Cell 丨減少肺結核傳播或有新方法

撰文 | 鹹姐

肺結核是由結合分枝桿菌（Mtb）引起的慢性傳染病，目前仍然是一個重大的全球性問題。抗生素耐藥性的增加、有效疫苗的缺乏等問題都對控制肺結核的努力造成了威脅，肺結核的防治急需新的方法。肺結核與其他傳染病的不同之處在於，它幾乎完全是通過空氣傳播的，因此肺結核防治的一種可能的有效方法是阻止疾病的傳播，減少人群的感染【1】。

咳嗽反射是一種對吸入食物和胃內容物或吸入刺激物和傳染性顆粒的防禦，是一種哺乳動物中廣泛存在的複雜的、高度組織化的神經肌肉反應【2】。咳嗽被認為是活動性肺結核的典型症狀和傳播的主要原因，但是目前除了抗結核化療和使用口罩外，治療肺結核咳嗽的方法很缺乏，原因之一在於結核病咳嗽的直接機制仍不清楚。之前關於肺結核咳嗽機制的假設強調了感染引起的肺部刺激和炎症介質的產生的作用，但是卻缺乏證據證明

一個又一個的謎題，肺結核出現咳嗽症狀的分子機制到底是什麼呢？

2020年3月5日，來自美國德克薩斯大學西南醫學中心的Michael U. Shiloh教授團隊在Cell上發表題為 Mycobacterium tuberculosis Sulfolipid-1 Activates Nociceptive Neurons and Induces Cough 的文章，首次揭示了一種致命的人類病原體——結核分枝桿菌誘導咳嗽的分子機制，即產生一種被稱為硫脂質-1（SL-1）的具有生物活性的糖脂，通過激活痛覺神經元來觸發咳嗽，而如果感染SL-1缺失的Mtb則不會出現咳嗽症狀。

豚鼠是建立Mtb感染模型的常用模式動物，本文首先採用氣霧劑使豚鼠感染Mtb Erdman菌株，通過全身容積描記法（whole-body plethysmography，WBP）測量豚鼠24小時內的咳嗽情況，證實在低劑量感染後6周，受Mtb感染的豚鼠比未受感染的豚鼠出現更多次數的咳嗽，而此時肺部菌落形成單位（colony-forming units，CFU）也最大，從而成功建立了咳嗽誘導豚鼠模型。

為了進一步確定Mtb是否產生神經激活和咳嗽的介質，本文的研究人員從培養液中生長的Mtb中提取極性和非極性脂質，由於Mtb的細胞壁具有豐富的脂質和有機代謝物，並且含有許多活性分子，因此研究人員選擇提取物中的有機相（以下稱為“Mtb提取物”），利用已建立的咳嗽誘導模型測試其是否足以誘發咳嗽。實驗結果是肯定的，Mtb提取物可以引發豚鼠的咳嗽。與此同時研究人員使用細胞內鈣動力學的活細胞成像技術證實Mtb有機相提取物可以在體外激活小鼠或人類的痛覺神經元，包括小鼠胚胎背根神經節（DRG）細胞系MED17.11、小鼠原代DRG神經元、小鼠原代節/頸靜脈神經節神經元以及人原代DRG神經元。

隨後，研究人員測定了這種神經元激活活性的分枝桿菌種類特異性。通過製備多種分枝桿菌的有機提取物，包括毒性和非毒性的Mtb，以及非結核分枝桿菌（NTM），並測它們誘導MED17.11神經元細胞內Ca2+增加的能力，研究人員注意到毒性Mtb菌株H37Rv可以激活神經元，但其毒性減弱的變體H37Ra則不可以，兩類菌株的主要區別在於H37Ra的PhoP轉錄因子發生了突變，阻止了細胞壁糖脂類SL-1的產生。

SL-1是存在於分枝桿菌外膜和細胞壁中最豐富的硫酸糖脂，是致病性分枝桿菌所特有的。本文實驗證實，SL-1的單獨使用即可激活神經元，而與分枝桿菌細胞壁中的非硫酸化糖脂或硫酸化單糖脂無關，並且Mtb產生的其他幾種類似的複雜細胞壁脂質並不具有該功能。

在分枝桿菌中，SL-1的形成是通過硫轉移酶0（Stf0）將對稱雙糖海藻糖硫化成雙糖海藻糖-2-硫酸鹽（T2S），然後進行一系列酰化反應產生的，其結構包括一個T2S中心，該中心被四個脂肪酰基修飾。實驗表明，SL-1的合成是體外激活小鼠和人類痛覺神經元的必要充分條件，並且SL-1的合成前體也具有激活神經元的潛力，但值得注意的是，T2S是Mtb提取物中能激活神經元的最小分子。此外，動物實驗證實，SL-1的合成是Mtb菌株Erdman提取物誘導豚鼠咳嗽所必須的，並且單獨的SL-1的存在就足以引起健康豚鼠的咳嗽；而用缺乏了SL-1合成的Mtb感染豚鼠，儘管豚鼠仍然表現出較高的細菌感染和與活動性結核病相一致的肺部病理學特徵，但是其咳嗽反應表現很弱。

綜上所述，本文研究首次發現肺部Mtb感染引起的咳嗽是由Mtb產生的SL-1激活痛覺神經元而誘導產生的，提示SL-1可能是Mtb通過咳嗽傳播的主要因子，抑制SL-1的表達將有效抑制咳嗽的發生。肺結核咳嗽症狀的前所未有的直接分子機制的揭示，不僅為Mtb的發病機制和傳播機制的研究提供了新的方向，而且為其他通過空氣傳播的呼吸道病原體的研究提供了框架，識別獨特的、誘導咳嗽的、病原體衍生的分子以及它們的宿主受體將可能引發新的治療方法的發展，從而減輕疾病的傳播。而對於結核分枝桿菌，由於缺乏有效的疫苗來預防人群獲得疾病，因此，抑制咳嗽的輔助治療將具有顯著減少傳播的潛力，並對全球衛生產生重大影響。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.026

製版人：珂

參考文獻

1. Turner RD, Bothamley GH. (2015). Cough and the transmission of tuberculosis. J Infect Dis. 211(9):1367-72.

2. Canning, B.J. (2007). Encoding of the cough reflex. Pulm. Pharmacol. Ther. 20, 396–401.

3. Turner, R.D. (2019). Cough in pulmonary tuberculosis: Existing knowledge and general insights. Pulm. Pharmacol. Ther. 55, 89–94.

4. Mazzone, S.B. (2005). An overview of the sensory receptors regulating cough. Cough 1, 2.

5. Canning, B.J. (2007). Encoding of the cough reflex. Pulm. Pharmacol. Ther. 20, 396–401.

閱讀更多 BioArt 的文章

關鍵字: 豚鼠 結核病 傳染病