隐球菌侵袭血脑屏障相关机制研究进展

邱天文　朱红梅　温海

(上海市长征医院皮肤科 上海市医学真菌分子生物学重点实验室，上海 200003)



·综述·

隐球菌侵袭血脑屏障相关机制研究进展

邱天文朱红梅温海

(上海市长征医院皮肤科 上海市医学真菌分子生物学重点实验室，上海 200003)

隐球菌是一种环境机会致病菌，能够侵袭宿主中枢神经系统并引起致命性的隐球菌性脑膜脑炎。在隐球菌侵犯血脑屏障过程中，有许多重要的致病因素参与，如荚膜、尿素酶、磷脂酶等。其还可以通过多种途径穿越血脑屏障，造成脑部感染。近年来发现隐球菌还可以利用纤溶酶激活基质金属蛋白酶类，使其穿越血脑屏障。该文就隐球菌侵袭血脑屏障的相关机制研究进展作一综述。

隐球菌；血脑屏障；基质金属蛋白酶；MMP-9

隐球菌是一种环境腐生菌，广泛存在于环境和被鸽粪污染的土壤中。它易侵犯免疫缺陷人群，但最新研究表明隐球菌也能感染免疫正常的人群。隐球菌有强烈的嗜中枢特点[1]，其能利用多种方式侵袭人脑的血脑屏障，逃脱和麻痹宿主免疫监视，进入中枢神经系统，引发严重和致命的隐球菌性脑膜脑炎[2]。隐球菌性脑膜脑炎目前还没有非常好的特效药物治疗，死亡率很高。据有关专家的研究统计，全球每年大约有100万人新增感染隐球菌性脑膜炎，死亡60万以上[3]。据现有研究报道，隐球菌在侵入宿主的过程中，隐球菌和宿主两方面的多重因素参与了该过程的发生：隐球菌自身结构的荚膜多糖、尿素酶，透明质酸等其他毒力因子都能够共同促进隐球菌对中枢神经系统的感染；而“木马机制”“跨细胞内皮途径”“细胞旁途径”等都在隐球菌侵袭宿主过程中起重要作用。近年来，很多学者发现，隐球菌在侵袭宿主血脑屏障时，宿主体内的基质金属蛋白酶家族中的MMP-9等金属蛋白酶会被激活，使隐球菌更易穿过血脑屏障。

1　隐球菌侵袭血脑屏障的因素和途径

1.1隐球菌的致病因素

荚膜荚膜是隐球菌主要的致病因素，荚膜上的葡萄糖醛酰木糖基甘露聚糖 (GXM)和半乳糖木糖甘露聚糖 (GalXM)在逃脱宿主免疫监视和吞噬中起到特殊作用。有关研究显示，缺少荚膜的隐球菌，相比具有荚膜的菌株，其侵袭血管内皮细胞的能力很大程度上减弱[4-5]，这就表明，隐球菌穿过血脑屏障中，荚膜起到至关重要的作用。研究人员发现隐球菌B3501菌株 (野生株)在24 h后能通过体外血脑屏障模型，猜测隐球菌穿过血管内皮细胞的快慢，可能和其荚膜的厚薄有关[5]。进一步的研究还表明，穿透血脑屏障后，隐球菌的荚膜结构会发生相应变化[6]。

尿素酶尿素酶 (Urease)也是隐球菌致病因素之一[7]。有实验表明，被敲除尿素酶基因的隐球菌缺陷株和野生株相比较，其在动物实验中的死亡率明显降低。有研究进一步说明隐球菌可以利用尿素酶穿透血脑屏障[8]。

磷脂酶隐球菌能够表达磷脂酶B1,其具有溶血磷脂酶、溶血磷脂转酰基酶、磷脂酶B三种酶的活性[9]。隐球菌能够借助单核-巨噬细胞系统渗透通过血脑屏障，造成脑部感染，而隐球菌分泌的磷脂酶是抵御单核-巨噬细胞的杀伤的重要因素[10]。

