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真菌传播机制

日期:2022-01-26 14:44:25 来源:中华检验医学网 点击:



李姝 | 河南省沁阳市人民医院



真菌感染对全球公共健康的威胁日益严重。世界上有600多万种真菌,但已知感染人类的只有不到1%。这些真菌感染大多数是浅表的,感染头发、皮肤和指甲,但有些物种能够引起危及生命的疾病,其中最常见的包括新型隐球菌、烟曲霉和白念珠菌。


这些真菌通常是无害的,甚至构成了人类微生物群的一部分,但如果这些病原体传播到全身,它们可能会导致致命感染,每年全世界造成100多万人死亡。因此,真菌的系统传播是这些致命感染的关键步骤。


在这篇综述中,我们讨论了真菌如何从最初的感染部位传播到血液,免疫细胞如何从循环中清除真菌,以及真菌如何通过血液传播到较远的器官。



在过去的30年里,由于免疫抑制剂的使用增加,以及HIV/AIDS患者数量的增加,真菌感染的比率一直在稳步上升。据估计,全世界有600多万种真菌,但只有一小部分(不到600种)能够感染人类。虽然这些真菌感染大多数是浅表的,但一些真菌种类能够引起危及生命的感染。其中最常见的包括新型隐球菌、烟曲霉和白念珠菌。


新型隐球菌和烟曲霉在环境中随处可见,有可能吸入肺部,最初引起肺部感染。另一方面,白念珠菌是一种人类共生菌,通常在粘膜组织定植,但也可在医疗机构获得。


当这些机会性病原体从最初感染的部位传播时,它们可导致严重的疾病,包括脑膜脑炎、侵袭性曲霉菌病和侵袭性念珠菌病。这些和其他真菌感染加在一起,每年感染超过10亿人,死亡150多万人。仅在美国,真菌疾病估计每年花费超过72亿美元,随着免疫缺陷患者医疗护理的不断进步,这一趋势预计将继续上升。


因此,真菌感染对全球卫生保健系统造成了相当大的经济负担,并对全球公共卫生构成了日益严重的威胁。此外,目前的抗真菌治疗选择仍然有限,并受到耐药真菌菌株持续出现的威胁。由于这些原因,我们了解真菌疾病的发病机制,特别是真菌病原体传播的方式,以便开发更多的抗真菌药物是至关重要的。


(一)新型隐球菌的传播


新型隐球菌是一种有荚膜的酵母真菌,在全球范围主要存在于土壤和禽类粪便中。人类呼吸道每天都会吸入,以酵母或孢子形式存在的感染性繁殖体,由于体积小,这些微生物能够逃脱咳嗽和粘液纤毛清除,并深入肺泡间隙,在健康或免疫能力正常的个体中,遇到肺部免疫细胞,这些真菌被清除或者定植。


在免疫缺陷的情况下,包括艾滋病患者、器官移植受者和接受免疫抑制治疗的患者,新型隐球菌可引肺部感染,导致肺炎、急性呼吸窘迫综合征和肺外播散。播散型新型隐球菌进入血流,可感染远处器官,但优先以中枢神经系统为靶点。如果这些真菌细胞穿过血脑屏障(BBB)进入脑实质,就会引起脑膜脑炎。据估计,全球隐球菌脑膜脑炎的发病率每年超过22万例,每年造成约18万人死亡。


肺外传播


是新型隐球菌从肺部逃逸的途径,这些途径包括被称为“特洛伊木马机制”的吞噬细胞内途径、通过上皮细胞的跨细胞途径、上皮细胞间的细胞旁路以及游离真菌通过受损的上皮屏障逃逸的细胞外途径(图1)


图1

A,介导新型隐球菌肺外传播的机制:在吞噬作用后,新型隐球菌(绿色)能够在肺泡巨噬细胞(紫色)内存活,并通过吞噬细胞内的上皮细胞进入间质、淋巴系统和/或血流。新型隐球菌可以通过胞吐排出巨噬细胞,并作为游离真菌在宿主体内传播,或被血液中的外周血单核细胞吞噬并运输到包括大脑在内的各个器官的血管系统。

