【感染科普笔记2023-12-6】晏博丨NTM感染的宿主免疫学机制

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讲者丨晏博（上海市公共卫生临床中心）
整理丨邹林（佛山市第二人民医院）
审核丨王玉兰
来源丨SIFIC 2023“全国感控与耐药感染”联合大会
非结核分枝杆菌指除结核分枝杆菌和麻风分枝杆菌外的分枝杆菌，可对人体致病，侵犯肺脏、淋巴结、骨骼、关节、皮肤和软组织等组织和器官，引起全身播散性的疾病。在SIFIC 2023“全国感控与耐药感染”联合大会上，上海市公共卫生临床中心的晏博教授为大家重点介绍了NTM 感染的宿主免疫学机制。



一、NTM在全球流行趋势
（一）NTM流行现状
全球非结核分枝杆菌（NTM）疾病发病率呈上升趋势，已成为重要的公共卫生问题之一。在发达国家NTM发病率超过结核。一项NTM肺部感染的全球趋势系统性综述研究结果显示，澳大利亚、巴西、加拿大、中国、克罗地亚等多国NTM肺部感染和/或疾病呈上升趋势。一项来自中国的非结核分枝杆菌发病率全国性调查研究显示：在我国南方地区NTM感染率高于北方地区。沿海地区感染率高于内陆地区。北方和南方RGM（快速生长分枝杆菌）与SGM（缓慢生长分枝杆菌）的构成比不同，沿海地区快速生长分枝杆菌发生率明显高于内陆地区。NTM发病情况不容忽视。
（二）NTM分类
《伯杰氏系统细菌学手册》根据NTM的生长速度将其分为快速生长型和缓慢生长型。



（三）不同身体部位组织器官感染的分枝杆菌不同：

• 肺部感染通常是由于从环境来源吸入。播散性感染在免疫功能低下的人群中最为普遍，如肿瘤患者或患有艾滋病毒的人群。颈部淋巴结炎最常见于儿童。骨和关节感染的NTM通常是通过创伤。皮肤和软组织感染是通过手术、创伤或接触污染水，皮肤屏障受损引发的。
• NTM病常见致病菌
  

（四）NTM的感染宿主和病原体之间相互作用
NTM的感染宿主和病原体之间相互作用复杂包括环境暴露、宿主因素和生物因素。

• 环境因素：在土壤、室内游泳池、热水浴缸、海岸沼泽排水系统、室内加湿器和淋浴器的气溶胶，以及农村、花园、盆栽土壤扬起的灰尘中均可能含有NTM。
• 宿主因素：宿主自身处于慢性病，免疫抑制状态或遗传易感性。
• 生物因素：非结核分枝杆菌本身的致病性，非结核分枝杆菌对药物抗药性，非结核分枝杆菌自身结构中细胞壁中阿拉伯甘露聚糖脂（LAM），蜡样细胞包膜，糖肽脂类(GPL)在与宿主的接触中发挥的重要作用。
  

二、NTM感染的宿主免疫机制
关于NTM感染的宿主免疫机制目前还未完全阐明。本章内容主要从易感性（宿主因素，细菌因素）、定植和侵袭、体内进化三方面阐述。
（一）易感性（宿主因素）

