细胞自噬与肺结核的研究进展

李容 顾玉海 多杰

1青海大学研究生院,西宁810000;2青海省人民医院呼吸与危重症医学科,西宁810000

1 细胞自噬

自噬是细胞内的一种内稳态过程,通过溶酶体降解去除蛋白聚集体和受损细胞器来维持细胞内稳态过程。这一过程对细胞在应激条件下生存是至关重要的,包括从细胞中消除不必要的或损坏的元素[1]。它也是清除入侵病原体的关键过程,使其成为定向治疗的潜在靶点[2-3]。

在细胞应激时通过溶酶体降解来降解受损的细胞成分和细胞器,帮助机体渡过难关,同时其也是先天免疫的一部分,参与消灭细胞内病原体,此外细胞自噬还可能参与调节先天和适应性免疫系统[2]。

2 肺结核和细胞自噬

结核分枝杆菌 (mycobacterium tuberculosis,Mtb)是结核的病原体,是一种非常成功的细胞内病原体,可长期存活于巨噬细胞的细胞质中并逃避细胞免疫的追杀。肺结核的感染通常由吸入含有Mtb的气溶胶液滴进入肺泡后开始。肺结核是一种严重的传染病,每年夺去无数人的生命。虽然目前肺结核可通过一线药物治疗,包括异烟肼、利福平、吡嗪酰胺、乙胺丁醇和链霉素,至少6 个月有效治疗[4],然而肺结核的预后却不尽如人意。一线治疗往往不能治愈结核病的原因包括：患者不遵守,药物水平不合适,药物短缺或其他因素,导致肺结核治疗失败、结核播散、耐药结核的出现、结核复发等。因此,迫切需要新的治疗策略,包括减少机体对结核杆菌的易感性、增强机体对结核杆菌的防御力、寻找可提高受感染宿主免疫防御能力的药物等措施。

在Mtb感染中,存在2种自噬途径,最终导致自溶酶体的形成。第一个经典途径是噬菌体吞噬,又称异种吞噬,它是由Mtb感染后早期激活细菌分泌性抗原靶分泌系统,导致吞噬体膜的破坏[5]。接下来,干扰素刺激因子(STING)依赖性通路可识别细菌表面的DNA;STING 途径可直接导致细菌泛素化,parkin连接酶、Smurf1连接酶和TRIM3连接酶均参与了细菌泛素化过程[6];从而触发细胞自噬。接下来,lc3 经泛素化加工后与泛素化连接酶p62和NPD52共价结合,导致自噬成分的募集,从而在细菌周围形成吞噬团[7]。第二种途径被称为LC3 相关吞噬(LAP)途径,其自噬体为单膜,该途径开始于Mtb激活Toll样受体,导致病原体的吞噬;这最终导致与细胞溶酶体融合并破坏病原体[8]。

2.1 细胞自噬与结核发生、发展的相互关系 Mtb是结核病的致病菌。吸入含有细菌的气溶胶滴液后,肺泡巨噬细胞、树突状细胞和招募的单核细胞通过各种模式识别受体识别Mtb[9]。这些受体启动不同的信号转导途径,包括核转录因子κB和丝裂原活化蛋白激酶信号通路,诱导细胞因子和趋化因子在宿主细胞内产生[10]。这些效应分子可调控细菌生长,促进适应性免疫反应。Mtb被吞噬后,通过吞噬作用形成含有Mtb抗原的吞噬体,Mtb抗原被加工成对Mtb有特异性的CD4+T 细胞和CD8+T 细胞,产生多种细胞因子激活巨噬细胞和淋巴细胞。

