侵袭性肺炎球菌疾病与心肌细胞损伤的研究进展

荣柏洋 王静 牛慧 赵志鹏 朱文凯 胡曼青 谢建军

侵袭性肺炎球菌疾病(Invasive Pneumococcal Disease，IPD)是由肺炎球菌引起的急性细菌性疾病。可引发菌血症性肺炎、败血症、细菌性脑膜炎等。肺炎球菌性疾病是全球严重的公共卫生问题之一，在儿童和成年人群中有较高的发病率和死亡率[1]。在65岁以上的老年人中，因IPD住院患者的全因死亡率明显增加，不良心血管事件(如心肌梗塞、心律失常和心力衰竭)是导致老年IPD患者住院期间及出院后死亡的主要原因[2]。本文对肺炎球菌在IPD病程中引起心肌细胞损伤涉及的特定宿主-病原体相互作用予以分析。

肺炎球菌细胞壁介导的心肌细胞收缩功能受抑制

在肺炎球菌感染期间，肺炎球菌细胞壁通常脱落，并与肺上皮细胞和血管内皮细胞结合。研究表明，Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)在肺炎球菌感染期间出现的心肌细胞损伤中起重要作用。TLR是单个跨膜的非催化性蛋白质，除了识别病原微生物的保守结构基序，即病原体相关的分子模式外，也可通过危险相关的分子模式，发现坏死或垂死细胞释放的内源性分子以激活宿主免疫系统产生免疫应答[3]。TLR结构中的异二聚体结合肺炎球菌细胞壁中的二酰基脂蛋白，并通过3个亚型识别肺炎球菌的不同菌体成分。其中，TLR4识别肺炎球菌溶血素，TLR5识别鞭毛蛋白，TLR9识别细菌DNA。TLR与配体结合后，通过适配分子、髓样分化标记物-88或含有诱导干扰素适配器的Toll结构域，引起促炎信号释放，激活核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)或干扰素调节因子3，均与IPD感染期间的心肌细胞损伤有关[4-5]。

研究发现，心肌细胞暴露于纯化的肺炎球菌细胞壁后，收缩功能受到明显抑制，给予血小板活化因子受体(platelet-activating factor receptor，PAFR)拮抗剂可以逆转。肺炎球菌细胞壁含有磷酸胆碱(ChoP)残基，类似磷脂激活剂血小板活化因子(platelet-activating factor receptor，PAF)的结构特征，可发挥细菌粘附素的作用。PAF是由巨噬细胞、嗜中性粒细胞、血小板、血管内皮细胞和受损心肌细胞产生的炎性磷脂，可提高血管通透性、促使血小板和白细胞凝聚、增加花生四烯酸释放，并对心脏具有负性肌力作用。研究表明，模型小鼠小剂量给予PAF未明显减弱心肌收缩力，长期大剂量应用则可明显抑制心肌收缩功能并引起心律失常。可能部分与内源性激活NF-kB所致，后者具有可逆的抑制心肌细胞收缩性的作用，也与PAF诱导的其他内源性炎性介质释放有关。肺炎球菌细胞壁的ChoP残基与PAFR结合后，诱导细胞活化并产生多种生物学效应，包括激活促炎转录因子和NF-kB，引起血管舒缩及超氧化物生成，增强花生四烯酸代谢以及释放促炎因子和细胞因子等，均可能直接或间接影响心肌细胞的收缩功能[6]。值得注意的是，心肌细胞暴露于肺炎球菌细胞壁并不直接引起死亡[7]。因此，肺炎球菌细胞壁对心肌细胞收缩功能的负面影响可能仅限于感染的早期阶段。

肺炎球菌侵入心肌细胞形成微病变

肺炎球菌进入血循环后，经过受体结合和跨细胞转运过程侵入心肌细胞。首先，在胆碱结合蛋白A(choline-binding protein A，CbpA)介导下，肺炎球菌与层粘连蛋白受体(laminin receptor，LR)结合，实现与血管内皮细胞粘附。然后，在磷酸胆碱介导下通过与PAFR相互作用，肺炎球菌被摄取和跨细胞转运。肺炎球菌进入心肌细胞后形成离散的直径约10～100 um的微病变。在死于IPD的9例人体尸检心脏标本中，有2例患者的心肌细胞内检测到微病变[8]。对模型小鼠研究发现，微病变可在左右心室肌中形成，多位于血管附近，并伴有异常电生理改变。与金黄色葡萄球菌引起的心肌脓肿不同，微病变内并无炎症细胞浸润。由于无明显的炎症反应，心肌细胞微病变内的肺炎球菌可以正常复制，随着疾病进展，心肌细胞的微病变逐渐融合增大[9]。也有研究发现，活组织分析显示，心肌细胞的微病变除了含有肺炎球菌外，也有少量炎症细胞浸润，这在肺炎球菌TIGR4菌株最明显。提示心肌细胞微病变有无炎症反应可能与不同的肺炎球菌菌株感染有关[10]。进一步研究发现，感染小鼠给予抗生素治疗后，心肌细胞微病变会逐渐融合并形成微小瘢痕，与外伤后病变部位内的胶原沉积相类似。同时，感染小鼠体内转化生长因子-b表达水平升高，以调节成纤维细胞基因表达，修复受损心肌。并通过诱导蛋白酶抑制剂，减少基质降解，促进微小瘢痕外基质沉积[10]。另外，存在心肌细胞微病变的小鼠，在小鼠的腓肠肌细胞内同样也观察到微病变形成，但肝脏、脾脏或肾脏等组织细胞中均未检测到，推测肺炎球菌可能与受感染宿主的横纹肌细胞发生了某种特定的宿主-病原体相互作用[11]。

