，結(jié)核分枝桿菌被巨噬細(xì)胞吞噬后形成的吞噬小體內(nèi)部pH值較高(6.2～6.3),且缺乏質(zhì)子泵-ATP酶,故小體內(nèi)氫離子會逸出,這種非酸化的吞噬小體有利于結(jié)核分枝桿菌生存。在巨噬細(xì)胞內(nèi)吞噬小體成熟的初期,早期內(nèi)體會短暫地形成GTP結(jié)合蛋白Rab5,Rab5的累積在磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K)的作用下會導(dǎo)致磷脂酰肌醇-3磷酸(phosphatidylinositol 3-phosphate,PI3P)的生成,后者是膜轉(zhuǎn)運(yùn)和吞噬小體成熟所必需的。Fratti等[12]發(fā)現(xiàn)結(jié)核分枝桿菌的一種胞壁成分脂阿拉伯甘露聚糖可抑制PI3P的產(chǎn)生;另外,Vergne等[13]指出結(jié)核分枝桿菌還可生成一種磷酸酶SapM,特異性降解已經(jīng)生成的PI3P。這2種機(jī)制共同參與抑制吞噬小體的成熟及其與溶酶體的融合。

2.2 從吞噬小體內(nèi)逸入細(xì)胞質(zhì)

產(chǎn)單核細(xì)胞李斯特菌能分泌李斯特溶菌素O(listeriolysin O),后者屬于膽固醇依賴性溶細(xì)胞素家族,可在吞噬小體上聚合,使之形成多個(gè)孔洞。一方面導(dǎo)致吞噬小體內(nèi)的氫離子逸出,吞噬小體無法酸化、成熟,不能進(jìn)一步與溶酶體融合;另一方面也為該菌逸入非酸性的巨噬細(xì)胞胞質(zhì)提供了窗口,使得該菌可逃避溶酶體的降解[14]。

3 誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的凋亡或壞死

以上2種病原菌逃避巨噬細(xì)胞殺滅的方式是相對被動(dòng)的,直接誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞凋亡或壞死則是病原菌強(qiáng)效而主動(dòng)的對抗方式。雖然目前病原菌誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞凋亡或壞死的機(jī)制尚不十分明確,但推測病原菌的某些毒力因子如內(nèi)毒素、外毒素、侵襲素、超抗原以及Ⅲ型分泌裝置等可能與該機(jī)制有關(guān),它們在病原菌逃避宿主的第1道免疫防線中發(fā)揮重要作用。此外,凋亡的巨噬細(xì)胞還可通過分泌炎癥細(xì)胞因子來誘發(fā)炎癥反應(yīng),這也是導(dǎo)致感染被嚴(yán)格局限的重要原因。

3.1 毒素

金黃色葡萄球菌能表達(dá)2種成孔毒素(pore-forming toxin,PFT),即α溶血素和白細(xì)胞毒素。低劑量的成孔毒素與巨噬細(xì)胞受體結(jié)合后,使鈉離子內(nèi)流。一方面,鈉離子的內(nèi)流可引起細(xì)胞內(nèi)、外離子的失衡,對細(xì)胞有一定的毒性;另一方面,鈉離子的流入又可導(dǎo)致胞內(nèi)鈣離子濃度增加,后者可作為第二信使誘發(fā)巨噬細(xì)胞凋亡。而高劑量的成孔毒素會在細(xì)胞膜上形成較大的孔道,使鈣離子自由進(jìn)出細(xì)胞,對細(xì)胞產(chǎn)生較強(qiáng)的毒性作用,使其壞死,從而逃避巨噬細(xì)胞的殺傷[15]。Lee等[16]發(fā)現(xiàn)痢疾志賀菌和腸出血性大腸埃希菌產(chǎn)生的志賀毒素1(Shigatoxin-1,Stx1)能誘導(dǎo)人急性單核細(xì)胞白血病THP-1細(xì)胞株凋亡。Stx1一方面可引起巨噬細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng),使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)儲存的鈣離子釋放入胞質(zhì),激活蛋白酶calpain,并誘導(dǎo)半胱天冬酶8前體(procaspase-8)的生成,最終激活半胱天冬酶8(caspase-8)和半胱天冬酶3(caspase-3),從而誘導(dǎo)THP-1細(xì)胞凋亡;另一方面,Stx1還可上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein, CHOP)的表達(dá),CHOP再通過上調(diào)DR5蛋白死亡結(jié)構(gòu)域的表達(dá)和下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá),使THP-1細(xì)胞發(fā)生凋亡。

