作者:冯丽妃,隋福毅 来源:中国科学报 发布时间:2024/1/16 16:38:27
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7年长跑,他们为治疗真菌脑膜炎打开一扇窗

 

“我给你一个B计划吧,不然毕不了业怎么办?”

“延毕就延毕,我不要B计划,只做A计划。”

回忆起2016年开始做真菌性脑膜炎研究之初的情形,中国科学院微生物研究所(以下简称微生物所)研究员王琳淇仍清楚记得和学生陈磊之间的那次对话。

因为研究课题难,做导师的王琳淇“替学生考虑”想让他做个轻松点的课题先毕业,但学生本着团队一贯坚持的“宁要伟大的失败,也不要廉价的成功”的原则,坚持挑战难题。后来,陈磊果然因为这项研究,博士学位证书晚拿了两年。

现在,他们经过7年多“长跑”终于拨云见日,发现了真菌脑膜炎的耐药机制,找到了潜在针对性治疗策略。相关研究1月16日发表于《自然—微生物》。

“这项研究极大地推动了领域的发展,在这些重要发现的基础上将有可能开展转化和临床研究。”该刊一位审稿人说。

 王琳淇团队(王琳淇二排左五,陈磊二排左三)。受访者供图

揭开大脑内的“拔河比赛”

真菌性脑膜炎是最危险的一类真菌感染疾病,感染致死率达40%以上。新生隐球菌作为真菌性脑膜炎的头号病原体,不仅会感染艾滋病等免疫缺陷患者,其易感人群还包括老年群体以及有基础疾病的群体,每年在全球导致约18万人死亡。

但应对这一真菌的手段却极为有限,杀菌类药物仅有两性霉素B一种,感染病死率、临床治疗失败和复发感染频率高。

其致病机制究竟是什么?复发率为何居高不下?

2016年,王琳淇带领团队尝试回答这一医学难题。他们系统评价了约340种代谢物对两性霉素B杀菌效果的影响,出乎意料地发现:葡萄糖竟然是关键影响因子。

人脑的葡萄糖浓度在各个器官中是最高的,用以提供能量。研究团队在人脑脊液中去除和重新加入葡萄糖,结果证明葡萄糖会显著诱导新生隐球菌对两性霉素B的耐受能力。

“这背后的机制就像一场微型的‘拔河比赛’。”论文通讯作者王琳淇向《中国科学报》记者解释,两性霉素B主要通过结合真菌细胞膜中的麦角固醇对细胞进行“打孔”从而杀死细胞。葡萄糖就像“啦啦队”,当外界葡萄糖浓度很高时,会让真菌转录调控蛋白Mig1进入细胞核,促使真菌细胞产生更多的肌醇磷酸化神经酰胺(IPC),在细胞膜上与两性霉素B“拔河”,以争夺麦角固醇。

“IPC与麦角固醇的亲和力比两性霉素B更高,在拔河中‘力气’更大,导致两性霉素B无法有效结合麦角固醇,从而无法杀伤真菌细胞,导致耐药的发生。”他说。

     

图中展示的是一幅描绘拔河的中国画。拔河是一种古老的对抗竞赛,经过激烈角逐,强者获胜。在真菌性脑膜炎期间,在葡萄糖(挥舞的旗帜)的作用下,肌醇磷酸甘油酰胺(脸部化妆的队员)和两性霉素 B(绳子另一端的队员)在真菌质膜上争夺麦角固醇(红手绢),这一过程对于真菌细胞在药物治疗期间的存活至关重要。受访者供图

基于此,研究团队首次证明了宿主体内存在表型耐药。耐药通常是由遗传突变导致的,使病原体对药物产生抗性。表型耐药与遗传突变无关,而是由条件或环境变化激发的。20多年来,科学家已经在体外条件下证实了真菌表型耐药的存在,却未找到体内真菌表型耐药存在的关键证据。

“我们的研究表明,受体内宿主因素诱导的表型耐药的影响,一旦停止用药,存活的真菌细胞会进一步繁殖,导致治疗失败、复发感染。”论文第一作者陈磊说,宿主因素诱导的体内表型耐药在真菌中或普遍存在,这将有助启发科学界关注这一领域,并带动应对真菌表型耐药的药物研发。

隐球菌性脑膜炎期间真菌质膜上的拉锯战。图中大脑中葡萄糖(Glu)的存在会增加隐球菌质膜中肌醇磷酸化神经酰胺(IPC)的产生,这种分子与麦角固醇(Erg)的结合能力强于与两性霉素 B(AmB)的结合能力,从而降低了 AmB 与真菌细胞结合的能力,限制了 AmB 治疗隐球菌脑膜炎的疗效。受访者供图

让耐药真菌不再“死灰复燃”

由于其耐药性,新生隐球菌被世界卫生组织列入“优先真菌病原体名录”的最高优先级之一。发现其致病机制只是第一步,降低脑部新生隐球菌对药物的耐受水平,意味着需要打破大脑内的“拔河比赛”。