B,胞吞作用:新型隐球菌通过葡萄糖醛酸甘露聚糖(GXM)和CD14以及棕榈酸(PA)和表面活性剂蛋白-d(SP-D)受体粘附到上皮细胞,附着后,上皮细胞携带酵母菌穿过上皮细胞。

C,细胞旁交叉和屏障完整性丧失:新型隐球菌诱导IL-33(桃)的产生,它与脲酶(紫色)一起破坏紧密连接,允许真菌细胞在上皮细胞之间传递。新型隐球菌还分泌Plb1(绿色)、脲酶(紫色)和蛋白酶(黄色),它们会破坏上皮屏障,允许真菌穿过上皮进入血液。


(1)特洛伊木马


肺部感染后,新型隐球菌首先遇到的免疫细胞是肺部的巨噬细胞。这些巨噬细胞迅速吞噬隐球菌细胞并进行降解,然而,新型隐球菌是一种兼性胞内病原体,能够在这些细胞中生存和复制。这使得有活性的酵母能够在迁移的巨噬细胞内运输出肺,这一过程被称为传播的特洛伊木马机制。


除了细胞内的逃逸方式外,新型隐球菌还可以作为游离真菌,通过一些细胞外途径排出肺部,其中一种途径是胞吞作用,这一机制包括利用宿主细胞内吞途径促进真菌穿过上皮屏障,使新型隐球菌进入肺间质、血管或淋巴系统。


(2)细胞旁交叉和屏障完整性丧失


除了通过上皮细胞,新型隐球菌还可以在上皮细胞之间通过,这是紧密连接的机械或生化破坏的结果,这一过程被称为细胞旁路或细胞穿过。在肺部感染期间,新型隐球菌诱导肺泡2型上皮细胞产生白细胞介素IL-33。


IL-33促进2型先天免疫反应,抑制紧密连接蛋白E-cadherin的表达,允许真菌通过减弱的紧密连接。同样,脲酶可以破坏肺上皮的完整性。虽然隐球菌脲酶对上皮组织的影响尚未完全检测,但其活性已在幽门螺杆菌有了广泛的研究,并有报道称其可增加上皮细胞中肌球蛋白调节轻链(MLCs)的磷酸化,这反过来会破坏紧密连接,导致屏障功能的丧失。通过这种方式,新型隐球菌可以破坏紧密连接,允许游离真菌在上皮细胞之间通过。


血管内清除


一旦离开肺部,隐球菌细胞可进入血液,导致真菌的血流感染。早期研究表明,真菌感染后会发生脑感染,且感染的严重程度与真菌感染的严重程度有直接关系。因此,血管内识别和清除新型隐球菌是防止传播到中枢神经系统的重要步骤(图2)。


图2

A,中性粒细胞(深紫色)以依赖c5的方式被招募到血管内新型隐球菌(绿色)中。真菌细胞通过iC3b、CR3相互作用被中性粒细胞吞噬,并通过氧化和非氧化机制被杀死。

B,肝脏巨噬细胞(浅紫色)通过CRIg受体识别并结合循环中的新型隐球菌细胞上的C3b/iC3b,在吞噬后,巨噬细胞可以抑制隐球菌的生长和限制真菌扩散到目标器官。


(1)中性粒细胞


中性粒细胞是血流中最丰富的吞噬细胞,通常是最先被召唤到感染部位的免疫细胞。到目前为止,它们在抵御新型隐球菌中的作用仍然有争议。在体外,发现中性粒细胞可以有效地杀死隐球菌,但是也有报道称新型隐球菌可以负调控这些细胞的胞外杀伤活性。


当新型隐球菌在宿主体内循环时,它们会被困在器官的微血管系统中,包括大脑。在这里,隐球菌激活补体系统,诱导中性粒细胞向被阻滞的真菌迁移,然后中性粒细胞结合并吞噬新型隐球菌,进而分泌白三烯B4(LTB4),吸引更多的中性粒细胞到真菌感染部位。


