Cell 丨减少肺结核传播或有新方法——解密肺结核咳嗽症状的分子机制

来源：BioArt

撰文 | 咸姐

肺结核是由结合分枝杆菌（Mtb）引起的慢性传染病，目前仍然是一个重大的全球性问题。抗生素耐药性的增加、有效疫苗的缺乏等问题都对控制肺结核的努力造成了威胁，肺结核的防治急需新的方法。肺结核与其他传染病的不同之处在于，它几乎完全是通过空气传播的，因此肺结核防治的一种可能的有效方法是阻止疾病的传播，减少人群的感染【1】。

咳嗽反射是一种对吸入食物和胃内容物或吸入刺激物和传染性颗粒的防御，是一种哺乳动物中广泛存在的复杂的、高度组织化的神经肌肉反应【2】。咳嗽被认为是活动性肺结核的典型症状和传播的主要原因，但是目前除了抗结核化疗和使用口罩外，治疗肺结核咳嗽的方法很缺乏，原因之一在于结核病咳嗽的直接机制仍不清楚。之前关于肺结核咳嗽机制的假设强调了感染引起的肺部刺激和炎症介质的产生的作用，但是却缺乏证据证明【3】。此外，我们知道，支配上呼吸道和肺部的化学感觉传入神经元会对各种化学物质（包括辣椒素、空气中的微小颗粒和香烟烟雾等外源性有害分子）作出反应【4】，但是引起咳嗽的病原体所产生的毒性分子是否直接刺激呼吸道传入神经元尚不清楚。虽然咳嗽是由痛觉神经元所激发的反应【5】，并且近些年的实验证实细菌可以通过改变神经元活动而产生症状，但是Mtb引起的咳嗽与呼吸道痛觉神经元的激活的关系也尚未可知。

一个又一个的谜题，肺结核出现咳嗽症状的分子机制到底是什么呢？

近日，来自美国德克萨斯大学西南医学中心的Michael U. Shiloh教授团队在Cell上发表题为 Mycobacterium tuberculosis Sulfolipid-1 Activates Nociceptive Neurons and Induces Cough 的文章，首次揭示了一种致命的人类病原体——结核分枝杆菌诱导咳嗽的分子机制，即产生一种被称为硫脂质-1（SL-1）的具有生物活性的糖脂，通过激活痛觉神经元来触发咳嗽，而如果感染SL-1缺失的Mtb则不会出现咳嗽症状。

豚鼠是建立Mtb感染模型的常用模式动物，本文首先采用气雾剂使豚鼠感染Mtb Erdman菌株，通过全身容积描记法（whole-body plethysmography，WBP）测量豚鼠24小时内的咳嗽情况，证实在低剂量感染后6周，受Mtb感染的豚鼠比未受感染的豚鼠出现更多次数的咳嗽，而此时肺部菌落形成单位（colony-forming units，CFU）也最大，从而成功建立了咳嗽诱导豚鼠模型。

为了进一步确定Mtb是否产生神经激活和咳嗽的介质，本文的研究人员从培养液中生长的Mtb中提取极性和非极性脂质，由于Mtb的细胞壁具有丰富的脂质和有机代谢物，并且含有许多活性分子，因此研究人员选择提取物中的有机相（以下称为“Mtb提取物”），利用已建立的咳嗽诱导模型测试其是否足以诱发咳嗽。实验结果是肯定的，Mtb提取物可以引发豚鼠的咳嗽。与此同时研究人员使用细胞内钙动力学的活细胞成像技术证实Mtb有机相提取物可以在体外激活小鼠或人类的痛觉神经元，包括小鼠胚胎背根神经节（DRG）细胞系MED17.11、小鼠原代DRG神经元、小鼠原代节/颈静脉神经节神经元以及人原代DRG神经元。

随后，研究人员测定了这种神经元激活活性的分枝杆菌种类特异性。通过制备多种分枝杆菌的有机提取物，包括毒性和非毒性的Mtb，以及非结核分枝杆菌（NTM），并测它们诱导MED17.11神经元细胞内Ca2+增加的能力，研究人员注意到毒性Mtb菌株H37Rv可以激活神经元，但其毒性减弱的变体H37Ra则不可以，两类菌株的主要区别在于H37Ra的PhoP转录因子发生了突变，阻止了细胞壁糖脂类SL-1的产生。

SL-1是存在于分枝杆菌外膜和细胞壁中最丰富的硫酸糖脂，是致病性分枝杆菌所特有的。本文实验证实，SL-1的单独使用即可激活神经元，而与分枝杆菌细胞壁中的非硫酸化糖脂或硫酸化单糖脂无关，并且Mtb产生的其他几种类似的复杂细胞壁脂质并不具有该功能。

在分枝杆菌中，SL-1的形成是通过硫转移酶0（Stf0）将对称双糖海藻糖硫化成双糖海藻糖-2-硫酸盐（T2S），然后进行一系列酰化反应产生的，其结构包括一个T2S中心，该中心被四个脂肪酰基修饰。实验表明，SL-1的合成是体外激活小鼠和人类痛觉神经元的必要充分条件，并且SL-1的合成前体也具有激活神经元的潜力，但值得注意的是，T2S是Mtb提取物中能激活神经元的最小分子。此外，动物实验证实，SL-1的合成是Mtb菌株Erdman提取物诱导豚鼠咳嗽所必须的，并且单独的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，尽管豚鼠仍然表现出较高的细菌感染和与活动性结核病相一致的肺部病理学特征，但是其咳嗽反应表现很弱。

综上所述，本文研究首次发现肺部Mtb感染引起的咳嗽是由Mtb产生的SL-1激活痛觉神经元而诱导产生的，提示SL-1可能是Mtb通过咳嗽传播的主要因子，抑制SL-1的表达将有效抑制咳嗽的发生。肺结核咳嗽症状的前所未有的直接分子机制的揭示，不仅为Mtb的发病机制和传播机制的研究提供了新的方向，而且为其他通过空气传播的呼吸道病原体的研究提供了框架，识别独特的、诱导咳嗽的、病原体衍生的分子以及它们的宿主受体将可能引发新的治疗方法的发展，从而减轻疾病的传播。而对于结核分枝杆菌，由于缺乏有效的疫苗来预防人群获得疾病，因此，抑制咳嗽的辅助治疗将具有显著减少传播的潜力，并对全球卫生产生重大影响。

参考文献

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.