支原体感染的免疫调节及对机体损伤机制的研究进展

于墨池 王佳鑫 陈愉

中国医科大学附属盛京医院呼吸与危重症医学科,沈阳110004

支原体是一类缺乏细胞壁的微小原核细胞型致病原,人类及广泛的动物群体是其最主要的感染受体,常见的对人体致病的主要有肺炎支原体 (Mycoplasma pneumoniae,MP)、生殖支原体 (Mycoplasma genitalium,MG)、解脲支原体、发酵支原体、穿透支原体和人型支原体,而其中最多见的是MP[1],人体被感染后可引起非典型肺炎、泌尿系统炎症及生殖系统炎症等疾病[2-3]。支原体和宿主之间存在着复杂的由支原体诱导的特异性及非特异性免疫反应,正是支原体的这种调节能力决定了支原体的致病特性,使其能够逃避或者抑制宿主的免疫系统,形成持续性的感染[4]。现对支原体感染的免疫调节及对机体的损伤机制进行综述。

1 先天免疫

1.1 巨噬细胞 巨噬细胞表面存在表面活性蛋白A(surfactant protein-A,SP-A)及SP-D。SP-A 与巨噬细胞表面受体结合可增强巨噬细胞吞噬和杀伤支原体的能力,SP-A 基因敲除的小鼠对支原体的易感性明显增高[5],故巨噬细胞在靶器官对支原体的清除中起到至关重要的作用。但在巨噬细胞产生的Toll 样受体 (Toll-like receptor,TLR)中,TLR1/2/6形成的复合传导通路可帮助支原体激活核转录因子κB (nuclear factor-κB,NF-κB),达到介导炎症反应甚至诱导免疫细胞凋亡的作用[1,6-7]。此外,有研究证实TLR4及TLR9在促炎细胞因子的诱导过程中亦发挥了重要作用[8]。

1.2 自然杀伤(natural killer,NK)细胞 NK 细胞是抗肿瘤、抗感染的重要免疫组成部分。有研究证实NK 细胞与CD8+T 细胞共同作用以抵抗支原体感染[9]。但同时有研究发现敲除γ干扰素 (interferon gamma,IFN-γ)基因并抑制NK 细胞活性的小鼠模型的MP 清除率升高,提示NK 细胞对MP清除起到一定抑制作用[10]。

1.3 树突状细胞 (dendritic cell,DC) DC 是一种特异性的抗原提呈细胞。Goret等[11]发现支原体与DC 相互作用可诱导DC 产生IL-23,活化炎症小体,激活炎症反应。Li等[12]的体外实验发现CD11c+的DC 在被支原体感染后可特异性活化B细胞产生Ig A,调节机体免疫系统。

2 特异性免疫

2.1 体液免疫

2.1.1 IgG IgG 大多出现在Ig M 出现后2周左右[13],且可能长期存在。有研究发现,支原体免疫球蛋白结合蛋白可与IgG 紧密连接,逆转吞噬作用并阻止抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用,从而阻止NK 细胞杀伤支原体,使感染加重[14]。

2.1.2 Ig M Ig M 一般在支原体感染1 周后开始产生,3～6周达到峰值,持续6个月开始下降,是支原体感染急性期诊断的重要指标之一。而免疫受损的患者Ig M 可能会消失,失去保护性免疫会使抗原得到充分变异及重排,从而导致MP肺炎的反复发生[13,15]。

2.1.3 IgE 研究发现支原体感染的患者中IL-4/IFN-γ比值显著高于肺炎球菌肺炎患者和正常人,提示Ig E 的产生可能与辅助型T 细胞2 (T helper 2 cell,Th2)型细胞因子相关[16],参与诱导超敏反应及其他过敏性肺疾病的产生。