为了成功地消灭病原体,先天免疫反应和适应性免疫反应都集中于自噬。在最初的固有免疫反应之后,开始出现适应性免疫,以控制细菌的分裂;适应免疫应答一般出现在Mtb初次暴露后3～8周,宿主对Mtb感染的有效免疫应答依赖于适当的T 细胞亚群和受感染的巨噬细胞之间的相互作用。适应性免疫受损常导致临床结核病。自噬参与适应性免疫,促进抗原表达,最终导致肉芽肿的形成。肉芽肿的形成是结核病的病理学特征,肉芽肿为T 细胞提供了合适的微环境,在这里可以激活被Mtb感染的巨噬细胞,抑制细菌生长并为细胞免疫反应提供感染部位的具体位置。肉芽肿的形成在很大程度上依赖于T 细胞介导的免疫反应和巨噬细胞分泌的细胞因子,如干扰素γ和肿瘤坏死因子家族成员。趋化因子的即时性和持续分泌及单核细胞和淋巴细胞的募集、迁移和聚集等因素对Mtb感染部位的肉芽肿形成至关重要。肉芽肿由多种免疫细胞组成,包括巨噬细胞、树突状细胞、T 细胞、成纤维细胞、上皮样组织细胞、巨细胞和自然杀伤细胞。肉芽肿提供了一个物理屏障,包裹并阻止细菌传播。这种局部环境允许这些免疫细胞相互作用,并有效地杀死Mtb。自噬可通过增强抗原表达,促进了Mtb感染中先天免疫反应和适应性免疫反应之间的相互作用。据报道[11],自噬包括向MHCⅡ类抗原呈递分子传递外源性和内源性抗原,以及通过MHCⅠ类抗原呈递分子呈递病毒抗原,此外自噬还可协助MHCⅡ的分类表达,增加MHCⅡ的转化率,并提高MHCⅡ类细胞对CD4+T 细胞的表达,这些在Mtb防御中尤其重要。除了抗原呈递,适应性免疫系统和自噬还可以通过产生细胞因子在防御Mtb中维持协同关系。Th1细胞可产生干扰素γ而诱发自噬。同时,自噬能增加肿瘤坏死因子α、IL-6、IL-8的产生[11]。特异性T 细胞与Mtb感染的巨噬细胞之间的细胞-细胞接触也可诱导自噬[12]。然后自噬信号最终通过比传统吞噬体的抗菌膜更强的溶解性和抗菌性杀死分枝杆菌。此外Mtb感染时,宿主巨噬细胞通过诱导细胞凋亡 (或其他形式的细胞死亡),促进吞噬体-溶酶体融合、产生自由基和活性氮、诱导自噬、分泌干扰素和细胞因子来防御病原体[12]。这些反应标志着适应性免疫反应通过启动特异性抗原T 细胞和随后产生的记忆性T 细胞对病原体进行清除。

然而,Mtb可以通过逃避宿主免疫和巨噬细胞的攻击进行反击。例如,Mtb通过改变噬菌体的运输途径,阻止其自身被消灭,Mtb 可利用磷脂酰肌醇甘露糖苷刺激Rab14,促进吞噬体与早期内胚体融合,预防吞噬体成熟和酸化。同时,Mtb可通过成功地操纵宿主膜的转运、重组含分枝杆菌的吞噬溶酶体以及调节细胞死亡信号以实现其进一步定植、持续和复制的目的[13]。Mtb可以阻止自噬体和溶酶体的融合,从而降低巨噬细胞对感染刺激的敏感性[14],病原体抑制吞噬体-溶酶体融合的能力是感染开始的关键。且Mtb可重新编程宿主脂质代谢,这表明Mtb可以在脂质丰富的自噬体中生存[15]。且某些分枝杆菌蛋白会干扰吞噬体-溶酶体融合[16],一旦细菌通过抑制吞噬体融合而存活下来,它就会受到宿主防御机制 (包括程序性细胞死亡和其他调控形式的细胞死亡)的攻击。据报道,有几种Mtb蛋白可通过干扰多种细胞死亡途径,而抑制细胞死亡信号可以预防T 淋巴细胞的启动,从而延缓细胞介导的适应性免疫的关键过程,对Mtb提供保护性作用[17]。同时机体在外界环境的刺激 (饥饿、缺氧等情况)下,可通过抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 (mammalian target of rapamycin,m TOR)的表达从而抑制自噬,Mtb可以增加m TOR 的活性,抑制自噬。研究表示[18]抑制自噬可导致Mtb的持续性感染。

2.2 细胞自噬与结核的易感性 自噬通过回收有缺陷或功能失调的细胞器和蛋白质,维持细胞内平衡,并构成一种能量守恒机制。研究表明细胞自噬和Mtb的感染有明显的关系。ULK1在细胞自噬的起始及成熟中发挥着关键的作用,在分析ULK1基因的多态性与肺结核之间的关系中发现[19],ULK1的rs7138581C 等位基因,rs7138581GC 基因型和rs9481GC基因型是肺结核的保护因子,可增加患肺结核的风险,同时rs7138581GC 基因型可间接反映肺结核患者病情的严重性;而rs9481A 等位基因是肺结核的危险因素,可降低患肺结核的风险;ULK1 的CCGAA 单体基因型可降低感染肺结核的风险,而TGAAA 可增加感染肺结核的风险。表明肺结核的易感性与ULK1的基因多态性及单核苷酸的多态性有关。Horne 等[20]研究还表明rs12297124基因的G-C的转变可增加潜伏肺结核的易感性(结核潜伏感染)。但是目前关于结核易感性的调节中,ULK1的相关基因的转化机制尚不明确。

