宿主导向的抗结核药物靶点研究进展

郭雪颖,张志芳,万珈旭,高 妍,陈 祥,,徐正中,,焦新安,

由结核分枝杆菌(Mycobacteriumtuberculosis,M.tb)感染引起的结核病是一种重要的人兽共患病,世界卫生组织在其发布的《2022全球结核病报告》中指出,2021年全球新发结核病患者1 060万,约160万人死于结核病,结核病的发病率在20年间首次出现上升[1],结核病仍然是一个威胁全球公共卫生的重大问题。随着耐多药结核病(MDR-TB)和广泛耐药结核病(XDR-TB)的出现,结核病正在发展成为一种严重的难以治愈的疾病。尽管在过去的十年中,一些新的抗生素已经被批准用于治疗MDR-TB和XDR-TB,包括贝达喹啉、德拉马尼、利奈唑胺和普瑞玛尼[2]。但已经发现了M.tb对这些药物产生的耐药性突变,而且这些药物可能对持久性结核病没有显著效果。因此,迫切需要通过开发新的药物作用靶点来发现新的抗结核病药物,为结核病的控制提供有效的支持。

本文综述了当前主要开发的药物靶点,包括靶向M.tb的组分生物合成,如细胞壁生物合成、蛋白质合成、DNA合成和铁载体合成等,以及新发现的免疫代谢途径相关的靶点,包括能量代谢、脂类代谢和中心碳代谢途径等。全面了解M.tb的药物靶点可以为开发更安全和更有效的药物提供广泛的见解,并可能为结核病控制和治疗提供新的思路。除了概述药物靶点,我们还重点对利用HDT来治疗结核病的方法进行了总结。与直接针对病原体M.tb不同,HDT是一种通过适当调节宿主免疫反应来治疗结核病的方法[3],以宿主对感染的反应为目标,并且与直接针对病原体的抗结核药物相比,HDT更不易产生治疗耐药性[4]。HDT治疗结核病的发展主要集中在两种途径:一种是调节宿主炎症途径,以减轻过度炎症和肺组织损伤,保护肺功能;另一种是增强宿主抗M.tb感染的免疫效应机制,以控制M.tb感染[5]。最后,HDT与当前抗结核药物方案的联合使用可以缩短耐多药结核病的治疗时间,取得更好的治疗结果,减少复发或再次感染的机会,并有助于实现世界卫生组织到2035年结束全球结核病流行的宏伟目标[6]。

1 结核分枝杆菌组分合成和代谢相关药物靶点

更好地了解M.tb的生物学特性将有助于促进新型抗结核药物的开发。在这一视角下,我们对M.tb生长所必需的组分进行了分析,这些组分的生物合成涉及多个步骤和途径,需要多种酶的活性,因此提供了丰富的潜在药物靶点[7]。目前,参与M.tb细胞壁生物合成相关的靶点包括:M.tbMur酶[8]、L-D转肽酶[9-10]、GlcNAc-1-P转移酶(WecA)[11]等。另一个蛋白质合成所需的目标是Leucyl-tRNA合酶(LeuRS),它在细胞内转运中发挥重要作用[12]。M.tbDNA复制过程中一个重要的蛋白质靶点是DNA回旋酶,它是维持DNA超螺旋和染色体复制所必需的酶[13]。M.tb通过产生分枝杆菌素类铁载体来获取铁,铁载体的产生对M.tb的毒力也很重要[14]。在M.tb中,铁依赖调节蛋白(Iron-dependent regulator protein,IdeR)控制铁载体的合成[15]。此外,靶向M.tb细胞质的铁螯合剂也是一种抑制M.tb生长的方法[16]。

同时,M.tb的代谢途径也是药物开发的新靶点,代谢途径中的每一步都被验证为M.tb生存的基本功能。M.tb的代谢状态也是药物耐受性的一个特异性决定因素[17]。近年来,M.tb的能量代谢,特别是氧化磷酸化途径,对复制和非复制M.tb的生存能力至关重要[18],其中包括3个重要的药物靶点:II型NADH脱氢酶(NDH-2)、细胞色素bcc复合体和ATP合酶。而脂质代谢和中心碳代谢,它们都是M.tb致病性的关键决定因素[19-20]。迄今为止,参与M.tb脂肪酸生物合成的几种酶β-酮酰-ACP合成酶Ⅲ(FabH)、烯酰基载体蛋白还原酶(INHA)、β-酮酰基ACP合酶(KasA)[21]和β-酮酰基ACP合酶(KasB)[21]正在作为药物靶点进行研究。在缺乏碳水化合物的情况下,大多数微生物使用乙醛酸循环在脂肪酸或乙酸上生长[22],这引起了人们对乙醛酸分流器的酶:异柠檬酸裂解酶(ICL)[12]和苹果酸合成酶[23]作为靶标的兴趣。因此,针对M.tb组分生物合成和免疫代谢途径可能为未来的研究和可能的药物靶点开辟新的途径。