研究表明，抗LR中和抗体预处理的野生型小鼠和PAFR缺陷型小鼠，肺炎球菌感染后均未出现心肌细胞微病变。同样，缺乏CbpA的肺炎球菌突变体形成心肌细胞微病变的能力也明显减弱。因此，CbpA介导的血管内皮细胞对LR的粘附和细胞壁磷酸胆碱造成的PAFR缺陷，可能是微病变形成的共同途径[12]。除了直接损伤心肌细胞，破坏心肌的正常电生理功能外，微病变也可通过危险相关的分子模式，导致TLR和心脏抑制性NF-kB激活，并作为媒介，将肺炎球菌细胞壁转移到相邻的心肌细胞使微病变不断扩大。心肌细胞微病变及微小瘢痕形成影响心肌的顺应性及正常收缩功能，较大的心肌瘢痕可导致心律失常和心力衰竭。因此，心肌细胞微病变形成可能与IPD住院期间发生不良心血管事件及出院后猝死的发生率增加有关[13]。

肺炎球菌毒力因子对心肌细胞的损伤作用

肺炎球菌通过释放多种毒力因子对心肌细胞产生损伤作用。肺炎球菌溶血素(Pneumolysin，PLY)是肺炎球菌产生的胆固醇依赖性溶血素。PLY与真核细胞的细胞膜结合，形成与脂筏相关的裂解孔。高浓度PLY能够引起膜去极化和细胞高反应性，诱导靶细胞溶解；较低浓度PLY会引起Ca2+不可控制的进入心肌细胞内和ATP耗竭，对细胞信号传导产生强大的破坏作用。正常心肌的兴奋-收缩耦联取决于钙诱导的钙释放，即去极化的心肌细胞膜的钙流入，触发肌浆网终池大量贮存Ca2+的释放。当胞浆内Ca2+浓度升高时，Ca2+和肌钙蛋白结合，触发粗肌丝上的横桥和细肌丝结合并发生摆动，使心肌细胞收缩。不受控制的Ca2+通过PLY作用形成的裂解孔进入心肌细胞内，导致细胞内Ca2+超负荷，可能会直接破坏心肌的正常收缩功能[14]。体外实验显示，肺炎球菌感染HL-1小鼠心肌细胞系后，心肌细胞微病变内的肺炎球菌持续产生PLY；肺炎球菌突变体由于不能正常产生PLY而使小鼠心肌微病变明显变小。通过用PLY疫苗预先免疫小鼠使PLY的成孔活性减弱，可减轻心肌细胞的微病变，表明PLY也与心肌微病变形成有关[15]。除了直接的心肌细胞毒性作用外，PLY也可通过诱导中性粒细胞和血小板的促炎及促血栓形成作用，间接参与IPD感染期间心肌细胞的损伤过程[16]。研究发现，他汀类药物具有阻断胆固醇合成，改善血管内皮功能及抗氧化、抗炎作用。通过抑制胆固醇形成，他汀类药物干扰PLY与脂筏相关的裂解孔形成，可能在IPD感染期间对心肌细胞产生保护作用[17]。

肺炎球菌还可通过释放丙酮酸氧化酶产生大量的过氧化氢(H2O2)。H2O2属活性氧自由基，可引起心肌细胞的氧化应激反应。心肌细胞微病变内与肺炎球菌相邻的心肌细胞暴露于H2O2，可引起细胞膜损伤。高浓度的H2O2诱导心肌细胞肥大，使肌动蛋白张力纤维增长，肌原纤维被破坏，并可能引起心肌细胞死亡[18]。对HL-1小鼠肺炎球菌模型研究发现，肺炎球菌并未经CbpA和磷酸胆碱介导，而是通过网格蛋白介导的内吞作用入侵HL-1小鼠心肌细胞，PLY和丙酮酸氧化酶产生的H2O2是引起心肌细胞损伤的重要环节[19]。另外，由于氧化应激可诱导心肌细胞衰老，用阿霉素处理的心肌细胞衰老相关b-半乳糖苷酶表达水平增加，而细胞周期蛋白依赖性激酶I、磷酸化心肌肌钙蛋白I及端粒酶活性降低[20]。因此，H2O2通过氧化应激反应引起的心肌细胞衰老可能对心脏功能产生长期的不利影响。通过抑制网格蛋白介导的内吞作用以及给予抗氧化剂可能有助于消除H2O2对心肌细胞的毒性作用[21]。

综上所述，IPD病程中出现心肌细胞损伤可能与特定的宿主-病原体相互作用有关。涉及肺炎球菌细胞壁介导的心肌细胞收缩功能受抑制，心肌细胞微病变形成，肺炎球菌释放PLY等多种毒力因子对心肌细胞的损伤作用。除了选择肺炎球菌敏感的抗生素治疗外，针对PLY等肺炎球菌毒力因子、CbpA及PAFR特异性抗体等治疗药物，可能在预防IPD病程中出现心肌细胞损伤发挥重要作用，需要深入进行研究。