2.1.4 Ig A Ig A 已被证实产生于支原体感染早期,相较于Ig M 和IgG,Ig A 的上升和下降都要更迅速,存在时间更短[13]。在支原体感染过程中,TLR2/4可诱导产生大量Ig A 调节免疫[12]。部分病例报道急性肾小球肾炎、肾功能衰竭和Ig A 肾病与MP感染相关[17]。也有研究发现支原体部分菌株可以与Ig A 结合,获得特异性逃避Ig A 介导的免疫清除的能力[17]。提示Ig A 在支原体感染诱发的免疫反应中可能除起到保护作用外,也会对人体造成损害。

2.2 细胞免疫

2.2.1 CD4+/CD8+Jones等[18]发现支原体感染的小鼠模型中CD8+T 细胞耗竭较CD4+T 细胞耗竭导致的肺部感染程度更严重。支原体感染后肺组织内CD8+T 细胞计数明显增加,而CD4+T 细胞计数变化不大,CD4+/CD8+比值下降,使肺部炎症加重。近几年发现,支原体感染后的靶器官中CD4+CD25+Foxp3+调节性T 细胞 (regulatory T cells,Treg)数量增加,在人体内外该细胞均可促进CD4+T 细胞对支原体特异性的IFN-γ 及IL-17 表达,抑制IL-13+Th细胞表达[19]。此外,研究表明虽然Treg细胞可以降低疾病的严重程度,改善淋巴细胞浸润,但对抑制支原体的持续性感染并不起作用。

2.2.2 Th1/Th2 支原体感染引起的肺部感染患者急性期血清中Ig E、IL-4、IL-6、IL-10 等水平明显高于恢复期,这与Th1/Th2 细胞因子失衡有关。Th1 细胞可以产生IFN-γ下调Th2免疫能力,而Th2细胞产生IL-4阻断Th1细胞产生细胞因子。另外,MP 感染患者IgE 明显升高,尤其是处于急性期和过敏期的患者,而IgE 水平由Th2产生的IL-4诱导升高,提示患者IL-4升高,IFN-γ下降。提示支原体感染中存在Th1/Th2 细胞比例失衡[20],引起感染加重。

2.2.3 Th17 除CD4+CD25+Foxp3+Treg细胞可以调节支原体感染后机体的免疫反应外,Th17/Treg平衡对MP感染的严重程度也具有一定影响。研究发现,难治性MP肺炎患者Th17/Treg 比值明显高于对照组,提示Th17/Treg比例失衡与MP 感染导致肺损伤恶化相关[21]。部分Th17细胞的特征是产生大量IL-17,促进支气管成纤维细胞、上皮细胞和平滑肌细胞的活化,诱导产生大量IL-6、IL-8等细胞因子,促进中性粒细胞 (neutrophil,NE)浸润和增殖,加剧炎症反应。

2.3 细胞因子

2.3.1 IL-1β 支原体产生的社区获得性呼吸窘迫综合征毒素 (community-acquired respiratory distress syndrome toxin,CARDS TX)能够触发NLRP3,激活炎症体,促进IL-1β分泌。IL-1β的释放构成了宿主对病原体的重要防御机制,但研究发现异常的炎症体和IL-1β可以导致炎症和组织损伤加重,且与哮喘、COPD 等慢性疾病相关[22]。同时,IL-1β与MyD88介导的NF-κB通路有密切联系,可对免疫反应起到调节作用[23]。

2.3.2 IL-2 IL-2是Th1细胞产生的具有调节T 细胞免疫的细胞因子。Koh等[24]发现,在MP感染患者的肺泡灌洗液中,IL-2 明显升高。支原体感染后哮喘的发作也与IL-2有着密切关系,更高的IL-2水平更易诱发炎症,是评估MP感染风险的重要生物标志物之一[25]。

2.3.3 IL-4 IL-4主要由Th2细胞释放,具有调节Ig E 的功能[16],诱导过敏反应发生。Wang 等[25]研究发现,在MP感染患者的肺泡灌洗液中,IL-4水平显著高于肺炎球菌感染患者及对照组。IL-4 还可以诱导IL-5、IL-6、IL-9等Th2类细胞因子及嗜酸粒细胞趋化因子1、2、3等的表达,并可能以肥大细胞和嗜碱粒细胞为靶细胞,增强过敏反应中的细胞活化[24],进而加重过敏反应。