1.2隐球菌中枢感染的途径

“木马”机制隐球菌侵入人体后，巨噬细胞和NKL细胞主动识别外来微生物病原体后进行吞噬，但是隐球菌能够在巨噬细胞中存活和复制[11-12]。Charlier等[13]的研究表明，人感染隐球菌后，取出骨髓产生的单核巨噬细胞，和同剂量的游离菌分别注入到健康的小鼠中，单核巨噬细胞组引起小鼠中枢神经系统感染的比率高于游离菌组。还有学者Santangelo等[14]研究表明，静脉注射磷脂酶缺陷的菌株不会引起小鼠的中枢神经系统的感染，但让单核巨噬细胞吞噬该菌株后，再次静脉注射，结果却发现了小鼠中枢神经系统感染；这些研究结果表明，隐球菌利用单核巨噬细胞作为一种载体和伪装的工具，让免疫系统无法监测，从而穿过血脑屏障引发中枢神经系统的感染。

跨内皮细胞途径Chang等[4]利用透射电子显微镜观察到了隐球菌能够被吞噬进入内皮细胞，且胞内被吞噬的隐球菌由膜性小泡状结构包裹，6 h后隐球菌穿出内皮细胞，到达体外血脑屏障模型的基膜侧。Shi等[15]则用活体显微镜，观察到了在实验动物体内，隐球菌通过跨内皮细胞方式穿过血脑屏障。隐球菌与血管内皮细胞相互作用过程中，内皮细胞表面可观察到微绒毛样突起[4]，这一内皮细胞的肌动蛋白骨架结构的改变，需要宿主细胞膜表面受体CD44分子及其配体透明质酸的相互作用。而有研究表明，透明质酸酶能够抑制隐球菌与血管内皮细胞的黏附能力[16]，并且不同菌株与内皮细胞的黏附能力与其细胞壁透明质酸含量呈相关关系。若用CD44分子特异性中和抗体，也能够有效够阻断隐球菌同内皮细胞的黏附[17]。在黏附过程中，脂筏结构是多种分子相互作用的平台，富集CD44受体分子和信号转导分子以及骨架蛋白，发挥“脚手架”作用[17-19]。

细胞旁途径细胞旁途径是指病原微生物通过细胞连接间隙渗透通过血脑屏障，但是该过程中可伴随或不伴随细胞间的紧密连接的破坏[20]。有研究表明，新生隐球菌表面的受体可以结合宿主来源的纤溶酶原[21]，纤溶酶原在纤溶酶原激活物，如组织型纤溶酶原激活物 (tPA)和尿激酶 (UPA)等作用下被激活转变为有活性的纤溶酶，后者进一步降解细胞外的纤维蛋白等其他蛋白，同时激活基质金属蛋白酶。而基质金属蛋白酶能够降解血管内皮细胞间的紧密连接蛋白和细胞外基质，促进病原菌穿过血管结构扩散到周围组织[22]。Stie等[23]研究发现，隐球菌表面结合纤溶酶后再和血管内皮细胞共同孵育，缺乏tPA的情况下，纤溶酶原被激活成为有活性的纤溶酶，细胞外基质被侵蚀的程度加深。这个研究表明，血管内皮细胞自身含有激活纤溶酶原的能力。Stie等[24]进一步研究发现，血管内皮细胞与隐球菌共孵育后，尿激酶基因的表达升高，干扰尿激酶的表达或使用尿激酶特异性抑制剂均阻断了纤溶酶原的活化，从而降低隐球菌的穿透血脑屏障的能力。以上研究都充分说明，隐球菌可以利用纤溶酶系统增强其侵袭宿主血脑屏障的能力。