2 宿主导向治疗的抗结核药物靶点

与当前常规的结核病治疗方法相比,靶向宿主因子已经成为新的结核病治疗方法,称为宿主导向治疗。HDT是一个新兴领域,针对的是宿主免疫应答机制,可能是一种有吸引力的策略来恢复或增强宿主的免疫防御机制[24]。HDT的目标是最大限度地杀灭细菌,在使用传统抗结核药物的同时尽量减少肺部的炎症和病理组织损伤[25]。目前HDT主要靶向M.tb诱导的一系列宿主免疫反应,如肉芽肿形成、自噬、炎症应答、宿主的新陈代谢和细胞内的杀伤机制等。

2.1 靶向肉芽肿形成过程 作为结核病进展过程中最显著的病理特征,肺部肉芽肿的形成是由分枝杆菌和肺部的宿主因子共同驱动的,被认为是M.tb感染过程中免疫发病机制的中心。M.tb在肉芽肿中长期存在的能力增加了M.tb利用肉芽肿作为安全庇护所的可能性,因此抑制肉芽肿形成可能成为治疗结核病的一种有效的HDT方法[6]。有证据表明,基质金属蛋白酶(Tissue-degrading matrix metalloproteinases,MMPs)是降解和调节细胞外基质的酶,能够促使新的巨噬细胞招募到肉芽肿中[24],在肉芽肿的发展中十分关键[26],特别是MMP-1、-3和-9,是结核病相关肺损伤的主要驱动因素[27-28]。通过抑制多种MMPs可以避免组织降解,减少结核病期间肺组织的破坏,因此抑制MMPs活性是一种有前途的HDT策略[29]。MMPs抑制剂在临床前的研究很有前景,但在癌症的III期临床试验中遭遇失败,主要原因是其严重的副作用,缺乏靶向特异性,以及对MMPs在疾病中的功能认识不足[30-31]。目前高特异性的第3代MMPs抑制剂的开发可能会缓解这些脱靶效应,所以它仍然是有希望的候选药物。有报道显示,趋化因子肿瘤坏死因子-α(Tumor necrosis factor α,TNF-α),在肉芽肿形成和维持其完整性中起着关键作用[32],是诱导巨噬细胞杀伤活性所必需的物质,是结核病肺损伤的重要驱动因素。抑制TNF-α会破坏肉芽肿的完整性,进而增强抗结核药物的反应并改善肺部病理情况,并且抑制TNF-α活性已成功用于治疗炎症性疾病[33],因此阻断TNF-α的活性已被探索为一种潜在的宿主导向治疗结核病的方法[34]。然而,使用TNF-α抑制剂的安全风险也已在人体研究中得到证实,在慢性炎症疾病中接受TNF-α抑制剂的患者可能会出现结核病的再激活[24]。因此,还需要更多的研究来提高TNF-α抑制剂的安全性。此外,M.tb感染导致宿主血管系统重构,在肉芽肿周围生成新的血管。然而,结节性肉芽肿的血管系统在结构和形态上都异常,这有利于分枝杆菌的生存和生长,因此抑制血管生成是HDT的一个重要的靶点。血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF),它促进异常的血管生成并导致缺氧微环境,通过抑制VEGF可促进血管结构正常化并减少缺氧,促进现有抗结核药物的渗透和疗效,并有可能缩短结核病的治疗时间[35-36]。通过体外刺激试验测量潜伏感染肺结核的成人和儿童血液中的VEGF水平,表明VEGF可能提供一个向活动性肺结核疾病进展的潜在生物标志物[37]。

