作者:王北难 来源:PNAS 发布时间:2015/1/12 14:07:53
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病毒“搭台” 细菌“唱戏”

 

病毒表面分子神经氨酸酶可以使人体细胞因子TGF-β 活化。


 

王北难团队的这一成果发表在近期的《美国国家科学院院刊》上。

■本报记者

从甲型H1N1到H7N9,高致病性的甲型流感曾多次引起全球范围内的流行。因其能够直接由禽类感染人,它们被称为“禽流感”。每年冬春,禽流感都是我国乃至世界各地的重点防控对象。

流感的威胁不仅在于病毒给患者带来的病痛,更在于其引发的多种继发性疾病,其中以继发细菌性肺炎最为严重。中国疾病预防控制中心传染病预防控制处处长余宏杰介绍,历史上几次流感大流行的数据显示,继发细菌性肺炎与流感大流行之间有着密切关联,而且是导致流感患者死亡最主要的原因之一。

科学家早就发现,被流感病毒感染之后患者更容易患上并发继发细菌性肺炎,这种共感染被认为是流感大流行时死亡率增高的重要原因。只是,一直以来人们并不清楚这现象背后的具体原因。

中国科学院微生物所病原微生物和免疫学重点实验室研究员王北难团队最近的一项研究揭开了这个谜底。

病毒“搭台”细菌“唱戏”的分子机制

近年来已有研究表明,A型流感病毒(IAV,即甲型流感病毒)的表面分子神经氨酸酶(NA)能够增强细菌对细胞的黏附,然而其中的分子机制不清楚。

王北难在接受《中国科学报》记者专访时介绍说:“我们的研究发现和证明,流感病毒的神经氨酸酶(NA)通过激活一种叫作TGF-β的人体细胞因子,会导致宿主细胞表面的黏附分子(如纤连蛋白和整合素)表达增高,这导致黏附于肺中的细菌增加。”

王北难曾在国外专门研究细菌是如何黏附到细胞上的。她告诉记者,细菌要在宿主身上“定居”的话,必须表达一个“黏附因子”,然后才能黏附到细胞表面的分子(受体)上。

回国以后,王北难了解到病毒表面分子神经氨酸酶可以使人体细胞因子TGF-β活化。“我知道TGF-β可以促进细胞表面上、细菌黏附所需要的受体表达,我就想,这之间可能有关系。”

王北难首先率领团队在人肺的上皮细胞系上做了实验验证。在细胞系上的实验结果不出王北难所料:第一,细胞系被病毒感染以后,细胞内TGF-β就被“激活”了;第二,病毒感染后,细胞表面的黏附分子(受体)增加了。通过与中国科学院院士、中国疾病预防控制中心副主任高福的合作,用重组表达的流感病毒NA也重复出了相同的现象,说明此现象是由病毒的NA所致。

“这两个独立的现象,存在怎样的联系?”带着这个问题,王北难团队重新设计了实验,他们在细胞被病毒感染的时候同时加入抑制TGF-β活性的抑制剂,结果发现细胞表面受体表达增加的现象“不见了”。这时候的王北难“心里有数了”。

动物实验的验证

做完了细胞系上的实验,还需要通过活体动物这一整体模型对实验结果进行验证。王北难团队开始用小鼠做体内实验。他们对一组小鼠进行病毒感染,然后给它们接种细菌。结果发现感染病毒组的小鼠肺内细菌数显著高于对照组小鼠(无病毒感染,只接种细菌)并且其肺内细胞表面黏附受体表达也显著增加。

接着,王北难与中科院动物所移植生物学研究组组长赵勇合作,在转基因小鼠身上做“阻断实验”——该小鼠体内细胞可表达TGF-β,但由于TGF-β发挥作用所需的信号通路被切断,故TGF-β在该鼠体内不起作用。他们用该转基因小鼠感染病毒后发现,该小鼠肺内细菌黏附并没有增加,细胞表面黏附受体也不表达了。

“这就比较完美了——从细胞系(体外实验)到动物水平上(体内实验)都证明,流感病毒通过活化细胞内的TGF-β,使细胞表面的细菌黏附受体表达增加,增加了动物或其他宿主对细菌感染的敏感性,这是我们最后的结论。”王北难对《中国科学报》记者说。

然而,王北难团队的研究并没有结束。“微生物中,病原菌和非病原菌有一个明显的差异,就是大多病原菌都有黏附因子,而非病原菌没有。如果用非病原菌来做实验,流感病毒对非病原菌应该没有影响。”于是,他们又用非病原菌进行相关实验,结果的确如此。

“非病原菌不表达黏附因子,即使细胞表达再多的黏附受体(分子)也无济于事。”王北难告诉记者,他们随后将病原菌中负责黏附的因子转到非病原菌上,使非病原菌具有黏附的功能,再去做病毒感染实验。结果发现,非病原菌表达了病原菌的黏附因子后,在病毒感染后,也会使它在细胞上的黏附增加。