2　基质金属蛋白酶的作用研究

基质金属蛋白酶 (matrix metalloproteinases MMPs)是一类由金属离子Zn2+、Ca2+等作为辅酶参与构成的复合酶。其在pH=7时，活性最好。金属蛋白酶主要以从细胞内外分泌到内环境的方式参与细胞外基质的代谢调节，从而精确控制细胞外基质 (ECM)的降解以及组织重塑的过程。目前已经明确的人类MMPs有26种之多。根据作用底物不同，可以将MMPs大致分为以下5大类：分别为明胶类、胶原酶类、基质降解素类、基质溶解素类、膜型基质金属蛋白酶类。基质金属蛋白酶类具有类似的功能结构，其分为5个功能不同的结构域组成:疏水信号肽序列、前肽片段区、催化活性区、富含脯氨酸的铰链区和羧基末端区。MMPs各蛋白酶类之间的功能不仅是相互有关的，而且也保持着各自的特异性。如某种金属蛋白酶可同时降解多种细胞外基质成分，而特定的细胞外基质成分又可被多种金属蛋白酶同时降解。除此之外，不同的酶，其底物选择有特异性，降解效率也是不同的。

MMPs参与人体许多正常的生理功能,如神经的发育、血管形成、基质的降解以及细胞凋亡等。在正常的情况下，基质金属蛋白酶被激活的量非常低，并且有受到内源性的组织抑制剂 (TIMPs)的调节。MMPs同时也参与了许多病理过程，如脑出血、肿瘤侵袭、动脉粥样硬化等。基质金属蛋白酶MMPs明胶酶类，主要为分子量92kD的MMP-9和72kD的MMP-2的这两种蛋白酶。MMP-9又称明胶酶-B，是Zn2+依赖性蛋白。Cuzner等[25]研究表明MMP-9主要由血管内皮细胞合成，Rosenberg等[26]进一步研究表明，MMP-9蛋白主要定位于神经元、血管内皮细胞及胶质细胞等，而MMP-9以无活性酶原被分泌到细胞外，会被活化的纤溶酶和MMP-3等活化。正常情况下，MMP-9酶原体内被激活后会迅速被降解，以防止其过度的活化而引起内坏境的破坏，因而组织中只有极低水平的活化MMP-9[27]。人正常脑组织中只有pro-MMP-9，而无活性的MMP-9，但在病理情况下，内源性途径的星形胶质细胞、小胶质细胞以及外源性途径的内皮细胞、渗出的中性粒细胞会分别大量分泌MMP-9。其被激活后，血脑屏障的完整结构即被破坏。

隐球菌在利用纤溶酶系统中，隐球菌可以通过促进内皮细胞S100A10基因和UPA基因的表达增加，使纤溶酶原活化为纤溶酶，降解细胞外基质的同时，激活基质金属蛋白酶类 (MMPs)，包括MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-13等等。基质金属蛋白酶可以分解细胞外基质、细胞表面成分，可以降解胶原、层连蛋白、软骨素等等[28-29]。在隐球菌致病条件下，宿主脑微血管内皮细胞内的MMP-9基因表达增加，且纤溶酶使无酶原活性的pro-mmp9蛋白大量转变为有活性的MMP-9,通过外分泌作用于血管内皮下的细胞外基质成分，使其降解，破坏血脑屏障完整性[26]。在通过纤溶酶和MMP-9共同降解细胞外基质的双重作用下，处于隐球菌致病因素下的血脑屏障失去最后的屏障作用，隐球菌则可以更容易穿过最后的屏障，进入人体大脑，引发隐球菌脑膜脑炎。

3　展　　望

近年来，人们发现免疫力正常的人群也可以感染隐球菌，而隐球菌脑膜炎作为隐球菌感染最主要的致死原因，其发病机制是研究的重点。除了已经发现隐球菌侵袭中枢的致病因子的作用以及隐球菌突破血脑屏障的3条公认途径之外，隐球菌还可以利用金属蛋白酶的激活，使其侵犯血脑屏障。以上的这些研究成果都为隐球菌性脑膜脑炎的防治提供了新的方向。未来有必要进一步进行深入研究，获取有效治愈隐球菌脑膜脑炎的新手段。

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[本文编辑]施慧

2016-05-13

国家自然科学基金 (31470252,81271800,31270181)

邱天文，男 (汉族)，硕士研究生在读.E-mail:872280290@qq.com

温海,E-mail:wenhaipfk@126.com;朱红梅，E-mail:hmzhu_cn@163.com

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B

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