2.2 靶向自噬途径 在细胞内存在M.tb的情况下,自噬作为一种先天防御机制被启动,巨噬细胞利用自噬来限制M.tb的复制和生存,并将抗原呈现给其他免疫细胞。但M.tb驻留在巨噬细胞的吞噬小体中并进行复制,通过抑制吞噬小体融合来逃避自噬,从而增加其存活率,因此诱导自噬将是一个有吸引力的HDT策略。自噬诱导的一种方式是抑制表皮生长因子受体(EGFR)介导的酪氨酸激酶信号级联[32],当给予EGFR抑制剂时,能够降低巨噬细胞和小鼠模型中M.tb的生长和复制,因此,通过抑制EGFR激活自噬可能是一种有希望的HDT途径[29]。另一个可能的靶点是NAD+依赖的组蛋白去乙酰化酶sirtuin 1(SIRT-1),最近被证明在M.tb感染期间下调,但对控制细菌复制很重要[38]。SIRT-1激活剂可诱导吞噬溶酶体融合和自噬,限制M.tb在体内和体外的生长[39]。最近的研究报道显示,一些模式识别受体(Pattern recognition receptors,PRRs)如Toll样受体,能够激活自噬,提高宿主对病原体的防御[3],并且PRRs可以识别分枝杆菌表达的病原体相关分子模式,以启动吞噬作用[26,40]。M.tb逃避和调节PRRs信号以促进允许性巨噬细胞的招募,并操纵宿主适应性免疫应答[39],因此将PRRs定位为潜在的HDT靶点可以对抗M.tb感染。研究表明,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin,mTOR)是自噬的负调控因子[41],通常mTOR在细胞应激(即缺氧和饥饿)条件下失活,从而诱导自噬[35],增加巨噬细胞对抗M.tb感染的能力[42],因此,治疗结核病的主要策略之一是直接抑制mTOR的活性。另外,腺苷一磷酸活化蛋白激酶(AMPK)是一种关键的代谢和能量调节因子,大量研究表明AMPK信号通路在自噬激活中具有积极作用,激活的AMPK通过抑制mTOR(自噬诱导的抑制因子)或激活自噬启动因子ULK1/2来促进自噬[43-45]。总而言之,尽管诱导自噬对抗结核病的HDT具有潜在的优势,但关于自噬激活增强宿主细胞中对M.tb复制限制的详细分子机制仍存在许多挑战,值得我们深入探究。

2.3 靶向炎症反应 炎症应答是免疫系统清除病原体和修复受损组织的一种防御机制,调节炎症过程也可能为耐药结核病的治疗提供理想的方法[37]。由于宿主促炎反应和抗炎反应之间的平衡对分枝杆菌的控制和肺部病理都至关重要,因此通过HDT靶向炎症反应成为一种有效的治疗策略。例如,宿主炎症平衡受到脂质A4(Lipoxin A4,LXA4)和白三烯B4(Leukotriene B4,LTB4)水平的影响,LXA4的升高有助于维持炎症平衡,并在控制结核病进展中发挥关键作用,而LTB4则会引起过度炎症并增加疾病的严重程度[32,29]。因此,促进LXA4的产生,进而抑制中性粒细胞的迁移和TNF-α的产生,能够调节M.tb感染过程中的炎症性肺部病理,提高治疗效果[46]。另外,前列腺素E2(Prostaglandin E2,PGE2),可以防止坏死和巨噬细胞凋亡[47],能够同时影响炎症反应和抗炎反应,并抑制分枝杆菌的吞噬和杀伤[3]。PGE2和LTB4分别是免疫抑制因子和免疫刺激因子,它们之间的平衡在消除M.tb而不损害组织方面十分重要[26],结核病患者PGE2/LTA4(LTA4是LTB4的前体)比值普遍降低,因此加强PGE2信号转导或阻断LTA4/LTB4的产生,都能改善宿主生存质量,同时减少M.tb感染小鼠的细菌负荷和肺损伤[48]。而其他参与调节炎症反应的物质,包括细胞因子(如IL-10)和骨髓源性抑制细胞(MDSCs)[27],都能减弱炎症反应,控制结核病的进展。