• NDM感染宿主涉及的先天免疫细胞是巨噬细胞和树突状细胞(DC)，它们主要负责吞噬和消除入侵的病原体。树突状细胞是连接固有免疫和适应性免疫的抗原递呈细胞。它们通过将抗原递呈给幼稚T细胞并诱导T细胞反应。抗原递呈诱导幼稚T细胞向Th1细胞分化，导致巨噬细胞活化。当感染NDM或树突状细胞诱导的Th1细胞时，巨噬细胞可被特定的信号级联激活。IFN-γ和Toll样受体2 ( Toll-like receptor 2，TLR2 )信号诱导促炎细胞因子的产生，如白细胞介素( IL )-12、IL-23和肿瘤坏死因子( TNF ) -α。分泌的IL-12和IL-23与Th1细胞上的受体结合，增强IFN-γ的产生。分泌的TNF-α可通过细胞凋亡诱导细菌清除或参与肺部肉芽肿形成。一些先天性或获得性宿主因素可能抑制宿主防御反应，导致对NDM感染的易感性增加。宿主对NDM感染的易感因素包括孟德尔遗传的分枝杆菌病(MSMD)、遗传性α1-AT缺乏症（AATD）、囊性纤维化、慢性肉芽肿病（CGD）和衰老等。
• TNF-α在NTM感染宿主免疫机制中的作用肿瘤坏死因子α(TNF-α)不仅在非结核分枝杆菌，也在其他细菌中发挥着重要的杀菌作用。研究发现保护宿主需要合适的TNF-α水平。TNF-α的表达量既不能过高也不能过低，必须适中才能发挥正常功能。在一项研究中，拉丽塔的团队利用斑马鱼作为模型，发现TNF-α的产生水平与lta4h基因座多态性有关。lta4h是编码花生四烯酸在体内代谢的一个关键酶，其缺失或表达下调会导致TNF-α产生减少，而存在或高表达则会增加TNF-α的产生。在斑马鱼模型的基础上，该团队进行了临床验证，回顾性分析了不同基因型的结核性脑膜炎患者发现：CC基因型的TNF-α表达较低，TT基因型表达较高，CT为中间水平。在不使用糖皮质激素治疗的情况下，CT基因型患者生存期最长，这与斑马鱼模型结果一致。使用糖皮质激素治疗后，生存曲线发生改变，在TNF-α高表达的TT患者中，生存期得到明显改善。这可能是因为糖皮质激素抑制了过度的炎症反应，有助于控制细菌。该团队通过进一步的临床验证，发现过度炎症反应与TNF-α高表达相关。
  

（二）易感性（细菌因素）
关于NTM感染的宿主免疫机制中细菌因素，细菌细胞壁从具有糖肽脂类(GPL)的光滑(S)形态类型转变为缺乏GPL的粗糙(R)形态最为经典。

• 脓肿分枝枝杆菌感染的案例2009年，一篇文章报道一位40岁患有囊性纤维化的男性病例，该患者反复感染脓肿分支杆菌。初次治疗时，培养出的脓肿分支杆菌为光滑型。根据临床治疗方案治疗后痊愈，但很快复发。再次治疗后仍复发。这次培养发现脓肿分支杆菌已从光滑型变为粗糙型。由于已知粗糙型毒力更强，改用更复杂的治疗方案进行更长疗程的治疗，病情好转，但后续还是再次复发。这一过程提示，同一细菌在宿主体内反复治疗后，可能并未被完全清除，最终其形态发生改变。后续研究发现，可能是由于调控合成细胞壁成分的MmpL4a和MmpL4b蛋白发生突变，导致细胞壁成分改变，最终引起菌落形态学变化。
• 光滑型和粗糙型的差异在体外使用人类巨噬细胞感染实验中可以观察到，巨噬细胞可以快速吞噬光滑型脓肿分支杆菌,而吞噬粗糙型菌落则速度较慢。这是因为粗糙型可形成特有的索状结构，集成团状块，不易被吞噬。即便被吞噬，多个粗糙型菌体也会以串状出现在同一个吞噬体内。而光滑型较为分散。在电镜下观察吞噬体细微结构可发现，光滑型细菌与吞噬体膜之间存在一电子半透明区，而此结构在粗糙型吞噬体内不存在。该结构的生物学意义在于，其可阻碍吞噬体与溶酶体的融合。因为溶酶体pH值较低(约4.0)，光滑型可通过阻止融合维持较高pH值。而粗糙型更易发生融合,从而可能被杀死。研究发现光滑型感染时，细胞凋亡和自噬水平更低，说明光滑型细菌在生存上似乎具有优势。但是临床上光滑型的毒力较低，这里存在有趣的矛盾。这一矛盾在后续有团队用斑马鱼模型研究证实，该团队发现光滑型的菌载量高，但是毒力低，它不能诱导肉芽肿坏死或者诱导的速度慢。粗糙型菌载量低，但能够诱导肉芽肿的坏死程度更快更高。菌载量和毒力不完全挂钩。
  