在吞噬之后,中性粒细胞可以通过氧化和非氧化机制杀灭酵母。通过这种方式,中性粒细胞通过直接杀死和/或从内皮细胞中清除真菌细胞来限制其传播。


与肺等其他器官相比,中性粒细胞清除血管内隐球菌的能力在大脑中较差。这可能是由于大脑血管结构不同和缺乏补体,这可能解释了中性粒细胞向大脑招募率较低以及中枢神经系统对新型隐球菌感染易感性增加的原因。


(2)巨噬细胞


除了中性粒细胞外,肝脏的巨噬细胞(KCs)也在清除血管内新型隐球菌细胞中发挥作用。肝脏是最大的内脏器官,每分钟接收体内30%的血液,约占体内组织巨噬细胞总量的90%。在这里,KCs扫描血液并清除潜在的有害物质,并通过捕获和清除血管内细菌和寄生虫在维持血液无菌中发挥重要作用。


虽然肝脏不是新型隐球菌的靶器官,但有证据表明,肝脏疾病是隐球菌病的一个危险因素。在此背景下,最近的研究结果显示,肝脏在通过KCs过滤新型隐球菌和白念珠菌播散到血流循环中起着重要作用。


脑侵袭


新型隐球菌逃脱血管内清除之后,循环的真菌细胞优先沉积在脑血管中,最终侵入大脑。一旦进入大脑,新型隐球菌开始增殖并引起致命的脑膜脑炎。


因此,虽然隐球菌感染开始于肺部,但最具破坏性的是真菌穿过血脑屏障并迁移到脑实质。迄今为止,对于新型隐球菌侵袭大脑有许多竞争的假说,包括特洛伊木马机制、胞吞作用、旁细胞穿越和通过受损内皮屏障自由进入(图3)


图3 特洛伊木马介导新型隐球菌侵袭大脑的机制


A,外周血单核细胞(暗粉色)吞噬血管内的新型隐球菌.(绿色)并将其运输到脑血管系统。单核细胞可以通过内皮孔(transcelltransmigration)携带酵母穿过血脑屏障,也可以在内皮细胞之间进行细胞旁转移。此外,单核细胞可以直接将新型隐球菌转移到内皮细胞(红色)(横向转移),促进隐球菌通过血脑屏障的转移。

B,胞吞作用:透明质酸(HA)CD44与Mpr1的相互作用促进新型隐球菌粘附于脑内皮细胞,CD44激活EphA2,而隐球菌Plb1激活宿主细胞Rac1,Rac1又激活PKCα,这些通路的激活会诱导新型隐球菌的内吞。在内吞后,新型隐球菌通过Mpr1与宿主的AnxA2结合,从而促进内皮细胞的内吞和血脑屏障的成功跨越。

C,细胞旁交叉和屏障完整性丧失:新型隐球菌通过利用宿主纤溶酶(粉红色)和分泌脲酶(紫色)和其他蛋白酶(黄色)破坏血脑屏障,并穿过内皮细胞进入脑实质


已有大量报道称,吞噬细胞可以通过BBB从血液转移到脑实质,如前所述,新型隐球菌可以在吞噬细胞内存活。这就提出了一种可能性,即真菌细胞吞噬后,吞噬细胞可以通过所谓的特洛伊木马机制护送新型隐球菌进入脑实质


(1)胞吞转运


除特洛伊木马机制外,胞外新型隐球菌可直接穿过血脑屏障,通过转运侵入大脑。间接证据支持这一观点,来自于小鼠新型隐球菌感染模型,在小毛细血管内皮细胞的细胞质中检测到酵母,提示内皮细胞在体内吞噬新型隐球菌。另一方面,直接证据来自使用人脑微血管内皮细胞(HBMECs)的体外研究。在该模型中,观察到游离的新型隐球菌细胞通过一个不影响单层细胞完整性的跨细胞途径穿过内皮细胞。


(2)细胞旁路和屏障丧失


这些途径包括游离酵母通过受损或减弱的血脑屏障进入,有报道称新型隐球菌在脑内积聚会导致内皮细胞严重损伤以及紧密连接改变。在这种情况下,新型隐球菌还会产生几种能够破坏血脑屏障的降解酶。