2.3.4 IL-5 IL-5由Th2细胞及肥大细胞释放,可以刺激B细胞增殖分化,亦可参与机体的过敏反应。MP感染靶器官后,可以通过P1 蛋白刺激IL-4、IL-5 等细胞因子的分泌,从而使IgE分泌增加,诱导过敏反应[26]。

2.3.5 IL-6 IL-6是一种重要的促炎症因子,可促进Th2细胞分化,同时抑制Th1 细胞分化[27],可能加重Th1/Th2比例失衡,导致炎症加重。MP 感染患者血清中IL-6水平升高,提示其在对MP感染严重程度及预后的判断上具有潜在意义。

2.3.6 IL-8 MP 感染的特征病理表现之一是NE 浸润,而IL-8可以激活NE并使其聚集,增强炎症反应。近年研究发现MP感染中存在MP/IL-8/NE 轴[28],IL-8起到MP和NE中间介质的作用,诱导髓过氧化物酶、基质金属蛋白酶9和NE 的释放,导致炎症及组织损伤。该研究还发现MP感染合并胸腔积液或肺部纤维化的患者IL-8水平高于其他患者,提示IL-8在肺部纤维化等疾病发病机制中也有重要作用。

2.3.7 IL-10 IL-10也是Th2细胞产生的一种细胞因子。Kurata等[29]发现MP 抗原刺激可诱导小鼠淋巴细胞增殖,产生IL-17A 和IL-10,而IL-10可以抑制IL-17A 的产生,同时IL-10 与Treg细胞协同破坏机体免疫应答,导致MP感染的肺外并发症。除了MP 之外,解脲支原体和人型支原体也可以显著增加IL-10 及IL-13 水平,促进炎症发生[30]。

2.3.8 IL-12 IL-12主要由巨噬细胞和B细胞分泌,协同IL-2靶向活化Tc细胞,诱导Tc细胞分化为细胞毒性T 细胞[27]。Salvatore等[31]发现鼻腔注射IL-12的小鼠肺泡灌洗液中支原体的浓度明显高于安慰剂组,且实验组小鼠气道阻塞程度及气道高反应性也明显高于对照组,提示IL-12可加重支原体对靶器官的损伤。

2.3.9 IL-17 IL-17及其相关的IL-6、IL-8等细胞因子在MP感染急性期的肺泡灌洗液中均明显升高,IL-17的过度表达可能参与了爆发性MP肺炎的发病机制,IL-17也与肺部病灶的大小呈正相关[32]。另有研究发现,IL-17A 在支原体感染中明显升高,使用抗IL-17A 抗体的小鼠中,MP感染的疾病严重程度下降,NE 肺损伤发生率下降[33],提示IL-17A 对MP感染具有增强作用。

2.3.10 IL-18 IL-18是IL-1家族中的一种,靶向作用于T 细胞诱导IFN-γ的产生。IL-18被认为与MP感染导致的肺炎严重程度相关,在疾病急性期它可以诱导其他细胞因子产生,故可被用来预测难治性或重症MP 肺炎。但血清中IL-18水平难以测量,而IL-18水平与血清乳酸脱氢酶水平显著相关,故血清乳酸脱氢酶水平可代替IL-18 作为临床中预测难治性及重症MP肺炎的指标[34]。临床数据统计发现,当血清乳酸脱氢酶浓度≥350 IU/L 时,诊断难治性MP肺炎的敏感度和特异度分别为73%和80%。当IL-18水平≥360 ng/L 时,诊断难治性MP 肺炎的敏感度为93%,特异度为70%[35]。

2.3.11 IFN-γ 支原体感染CD4+CD25+Foxp3+Treg细胞可促进Th细胞产生IL-17及IFN-γ,从而部分抑制Th2细胞的免疫学反应,使Th1/Th2失衡,降低免疫应答[19]。IFN-γ也可来自于NK 细胞,支原体感染患者NK 细胞在免疫反应中起到抑制病原体清除作用而使感染加重[10]。

