2022年3月8日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院張敬仁課題組在《實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志》（Journal of Experimental Medicine）雜志在線發(fā)表了題為“莢膜通過干擾肝臟巨噬細(xì)胞促進(jìn)血流病原細(xì)菌的致病性”（Functional vulnerability of liver macrophages to capsules defines virulence of blood-borne bacteria）的研究論文，揭示了莢膜這一關(guān)鍵的致病因子如何影響病原細(xì)菌和宿主天然免疫系統(tǒng)的相互作用，進(jìn)而決定血流感染疾病中病原體和宿主的最終命運(yùn)。

血流感染是威脅人類健康的最嚴(yán)重的感染性疾病，攜帶莢膜結(jié)構(gòu)的細(xì)菌是造成血流感染的最主要的病原體。莢膜對(duì)細(xì)菌致病性的貢獻(xiàn)早已為人熟知，上世紀(jì)二十年代，英國微生物學(xué)家Frederick Griffith建立的經(jīng)典的肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)莢膜與毒力的直接關(guān)聯(lián)，為1942年美國科學(xué)家Oswald Avery及其同事證明DNA是遺傳基礎(chǔ)的偉大發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)（DOI: 10.1084/jem.79.2.137）。人們普遍認(rèn)為莢膜的主要功能是保護(hù)細(xì)菌不被血液中的免疫細(xì)胞（例如中性粒細(xì)胞）吞噬，然而莢膜在體內(nèi)真實(shí)的致病機(jī)制仍然缺乏清晰的認(rèn)知。

針對(duì)這個(gè)科學(xué)問題，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院張敬仁課題組利用豐富的臨床菌株資源和遺傳轉(zhuǎn)化構(gòu)建的莢膜置換菌株，在小鼠菌血癥模型中證明了莢膜的類型（血清型）是直接決定其毒力的關(guān)鍵因素。莢膜對(duì)細(xì)菌致病性的貢獻(xiàn)集中體現(xiàn)在血流感染早期階段。超過95%的莢膜敲除菌株在感染5分鐘內(nèi)即從血液中清除，而野生型菌株即使在30分鐘內(nèi)仍然有一半以上細(xì)菌在血液中存活。系統(tǒng)比較表明，莢膜血清型決定了肺炎鏈球菌在菌血癥早期的清除速度，由快到慢依次為14、18C、23F、19F、19A、9V、7F、6B、5、1、2、8、6A、4和3型，其清除速率與菌株的毒力強(qiáng)弱具有強(qiáng)相關(guān)性（圖1），可以對(duì)菌株的致病性水平進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。

圖1、肺炎鏈球菌莢膜血清型決定菌株的毒力水平和菌血癥早期清除速率

宿主的免疫系統(tǒng)如何區(qū)分不同毒力的肺炎鏈球菌呢？進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，早期血液中快速清除的莢膜敲除菌株和低毒力菌株并非被血液中的免疫細(xì)胞殺死，而是被肝臟截留，特別是低毒力14型菌株，在感染5分鐘后98.7%的細(xì)菌富集在肝臟，與之形成鮮明的對(duì)比，代表性高毒力8型菌株僅有11.6%被肝臟捕獲。肝臟包含多種天然免疫細(xì)胞，包括駐留巨噬細(xì)胞——枯否細(xì)胞（Kupffer cell, KC）、中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞等吞噬細(xì)胞。利用特異性消耗策略，該課題組證實(shí)肝臟KC是早期清除無莢膜和低毒力莢膜型菌株的關(guān)鍵免疫細(xì)胞。借助先進(jìn)的活體免疫熒光成像（IVM）技術(shù)，課題組實(shí)時(shí)觀測到了肝臟微環(huán)境中KC對(duì)不同莢膜型肺炎鏈球菌的捕捉（圖2），為研究宿主天然免疫和病原體的互作提供了嶄新的視角。

圖2、不同莢膜型肺炎鏈球菌與肝臟KC的相互作用

細(xì)菌的莢膜是如何影響肝臟KC的免疫功能呢？由于莢膜置換菌株僅僅存在莢膜的差異，因此莢膜多糖（capsular polysaccharide, CPS）是介導(dǎo)肝臟KC和細(xì)菌相互作用的關(guān)鍵，課題組推測莢膜多糖是KC上天然免疫受體識(shí)別的配體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一猜想，在提前注射純化的CPS條件下，小鼠對(duì)低毒力莢膜型菌株的清除速率急劇降低，并且呈現(xiàn)劑量和類型的依賴性，IVM顯示CPS確實(shí)阻礙了肝臟KC對(duì)細(xì)菌的結(jié)合；反之，高毒力菌株的CPS不會(huì)影響早期免疫清除。以上結(jié)果表明低毒力莢膜型CPS能夠被KC上的特異性受體識(shí)別，從而介導(dǎo)了這些菌株的快速清除，而高毒力莢膜型CPS能逃逸KC的免疫監(jiān)視。在此基礎(chǔ)上，課題組成功鑒定到了去唾液酸糖蛋白受體（ASGR）是14型肺炎鏈球菌CPS的受體，并且在體外和體內(nèi)驗(yàn)證了ASGR對(duì)肝臟KC清除14型肺炎鏈球菌的免疫功能，此外，ASGR還能夠結(jié)合7F型莢膜多糖。更重要的是，課題組利用細(xì)胞系和人原代KC模型證實(shí)了人源ASGR同樣是人KC上重要的天然免疫受體。

圖3、血流感染中細(xì)菌莢膜促進(jìn)病原體逃逸肝臟天然免疫的新機(jī)制

上述研究工作開創(chuàng)性地提出了細(xì)菌莢膜與肝臟KC免疫受體的特異性相互作用，作為宿主和病原菌博弈的關(guān)鍵階段，最終決定了菌血癥感染疾病的兩種截然相反的發(fā)展趨勢——免疫清除或免疫逃逸。

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院傳染病研究中心張敬仁教授是論文的通訊作者，張敬仁課題組已出站博士后安浩然、2016級(jí)博士生錢晨韻、2017級(jí)博士生黃益嘉、已畢業(yè)博士生李靖和2018級(jí)博士生田獻(xiàn)彬?yàn)檎撐牡墓餐谝蛔髡摺?a target="_blank" href="http://www.fqxs.cn/tag/%e6%b8%85%e5%8d%8e%e5%a4%a7%e5%ad%a6" title="View all posts in 清華大學(xué)">清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心、細(xì)胞生物學(xué)平臺(tái)、共享儀器平臺(tái)以及蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)為本研究工作提供了重要幫助。該研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)春風(fēng)基金和中國博士后科學(xué)基金的共同資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1084/jem.20212032

來源：清華大學(xué)