除了这些由新型隐球菌表达的因素外,宿主行为也可能导致内皮屏障的破坏,并促进隐球菌的神经侵袭。例如,据报道,滥用甲基苯丙胺可增强新型隐球菌向中枢神经系统的传播,并通过修改紧密连接和粘附分子的表达改变血脑屏障的完整性,这种对内皮细胞的药理学破坏,促进了酵母向脑实质的转移,这表明外部因素也有助于新型隐球菌向大脑的传播。不管进入机制如何,一旦进入大脑,新型隐球菌可迅速增殖并导致危及生命的脑膜脑炎病例。


(二)烟曲霉的传播


烟曲霉是一种普遍分布的腐生真菌,产生分生孢子,人体每天平均吸入200个孢子左右,它们能够逃脱咳嗽和粘液纤毛清除,并且深入肺部。


在健康个体中,这些分生孢子能迅速被清除,但在免疫功能低下的患者中,分生孢子可以发芽并发育出火焰状菌丝,这种真菌生长可导致侵袭性曲霉菌病:一种以组织损伤、坏死和缺氧为特征的严重侵袭性真菌疾病。虽然烟曲霉的目标器官是肺,但是曲霉是嗜血管的,并与宿主血管系统有亲和性。


随着菌丝的生长,菌丝穿透肺组织,侵入附近血管内皮内壁,进入循环,导致败血症和播散,并伴有血栓形成、出血性梗死和远处器官的侵袭。据估计,全世界每年大约有25万例侵袭性曲霉病,相关死亡率在30至80之间。


烟曲霉穿过肺上皮的主要途径是胞吞作用。与新型隐球菌一样,烟曲霉粘附并侵袭上皮细胞。烟曲霉粘附上皮细胞是由多种真菌因子介导的,包括唾液酸(SA)、半乳聚糖(GAG)和β-1,3-葡聚糖结合Dectin-1,粘附后,烟曲霉以肌动蛋白依赖的方式被内吞。


在这些细胞内,一部分被吞噬的分生孢子被消灭,而大约3%的分生孢子仍然存活,1/ 3存活的分生孢子在不溶解宿主细胞的情况下萌芽并形成胞外菌丝,这些微生物可以继续生长并侵入肺部组织和附近的血管。


在特洛伊木马机制方面,有证据表明烟曲霉可以利用宿主吞噬细胞逃离肺部。首先,烟曲霉能在吞噬细胞内存活。其次,有报道称,单核细胞来源的CD11b+肺树突状细胞内吞并转运烟曲霉至纵隔淋巴结。


这一事件使人联想到新型隐球菌通过肺泡巨噬细胞运输到淋巴系统。一旦进入淋巴结,曲霉菌就会从树突状细胞中逃逸并通过血液传播。由于烟曲霉在宿主体内循环,可在宿主微血管中滞留,并可侵入肝脏、肾脏、脾脏和大脑等器官。到目前为止,虽然研究表明胶质毒素(GTX)能够破坏内皮细胞,从而促进转导,但其穿透血脑屏障的机制尚不清楚。


(三)白念珠菌播散


白念珠菌是一种多形态真菌,可以从一个酵母相到菌丝相,通常是和人体共生的,无症状在大约30-80%的人的胃肠道、呼吸道和生殖道以及皮肤上定植,而相当大比例的白念珠菌感染是由留置医疗器械引起的,研究已经确定肠道内白念珠菌是内源性感染的主要来源,特别是在免疫抑制时,念珠菌可引起致命的血流感染,当它们穿过肠道上皮时,可导致侵袭性疾病。全世界每年诊断出大约70万例侵袭性念珠菌病,死亡率高达40%。


与其他真菌一样,白念珠菌侵入上皮屏障之前先粘附肠道上皮,粘附后,白念珠菌通过诱导内吞或主动渗透侵入上皮细胞,诱导内吞作用涉及真菌侵袭物和宿主细胞蛋白之间的相互作用。最近的一份报告表明,白念珠菌也能够利用吞噬细胞和特洛伊木马机制在宿主中传播。