2.3.12 肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor-α,TNF-α) MP感染可使TNF-α分泌增加,促进以NE 为主的白细胞聚集,导致肺损伤及肺部纤维化[36]。研究发现,TNF-α与CARDS TX 呈正相关,CARDS TX 可以诱导巨噬细胞分泌TNF-α,而TNF-α的缺失也部分阻断了CARDS TX 介导的小鼠肺内炎症细胞浸润和黏液分泌[37]。

2.3.13 转化生长因子β (transforming growth factor-β,TGF-β) TGF-β可由气道上皮细胞、NE、嗜酸粒细胞和肥大细胞产生、释放和聚集,通过MAPK、P5313等多个信号通路引起激活级联反应[38]。TGF-β也可参与MP感染引起的气道高反应和气道重塑加剧,加重过敏反应[39]。研究发现,解脲支原体也可以诱导TGF-β产生,而TGF-β因子本身在先天免疫及特异性免疫中具有免疫抑制作用,导致不能识别或充分反映自身、外源或肿瘤相关抗原,抑制促炎细胞因子的产生和作用[40]。

3 对宿主靶上皮细胞的损害机制

3.1 黏附损伤

3.1.1 MP的黏附机制 MP侵入靶器官后,会通过滑行运动固定在呼吸道纤毛之间,再通过极化的黏附细胞器黏附在呼吸道柱状上皮表面,保护病原体免受黏液纤毛清除及局部细胞毒效应的影响。黏附细胞器是由密集细丝组成的核心及黏附素和辅助蛋白组成的尖状结构组成的特殊细胞器。目前已被证实的直接参与受体结合的主要蛋白有P1黏附素及P30 黏附素,辅助蛋白包括高相对分子质量蛋白1、2、3,蛋白A、B、C,P90、P40、P659 及P116等[41-42]。

3.1.1.1 P1 P1是黏附细胞器表面存在的一种相对分子质量为170 000的蛋白质,在支原体结合和滑行过程中起到关键作用。Kenri等[43]发现应用抗P1抗体后可以特异性地组织支原体与动物上皮细胞结合,减慢MP 的滑行速度。此外,P1黏附素在不同的菌株之间展现出序列的多态性,可能与免疫逃逸反应相关。P1黏附素亦是特异性非常强的抗原,分为MP1和MP2两个基因型,而MP2株的毒性可能强于MP1株[44]。

3.1.1.2 P30 P30 是MP 产生毒力必不可少的一部分,其在细胞黏附、滑动运动和细胞分裂中起着重要作用[45]。Chang等[46]发现P30结构的替换或缺失会使MP的运动性和细胞黏附降低,且C 末端结构域的完整性可以影响到P30的稳定性。此外,研究证实P30的主要功能是正常的滑行和黏附,在定位和稳定上并未起到重要作用。

3.1.1.3 辅助蛋白 辅助蛋白在MP的黏附中也起着重要作用。P40、P90与P1、P30形成一个复合体,严格定位在黏附细胞器胞外侧,形成N 末端跨膜结构域,发挥黏附功能[47]。P41及P24则定位在黏附细胞器底部,P41对于维持滑行中细胞末端及主体稳定链接是必需的,P24则主要维持滑行频率和新的末端细胞器产生[48-49]。HWM 蛋白及P65等则作为细胞核心骨架的一部分存在于细胞内部,起到定位及支撑作用[47]。

3.1.1.4 TopJ TopJ是一种存在于黏附细胞器末端的伴侣蛋白,保证蛋白正确折叠并稳定细胞黏附。当TopJ缺失或突变时,会影响P1黏附素的提呈,也会延迟黏附细胞器末端的成熟,影响MP的黏附作用[50]。

3.1.2 MG 的黏附机制 MG 黏附于靶器官上皮细胞可引起尿道炎、宫颈炎等疾病,其感染所必需的物质是一种叫做Nap的跨膜黏附复合体。Aparicio等[51]的研究表明Nap由2个P140-P110异源二聚体组成,具有十分复杂的胞内及跨膜区结构,在MG 的黏附和运动上起到十分重要的作用。