王琳淇与团队将目标锁定在能够抑制IPC合成酶的药物——金担子素A。这种药物能够与两性霉素B形成合力,限制IPC争夺麦角固醇,从而有效消除葡萄糖诱导的真菌表型耐药。

小鼠实验表明,金担子素A与两性霉素B联用,对于真菌脑膜炎的治愈率明显优于临床推荐的两性霉素B-氟胞嘧啶治疗策略。当治疗周期为7天时,使用临床推荐的治疗方案时,试验小鼠的大脑中仍然可以检测到隐球菌的残存。但采用新的治疗方案后,有70%的小鼠大脑中的隐球菌被完全清除。

“两性霉素B一直被认为是治疗隐球菌性脑膜炎的最后一道防线,但这道防线可能会被真菌的表型耐药突破。我们的研究筑牢了这道防线,可以让真菌经过治疗后不再死灰复燃。”王琳淇说。

与细菌和病毒不同,王琳淇表示,真菌和人类一样,都属于真核生物,有很多关键的分子机器高度相似,这使得很多对真菌有作用的药物也会对人体产生细胞毒性。金担子素A的一个优势是其靶点只存在于真菌中,不存在于人体内,具有良好的宿主安全性。

但由于金担子素A目前仅对少数真菌有效,临床应用并不广泛,新研究则有助为该药物提供更广泛的用武之地。

“研究团队证明了两性霉素B和金担子素A的联合使用在隐球菌性脑膜炎模型中的疗效,为临床治疗新生隐球菌指明了潜在的新途径,值得称赞。”国际审稿人评价称。

图中显示的是对杀真菌药物两性霉素 B(AmB,黄色)耐受性的三维示意图,突出显示了由于葡萄糖(深灰色)的存在,真菌质膜上肌醇磷酸化神经酰胺(IPC,浅蓝色)的生成增加,IPC 是一种与麦角固醇(橙色)紧密结合的分子,导致 AmB 与真菌质膜的结合能力减弱。因此,AmB 的耐受性会提高。受访者供图

开辟真菌耐药研究“新赛道”

隐球菌性脑膜炎进程中葡萄糖诱导的表型耐药机制的揭示,意味着王琳淇团队在国际上开辟出真菌体内表型耐药研究的“新赛道”。

相关技术方法没有“前车借鉴”,王琳淇和团队就通过自主研发解决。为了去除人脑脊液样本中的葡萄糖,他们开发出了原位酶解的方法,将葡萄糖含量降低以检验其能否驱动药物耐受性;表型耐药通常只有部分细胞会对药物产生耐药表征,他们就跟北京大学教授白凡合作,开发了异质性的单细胞评测手段;把大分子药物递送到大脑碰到困难,他们就与西南大学教授李翀团队合作,开发出脑靶向脂质体包裹递送机制。

回忆起7年的“长跑”,陈磊笑言:“虽然这条路没有人走过,但我们对它非常有信心,做起来心劲非常足。王琳淇老师鼓励我们自由探索,过程中的难题我们没有特别放在心上,更多的是一步步验证自己猜想的兴奋。”

目前研究团队正在尝试把新的药物联用策略推进至临床,以期望降低真菌性脑膜炎的病死率。“当前,真菌病风险监测和药物研发迫在眉睫。”王琳淇对《中国科学报》说,相对于病毒和细菌研究,全球真菌研究起步较晚,上世纪90年代中期才开始规模化研究,这使得真菌研究领域底子薄,包括很多基本规律仍不清楚。

与此相对,全球真菌感染疾病种类和死亡人数正在增加。目前,全球每年因真菌病死亡的人数达到160万~250万人,与30年前相比提高了一个数量级。在我国,国家卫生健康委员会在2006年颁布的《人间传染的病原微生物目录》中包含59种真菌病原体,2023年这一数字上升到151种,增加了92种。

究其原因,王琳淇表示,全球变暖是一个重要影响因素。真菌喜欢在比较潮湿阴冷的条件下生长,温度限制阻止了绝大多数真菌对人体的威胁,但全球变暖导致更多真菌能够适应人体体温。

在此背景下,世界卫生组织在2022年首次发布威胁人类健康的“真菌病原体清单”,以此呼吁全球提高对真菌感染防控和解决方案的重视。

真菌感染偏好免疫缺陷患者及老龄人口,我国人口基数较大,老龄化人数多,使得我国是真菌感染大国。2019年,我国建立了全国真菌病监测网,开始在国家层面对真菌病进行监测。

“环境来源的高风险真菌是近阶段数量异常上升新真菌病原体的主要源头,开展对该类真菌的前瞻性监测和主动防控,预计将帮助我们提前发现超过50%的潜在新真菌病原体并给出有效临床防控方案。”王琳淇说。

作为真菌学与创新技术研究室主任,王琳淇告诉记者,目前该研究室正在酝酿“真菌暗病原计划”,前瞻性评价环境真菌的感染风险、并建立针对性防控方案,以有效遏制未来新病原真菌产生的重大隐患。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41564-023-01561-1

 陈磊 受访者供图

  王琳淇。受访者供图 

 

 

 

 

 

 
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