“这证明了流感病毒介导的细菌黏附依赖于细菌表面的纤连蛋白结合蛋白,因此表达此类蛋白的细菌与流感继发细菌感染密切相关,如肺炎球菌、金黄色葡萄球菌、A型链球球菌和嗜血杆菌,这些细菌都是在流感并发细菌肺炎时常见的致病菌。”

“至此就非常清楚地证明了病毒、细胞、细菌三者分子之间的关系,整条线索的脉络是,流感病毒表面NA能够活化机体细胞内的因子TGF-β,TGF-β的活化会促进细胞表面黏附分子的表达,而这正好为细菌在肺内大量‘定居’提供了条件。”王北难说,“这就是我们研究的全部。”

临床意义重大

王北难团队的这一成果发表在近期的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

“王老师团队的研究从分子水平上解释了为什么许多人得了流行感冒后会变成继发性细菌感染,揭示了流感病毒具体何种分子机制诱导、加强、促进了细菌感染。”高福评价说,“它的科学意义是非常大的。对于我们未来在阻断细菌感染措施上,找到了药物靶标。可以开发新药,也可以利用现有的药物进行阻断。”

“我们找到了一个病毒、细胞、细菌三者之间内在的紧密联系——这三者实际上是人类传染病学最关注的三个关键词——就是在长期的共进化中,细菌和病毒相互利用,产生了病毒介导细菌感染的现象。”王北难说。

当前,许多针对流感的药物都是抑制NA的活性,比如达菲等。“此前人们对NA的共识是,这种酶能够促进病毒的复制,我们的研究就提供了另外一条使用这种药物的理由,让这种药物有了一石二鸟的作用。”王北难说。

此外,王北难认为,现在临床上对使用抗生素比较慎重,然而在流感大流行的时候,考虑到流感病毒对细菌性肺炎的促进作用,老人和儿童这两类易感人群或许应同时考虑尽早使用抗生素(杀死细菌)。“这样有助于减少因为流感引发的细菌性肺炎造成的死亡。”

当前流感病毒变异之快让抗NA药物研发面临着巨大的“抗药性”压力。王北难提出,既然认清了流感病毒“搭台”细菌“唱戏”的分子机制,“能不能从细菌的角度、从宿主的角度来减少并发继发性肺炎的发病率?”她举了个例子:“比如我们找到了细菌黏附所需的整合素,病人就可以摄入游离的整合素,让游离的整合素‘中和’细菌黏附细胞的能力”。

高福告诉《中国科学报》记者,当前我们还没有开始细菌溶解物的研究,细菌溶解物与NA抑制剂的联合应用将为有效控制流感的死亡率带来前景。此外,未来可以有针对性地将一些常见病原菌做成灭活苗,用于针对儿童或老人预防和治疗的菌苗。

病毒、细菌“合作”机制的启示

“在与人类的共进化中,很少是单一的病毒或者细菌感染,它们之间一般有相互作用的。”王北难受启发于该项研究,认为人们对病原微生物的研究需要从多种角度去探索,去发现一些以前认识不到的问题,从而在针对性的药物开发中提供更多思路。

“我们只是找到这样一个机制:宿主感染流感病毒后,细菌进入宿主体内(肺内)的机会增加了。如果进入肺内能够被清除的话,威胁也会消失。我现在想,TGF-β是否会对宿主的免疫功能影响?”王北难对记者说,已知TGF-β对免疫细胞有抑制作用,从这个角度还可以继续研究它是否抑制机体的免疫功能,干扰免疫机制对细菌的清除。

王北难认为,现实中病原微生物造成的机体病变是多层面间相互联系和作用的结果,但受限于研究手段,人们的研究是“单挑”出来的,这就要求人们从整体上审视对病原微生物的研究。

“过去的学科分得很细,细菌学、病毒学和细胞生物学领域之间的交叉较少。”王北难话锋一转,如今学科间的界限越来越模糊,作为科研人员,需要对研究所需的知识有很全面的了解。“这不仅要求科学家们不断学习, 更需要实行学科间、团队间的合作,这是非常重要的。病毒、细菌都懂得‘合作’,更何况是我们?”

延伸阅读

随着医学科学的进步,流感造成的死亡数大大降低,但仍然是感染性疾病中造成人类死亡最多的疾病。历史上,流感并发继发性细菌性肺炎是造成流感大流行高死亡率的重要原因。

1918年,震惊世界的西班牙流感造成欧洲5000万人死亡,约占当时世界人口的3%。病理研究证明,90%的死亡病人有严重的细菌性肺炎。

1957年,发端于中国的亚洲流感8个月间席卷全球,包括美国。流感大流行期间,美国各种呼吸道疾病特别是肺炎造成的住院和死亡数量均显著增加,死亡病例中约50%死于并发继发性肺炎。

2009年,甲型H1N1流感在世界范围内大流行,致使近30万人丧命。数据显示,继发性肺炎与流感大规模暴发有着密切关联。(来源:中国科学报  赵广立)

 

 
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