3 新型治疗研究

结核感染是全球公共卫生的一大威胁。目前的治疗仍然围绕着抗生素点疗法。随着抗生素耐药性的增长,其他治疗靶点将变得越来越重要。宿主定向治疗 (host-directed therapy,HDT)是一种新的治疗策略,旨在利用宿主免疫机制来对抗感染。HDT 的目的是通过使用药理学增强内源性宿主免疫系统来对抗结核病感染。自噬是HDT 治疗结核病的一个重要目标。特异性增强自噬的策略可分为两类,一类参与抑制m TOR 通路,另一类不参与。Akt/m TOR通路中的几个位点可能是促进自噬的靶点,如m TOR 自身或AMPK。雷帕霉素及其类似物直接抑制m TOR 复合物,也称为 “雷帕霉素靶点”,是一种促进自噬的成熟机制。激活AMPK 抑制m TOR1 形成从而激活自噬[21](尽管其在Mtb感染治疗中的作用需要进一步研究)。抑制ATGs和PIK3C3的药物也在开发中;还有一些m TOR 无关的靶点可以促进自噬。

雷帕霉素类似物抑制m TOR 而促进自噬,增加巨噬细胞对抗Mtb感染的能力。雷帕霉素类似物包括西罗莫司、他克莫司和依维莫司[21]。这些药物传统上被用作抗癌治疗,因为它们具有抑制生长的作用,然而,由于它们对Akt/m TOR 通路和自噬的影响,它们正在被研究用于治疗结核病。作为一种新型的m TOR 抑制剂,有望作为Mtb感染的治疗手段,并已被证明可以降低Mtb 的生长速度[22]。依维莫司是一种口服片剂,其不良反应低;此外,依维莫司具有比西罗莫司更大的生物利用度,它比西罗莫司更能减少血管炎症[22]。在治疗Mtb感染时,必须仔细权衡依维莫司对自噬的有益作用与它对免疫系统的影响。在高剂量时,依维莫司是一种有效的免疫抑制剂,在低剂量时,它具有增强宿主免疫能力的作用[23]。2014年进行的一项研究显示[23],一组健康老年人在接受完6周一定剂量的依维莫司治疗后,再注射流感疫苗,他们对流感疫苗的应答反应较未行依维莫司治疗的老人组提高了20%。研究的受试者接受依维莫司的治疗剂量低于移植患者,而移植患者在使用依维莫司时,Mtb感染风险相对较高[22]。一种被提议的机制是通过吸入纳米颗粒制剂,将依维莫司传递到感染Mtb的靶细胞,而不引起系统免疫抑制[24]。吸入性雷帕霉素对细胞内分枝杆菌的清除效果优于溶液中的雷帕霉素。这些发现表明,雷帕霉素类似物如依维莫司,作为一种抗结核病的HDT 可能有很好的前景。

其他相关药物包括钙离子通道阻滞剂,如可乐定和米诺地尔,已被发现通过增加LC3水平诱导自噬[25]。一些抗精神病药物,如锂和丙戊酸,也通过降低三磷酸肌醇的水平来增加自噬,而三磷酸肌醇被认为促进自噬,尽管这一机制还知之甚少。锂已经被证明可以抑制其他分枝杆菌的生长,但是需要进一步的研究来确定其在Mtb发病机制中的作用[26]。许多其他药物也提出了自噬诱导机制,如白藜芦醇、精胺、EGFR 拮抗剂、维生素D 和影响Beclin1或一氧化二氮的药物[27],尽管还需要对它们的治疗效果进行更多的研究。

除HDT 治疗药物的研究外,对于细胞免疫功能受损的个体,如人类免疫缺陷病毒阳性患者和糖尿病患者,由于机体无法产生足够的Th1细胞介导的细胞免疫,巨噬细胞无法获得杀菌功能;故宿主对Mtb高度敏感。而免疫功能降低是由于谷胱甘肽水平的降低,这已经在人类免疫缺陷病毒感染和2型糖尿病患者中被证明[28]。补充谷胱甘肽可以帮助恢复细胞因子平衡和增强肉芽肿反应[28]。谷胱甘肽是细胞内抗氧化系统的重要组成部分,具有保护细胞免受氧化应激和维持氧化还原平衡的作用。谷胱甘肽可能是抗生素和新的宿主定向疗法的潜在辅助疗法,有助于减轻细胞的氧化应激。

综上,目前研究表明细胞自噬是针对肺结核的一个极优突破点,研究自噬相关基因的关键靶点及其作用机制,对降低机体对肺结核的易感性、增加机体对肺结核的抵御能力的进一步研究指明方向,而研究自噬相关基因与感染机体的靶向关系、机体中诱导及抑制自噬的干扰因素,可为结核药物的进一步提升提供理论依据。在接下来的进程中我们应该通过细胞自噬的多面角色在肺结核的发生、发展中起到不同的作用,让肺结核的发病率降低、治愈率提高、病残率降低、患者的生活质量提高。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突