一旦肠道上皮细胞被破坏,白念珠菌就会侵入局部组织和附近的血管并扩散到整个宿主。弥散性白念珠菌的主要靶器官是肾脏和脑,大约50%的播散性念珠菌病患者有中枢神经系统真菌侵袭,可导致脑膜脑炎,相关死亡率高达90%。另一方面,肾脏是念珠菌感染后最严重的定植器官。这些真菌负担与死亡率相关,提示肾脏是念珠菌病的关键靶器官。在肾脏内部,念珠菌感染会导致组织损伤,最终导致器官衰竭。


结  论


隐球菌病、曲霉菌病和念珠菌病是医学上最重要的真菌疾病。真菌感染通常局限于免疫能力正常的初始感染部位,然而,如果真菌从最初的感染部位传播到血液中,它们几乎可以侵入任何器官并引起致命感染,每年全球有100多万人因此死亡。


因此,真菌传播是侵袭性真菌病发展的关键步骤。尽管真菌传播的机制尚不完全清楚,但越来越多的证据表明,真菌可以劫持感染初始部位的吞噬细胞进入血液,这一过程被称为特洛伊木马。


另外,游离的真菌细胞也可以通过胞吞作用、细胞旁路或穿过受损的屏障组织直接进入血液循环。在真菌传播过程中,中性粒细胞和巨噬细胞已被证明在过滤循环真菌出血管系统中发挥作用。有趣的是,血液中的真菌也可以使用类似的策略,以逃离最初感染的部位,入侵远处的器官。真菌传播的机制反映了宿主和病原体之间复杂的相互作用,了解这一机制是制定治疗策略的基础(表1)。


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未来方向


利用HBMECs(体外分离培养的人脑微血管内皮细胞)作为血脑屏障模型的体外研究,已广泛用于研究新型隐球菌和其他病原体跨越血脑屏障的机制,这些研究为我们理解胞吞作用和特洛伊木马通路的调控机制做出了重要贡献。


然而,这些血脑屏障模型不能再现大脑微血管系统中一些重要的活体特征,此外,血脑屏障不仅由内皮细胞组成,还包括周细胞和星形胶质细胞,因此,在体内发生的真菌传播可能与我们在体外模型中观察到的不同。


为了克服这一缺陷并实现生理屏障功能,最近开发了包含内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞的血脑屏障三维自组织微血管模型,预计这些血脑屏障的三维模型将为我们提供一个更好的平台,以一种与体内发生的情况更密切相关的方式来研究真菌传播。


小鼠感染新型隐球菌的体内模型也被用于研究真菌传播。与体外研究结果一致,组织学研究支持特洛伊木马机制和胞吞作用。然而,真菌传播是一个动态过程,组织学研究并不是解决动态事件的最佳方法,最近活体显微镜用于研究真菌的传播,通过成像观察真菌细胞与内皮细胞以及吞噬细胞之间的动态相互作用,然而,活体镜检的局限性在于只能观察到很小的区域,能够分析的真菌细胞数量有限。


因此,尚不清楚观察结果是否反映了大多数真菌细胞。为了补充组织学和活体显微镜,菌落形成单位(CFU)测定已用于研究真菌在体内的传播。然而,CFU分析无法区分血管中的真菌细胞和穿过血脑屏障后大脑实质中的真菌细胞。而最近,流式细胞术用于测定寄生虫弓形虫对大脑内皮细胞的侵袭,该技术可能是一种强大的工具,可以用于未来的研究,量化内皮细胞中真菌细胞的载量。


最后,真菌细胞可以通过多种不同的机制传播,即特洛伊木马、胞吞作用、细胞旁路和通过受损组织传播,虽然有证据支持所有这些机制,但真菌传播的一个重要方面尚未得到解答,即感染期间每种机制的相对频率。


确定真菌传播的主要途径是侵袭性真菌疾病治疗策略的基础,确定哪种途径是真菌传播的主要途径是一个挑战。为了解决这个问题,可能需要一个真菌感染的体内动物模型,当分析一个机制时,必须适当地同时阻断其他两个机制。随着新技术和科学方法的出现,我们相信未来我们会对真菌的传播有更好的了解。




参考文献:

AshleyB. Strickland et al.Mechanismsof fungal dissemination.Cellularand Molecular Life Sciences(2021)78:3219–3238https://doi.org/10.1007/s00018-020-03736-z



END




(责任编辑:labwebx)

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