2.4 靶向新陈代谢途径 免疫代谢是定义宿主和M.tb病原体之间密切关系的关键特征之一,明确了解这些相互作用对于限制结核病的发展至关重要[49]。M.tb利用宿主的新陈代谢,来逃避免疫监视,调节各种反应,破坏宿主的活动,以促进其自身的生存。因此,靶向宿主的新陈代谢可能是一种根除M.tb有效的新型HDT途径。在一项研究中,糖酵解条件下的环境有利于M.tb的生长,抑制糖酵解降低了M.tb的生存能力,并导致ATP消耗诱导巨噬细胞凋亡[26]。乳酸脱氢酶A(lactatedehydrogenase,LDHA),在糖酵解过程中将丙酮酸转化为乳酸[4],抑制LDHA可以减少细菌负荷和肉芽肿坏死病变的发展,表明LDHA在疾病驱动中的重要作用,并作为HDT的潜在靶点[6,50]。另外,胆固醇是体内M.tb的首选碳源[40],胆固醇的合成可产生维持M.tb生长所需的脂滴成分(lipid droplets,LD)[47],M.tb可以利用宿主胆固醇维持持续的慢性感染[24],因此,抑制胆固醇生物合成途径被认为是一种保护宿主免受M.tb感染的HDT。通过促进吞噬小体成熟,降低吞噬体膜内的胆固醇水平,进而激活宿主诱导的自噬,自噬通过将储存在LD中的胆固醇酯传递到溶酶体来抑制LD积累,从而促进脂质分解代谢,提高结核病的治疗效果[13,25,47]。而微量营养素,如维生素,在宿主抗菌免疫中的作用已引起越来越多的关注。由于维生素D在自噬过程中是必需的,它被认为是抗真菌宿主防御的必要物质,因此是一种有趣的HDT候选物质[32]。除了通过多种作用(包括自噬诱导)上调先天免疫功能外,维生素D还通过下调促炎细胞因子和趋化因子的产生、增加抗炎细胞因子的产生和干扰T细胞反应来调节炎症宿主反应[25]。此外,维生素B1和B5通过调节宿主的促炎反应参与M.tb感染的控制[3]。

2.5 靶向细胞内杀伤机制 活性氧和活性氮的产生与调控 氧化和亚硝化应激在巨噬细胞的细菌清除中起着至关重要的作用,宿主细胞通过NADPH氧化酶2(NOX2)和诱导型一氧化氮合酶2(iNOS)分别触发活性氧(ROS)和活性氮(RNS)的产生[26]。在吞噬小体中,ROS和RNS修饰脂质、蛋白质和核酸,最终导致M.tb死亡[39,51]。尽管ROS的产生及其调控的关键平衡对宿主抵抗分枝杆菌感染很重要,但将ROS作为HDT策略调节需要仔细监测,因为过量的ROS会导致氧化应激和伴随的坏死[52],因此,不影响细胞死亡的ROS和iNOS诱导物是治疗结核病的一种有前途的HDT方法。此外,在M.tb感染期间,与野生型小鼠巨噬细胞相比,蛋白激酶R(protein-kinase R,PKR)缺陷的巨噬细胞诱导了更高水平的iNOS[26]。小鼠中PKR的缺失使细胞内M.tb感染的控制得到改善,突出了PKR作为HDT靶标的潜力[53]。

综上所述,新型HDT可以通过增强现有抗分枝杆菌药物的效果、针对新机制、绕过耐药性或缩短治疗时间来帮助治疗MDR-TB和XDR-TB。但通过HDT治疗结核病仍存在一些潜在缺陷,包括潜在的靶外效应、药物-药物相互作用和相关的副作用,这些局限性需要在未来的临床前和临床研究中进一步研究[6]。并且,目前的知识和临床证据仍不足以将HDT分子作为一种独立的、没有辅助抗生素的治疗方式来治疗人类任何形式的结核病。

3 结 语

在世界上许多地区,耐药结核病是控制和消除结核病的重大挑战,为了有效控制结核病的流行,为药物敏感和耐药结核病开发新的治疗方案至关重要。新的分枝杆菌靶点在不断出现。本文所述的分枝杆菌新靶点不仅出现在细胞壁合成、蛋白质合成和DNA/RNA合成等经典途径中,还出现在分枝杆菌的新途径中,如分枝杆菌的各种代谢途径,这些途径都是近年来抗结核药物发现和开发的研究热点。在未来,我们应该寻找更合理有效的靶点,开发更有效和更安全的抗结核药物,特别是针对耐多药结核病和广泛耐药结核病的药物。最后,宿主导向治疗还为耐药结核病的治疗提供了一种有吸引力的策略,HDT通过调节宿主免疫应答,能够减少肺部病理并改善结核病治疗的未来。HDT结合现有的结核病药物可以缩短治疗时间,并通过减少耐药菌株的出现获得更好的治疗结果。虽然目前可获得的大多数证据来自临床前研究,但正在进行的临床试验将有助于评估HDT候选药物的安全性和有效性,为引入HDT作为结核病的辅助疗法铺平道路。尽管取得了重大进展,但仍需有效应对耐多药和广泛耐药结核病的挑战。

利益冲突：无