（三）定植和侵袭
NTM的定植目前还没有很多细致的研究，但是与共生菌机理类似，比如肠道粘膜上有一层很厚的粘液，粘液含有肠道上皮细胞分泌的抗菌成分，如ROS和抗菌肽，它在肠道形成一个梯度，靠近表皮的地方浓度较高，细菌不能生存，较远的地方浓度较低，细菌可以生存，可能脓肿这一类的NTM平时生活在这个层面，跟其他的共生菌一样，不入侵。一旦环境变化，免疫改变，平衡被打破才可能进入。以脓肿分枝杆菌为例，当它是光滑型时，表面有很多GPL包裹，形成一件隐身衣，不能被免疫系统识破，免疫系统不攻击它，当它是粗糙型时，它的表面没有GPL，脂质成分的抗原全部暴露，巨噬细胞就要去吞噬它，攻击它，但粗糙型的分枝杆菌又可以诱导高水平的TNF-α产生，巨噬细胞吞了之后又死亡，导致进一步播散。另外粗糙型的，可形成锁状结构，导致巨噬细胞不能吞噬。这可能解释了NTM定植与入侵。
（四）体内进化

• 体内进化--传播能力：国外一项回顾性队列研究“全基因组测序鉴定囊性纤维化患者之间脓肿分枝杆菌的传播”。结果显示囊性纤维化患者可发生脓肿分枝杆菌的人际传播。
• 体内进化--驱动力：国外利用小鼠进行研究，结果显示驱动NTM在体内进化的因素是宿主的免疫压力。宿主体内的一氧化氮 (NO)是NTM进化过程中持久性增强的驱动力。
  

三、斑马鱼模型在NTM感染中的应用
（一）研究NTM宿主防御系统的模式生物

• 无脊椎动物（线虫，果蝇） 只有先天免疫。
• 脊椎动物 （斑马鱼，老鼠，豚鼠，非人灵长类动物） 既有先天免疫又有适应性免疫。
  

（二）斑马鱼是研究宿主抗NTM反应的理想模型原因

• 既有先天免疫又有适应性免疫，其造血系统与人类造血系统在进化上高度保守。
• 可以形成与人的结构非常像的肉芽肿结构。
• 成熟的活体成像技术和遗传操作工具。
• 成本低，高通量，可以做药物与疫苗评价的筛选。
  

（三）目前用斑马鱼模型做研究的NTM包括

• 快速生长型：脓肿分枝杆菌，偶发分枝杆菌，耻垢分枝杆菌。
• 缓慢生长型：海分枝杆菌，堪萨斯分枝杆菌，鸟分枝杆菌复合体，麻风分枝杆菌。
  

（四）斑马鱼在科学研究中的作用

• 斑马鱼是快速评估宿主NTM感染作用的理想模型。
• 斑马鱼是快速筛选新型抗NTM药物/疫苗的理想模型。
  

（五）晏博教授团队以斑马鱼为模型，研究成果分享

• 造斑马鱼全身系统性感染模型快速鉴定某个基因在宿主抗NTM感染中的作用进一步研究其机制：发现nlrc3l的缺陷有利于分枝杆菌感染的早期控制（已发表论文）。
• 利用成熟的技术包括病理、菌载量、生存曲线、基因敲出，去研究宿主因素，病原因素的相互作用机制：藏药红景天苷通过促进斑马鱼体内炎症细胞因子的产生，改善宿主抗分枝杆菌反应。（已发表论文）红景天苷联合异烟肼延长海分枝杆菌斑马鱼模型生存时间的应用（已申请专利）。
• 以斑马鱼为模型，已建立新型抗TBM药物筛选平台：团队建立了海分枝杆菌感染的斑马鱼脑膜炎模型，通过高通量筛选研究异烟肼、利福平的抗菌作用，进一步筛查新药或对目前现有的药物进行评价。
  

小 结
NTM病是一个全球性的公共卫生威胁。晏博教授为大家讲述了NTM感染的过程中易感性（宿主因素，细菌因素），肿瘤坏死因子α(TNF-α)在感染过程中发挥的重要作用，NTM在人体定植和侵袭可能的机制，分享了其科研团队目前的工作及研究成果。同时晏博教授指出目前宿主- NTM相互作用的免疫学机制尚未完全明确，需要更多热爱基础研究的科研工作者进一步研究探索。
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王雪7

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LJMX0211

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c陈思s

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