3.2 细胞毒性损伤

3.2.1 MP 特有的CARDS TX CARDS TX 相对分子质量为68 000,是MP 表达毒性的关键因子,其N 端具有ADP核糖基转移酶活性,C 端具有空泡活性。CARDS TX可以使哺乳动物细胞出现异常的空泡化改变,破坏细胞的单层完整性,诱导细胞死亡[52-53]。另外,CARDS TX 与NLRP3炎症体存在共定位的特性,且CARDS TX 可以催化ADP-核糖化来激活NLRP3,形成 “超炎症”[22]。CARDS TX 自身也可以引起嗜酸粒细胞增多、气道高反应性,可能与MP导致的过敏性肺炎机制相关[54]。

3.2.2 氧化损伤 远在1965年,Somerson等[55]发现MP可以产生过氧化物、超氧化物自由基等物质与靶器官自身形成的活性氧共同使靶器官上皮细胞受到氧化损伤。最近的研究发现,MP也可以保护其感染的上皮细胞不受到外来过氧化氢的诱导,从而避免产生细胞分离,减少上皮细胞脱落,达到稳定存在的目的[56]。

3.2.3 脂蛋白 大多支原体的脂蛋白均暴露在细胞外侧,通过酰基固定在细胞膜上,已有研究证实部分脂蛋白具有毒性作用或是生长抑制抗体的受体[57]。MP 和MG 的脂蛋白均可以通过TLR1/2/6共同形成的复合传导通路诱导炎症上调,激活NF-κB诱导过度免疫反应。此外,MG 的脂蛋白可以通过CD14 和MyD88 依赖途径激活NF-κB[1,6]。亦有研究发现,NF-κB被TLR2/MyD88激活后可诱导免疫细胞凋亡,加重免疫受损,使病情加重[7]。

4 免疫逃逸机制

人们普遍认为支原体是一种严格的原核生物,附着在细胞外表面。但随着科研水平的进步,人们发现大量的侵袭性病原菌似乎可以使支原体侵入甚至定植在巨噬细胞内。穿透支原体是从艾滋病患者的生殖道中分离出来的,也是第一个被确认具有穿透能力的支原体,现有研究发现众多支原体都具有侵入宿主细胞的能力[58]。支原体本身的黏附细胞器及相关的P1蛋白、脂蛋白等可协助支原体形成生物膜,定植于宿主细胞表面并侵入,形成免疫逃逸反应[43]。另外,MP感染导致CD4+/CD8+及Th1/Th2比例失衡及相关细胞因子作用使免疫反应受到负调节甚至抑制作用,包括解脲支原体具备的操纵宿主防御反应作用[59],使免疫系统对各种致病支原体的识别和清除率下降,促进支原体的免疫逃避。支原体感染氧化损伤上皮细胞使其可稳定存在也是免疫逃避形成中重要的一环[56]。以上种种共同形成支原体感染的免疫逃避机制。

5 总结

支原体作为引起人类感染性疾病的重要病原体,其感染发病率较高,感染范围广,故其影响人体免疫调节及致病机制的相关研究越来越受到重视。大量国内外文献证实支原体感染,尤其是MP感染导致的难治性及重症病例症状不典型,早期诊断困难,导致患者病死率较高。此外,支原体感染可出现许多肺外并发症,发现及治疗不及时也会影响患者预后。本文综述了支原体调节免疫及损伤机体的机制,提示临床可通过对Ig M、IgG、IGA 等,CD4+、CD8+T 细胞计数或IL-2、IL-4等细胞因子进行检测来协助临床医师早期评估支原体感染的严重程度,及时采取恰当的治疗方案,以改善患者预后,降低病死率。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突