3.2 侵襲素

研究表明,對于同一種病原菌,具有侵襲力的菌株往往可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞凋亡,而某些不具侵襲力的突變株一般不能引起凋亡。野生型福氏志賀菌產(chǎn)生的侵襲蛋白IpaB與巨噬細(xì)胞胞膜上的白細(xì)胞介素1β轉(zhuǎn)化酶(interleukin 1β converting enzyme, ICE)或半胱天冬酶1(為一效應(yīng)性分子,參與執(zhí)行細(xì)胞凋亡[17])結(jié)合后可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞凋亡。

3.3 Ⅲ型分泌裝置

Ⅲ型分泌裝置存在于多種病原菌中,是病原菌重要的毒力因子之一。此外,病原菌還能分泌一些無信號肽蛋白,即效應(yīng)蛋白。當(dāng)致病菌與宿主細(xì)胞接觸后,前者可將這些效應(yīng)蛋白通過該裝置轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主細(xì)胞內(nèi),以改變宿主細(xì)胞的功能,最終產(chǎn)生相應(yīng)的致病效應(yīng)。耶爾森菌在體內(nèi)、外均可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞發(fā)生凋亡,它通過Ⅲ型分泌裝置將質(zhì)粒編碼的外膜蛋白YopJ(Yersiniaouter protein J)轉(zhuǎn)運(yùn)到巨噬細(xì)胞胞質(zhì)中,YopJ再通過抑制絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號通路誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞凋亡。而NF-κB主要通過上調(diào)某些凋亡抑制基因表達(dá)促進(jìn)細(xì)胞存活[18]。

4 抑制巨噬細(xì)胞凋亡或壞死

某些病原菌不能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞凋亡或壞死,相反卻可通過抑制其凋亡或壞死的方式將其作為一個(gè)保護(hù)性屏障,抑制病原菌抗原的釋放,從而抑制抗原呈遞和適應(yīng)性免疫應(yīng)答的誘導(dǎo),最終有利于病原菌在宿主體內(nèi)播散。Zhang等[19]發(fā)現(xiàn)結(jié)核分枝桿菌毒株H37Rv誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞凋亡數(shù)量明顯少于減毒株H37Ra,因?yàn)镠37Rv可通過誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)抑制細(xì)胞凋亡,而該蛋白在H37Ra感染的巨噬細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)。這一機(jī)制并不僅僅局限于胞內(nèi)菌。最近有研究證實(shí),典型的胞外菌,即金黃色葡萄球菌可有效抵抗巨噬細(xì)胞所介導(dǎo)的殺傷作用[20]。Koziel等[21]發(fā)現(xiàn)該菌可抑制巨噬細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞色素C釋放及隨后的caspase-3活化,上調(diào)一些如bcl-2和mcl-1抗凋亡基因的表達(dá),而mcl-1又可抑制某些促凋亡基因如bax和bak的表達(dá),最終抑制巨噬細(xì)胞凋亡。

5 結(jié)語

目前,單核-巨噬細(xì)胞與病原菌的相互作用仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)意義的研究課題,兩者在長期的較量過程中,相互競爭、相互促進(jìn)。因此,研究兩者間相互作用機(jī)制將有利于探索感染性疾病的發(fā)生、發(fā)展與轉(zhuǎn)歸,深入了解機(jī)體的固有免疫。對于某些目前致病機(jī)制尚未明確的病原菌感染,也可分別從以上4個(gè)方面入手,逐步探究它們與巨噬細(xì)胞的關(guān)系。但是,很多病原菌的致病機(jī)制十分復(fù)雜,并不局限于只與宿主的固有免疫發(fā)生反應(yīng),因此還需綜合考慮其他因素的影響。

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