侵襲性肺炎球菌疾病與心肌細(xì)胞損傷的研究進(jìn)展

榮柏洋 王靜 牛慧 趙志鵬 朱文凱 胡曼青 謝建軍

侵襲性肺炎球菌疾病(Invasive Pneumococcal Disease，IPD)是由肺炎球菌引起的急性細(xì)菌性疾病。可引發(fā)菌血癥性肺炎、敗血癥、細(xì)菌性腦膜炎等。肺炎球菌性疾病是全球嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題之一，在兒童和成年人群中有較高的發(fā)病率和死亡率[1]。在65歲以上的老年人中，因IPD住院患者的全因死亡率明顯增加，不良心血管事件(如心肌梗塞、心律失常和心力衰竭)是導(dǎo)致老年IPD患者住院期間及出院后死亡的主要原因[2]。本文對(duì)肺炎球菌在IPD病程中引起心肌細(xì)胞損傷涉及的特定宿主-病原體相互作用予以分析。

肺炎球菌細(xì)胞壁介導(dǎo)的心肌細(xì)胞收縮功能受抑制

在肺炎球菌感染期間，肺炎球菌細(xì)胞壁通常脫落，并與肺上皮細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)合。研究表明，Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)在肺炎球菌感染期間出現(xiàn)的心肌細(xì)胞損傷中起重要作用。TLR是單個(gè)跨膜的非催化性蛋白質(zhì)，除了識(shí)別病原微生物的保守結(jié)構(gòu)基序，即病原體相關(guān)的分子模式外，也可通過(guò)危險(xiǎn)相關(guān)的分子模式，發(fā)現(xiàn)壞死或垂死細(xì)胞釋放的內(nèi)源性分子以激活宿主免疫系統(tǒng)產(chǎn)生免疫應(yīng)答[3]。TLR結(jié)構(gòu)中的異二聚體結(jié)合肺炎球菌細(xì)胞壁中的二酰基脂蛋白，并通過(guò)3個(gè)亞型識(shí)別肺炎球菌的不同菌體成分。其中，TLR4識(shí)別肺炎球菌溶血素，TLR5識(shí)別鞭毛蛋白，TLR9識(shí)別細(xì)菌DNA。TLR與配體結(jié)合后，通過(guò)適配分子、髓樣分化標(biāo)記物-88或含有誘導(dǎo)干擾素適配器的Toll結(jié)構(gòu)域，引起促炎信號(hào)釋放，激活核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)或干擾素調(diào)節(jié)因子3，均與IPD感染期間的心肌細(xì)胞損傷有關(guān)[4-5]。

研究發(fā)現(xiàn)，心肌細(xì)胞暴露于純化的肺炎球菌細(xì)胞壁后，收縮功能受到明顯抑制，給予血小板活化因子受體(platelet-activating factor receptor，PAFR)拮抗劑可以逆轉(zhuǎn)。肺炎球菌細(xì)胞壁含有磷酸膽堿(ChoP)殘基，類(lèi)似磷脂激活劑血小板活化因子(platelet-activating factor receptor，PAF)的結(jié)構(gòu)特征，可發(fā)揮細(xì)菌粘附素的作用。PAF是由巨噬細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞、血小板、血管內(nèi)皮細(xì)胞和受損心肌細(xì)胞產(chǎn)生的炎性磷脂，可提高血管通透性、促使血小板和白細(xì)胞凝聚、增加花生四烯酸釋放，并對(duì)心臟具有負(fù)性肌力作用。研究表明，模型小鼠小劑量給予PAF未明顯減弱心肌收縮力，長(zhǎng)期大劑量應(yīng)用則可明顯抑制心肌收縮功能并引起心律失常。可能部分與內(nèi)源性激活NF-kB所致，后者具有可逆的抑制心肌細(xì)胞收縮性的作用，也與PAF誘導(dǎo)的其他內(nèi)源性炎性介質(zhì)釋放有關(guān)。肺炎球菌細(xì)胞壁的ChoP殘基與PAFR結(jié)合后，誘導(dǎo)細(xì)胞活化并產(chǎn)生多種生物學(xué)效應(yīng)，包括激活促炎轉(zhuǎn)錄因子和NF-kB，引起血管舒縮及超氧化物生成，增強(qiáng)花生四烯酸代謝以及釋放促炎因子和細(xì)胞因子等，均可能直接或間接影響心肌細(xì)胞的收縮功能[6]。值得注意的是，心肌細(xì)胞暴露于肺炎球菌細(xì)胞壁并不直接引起死亡[7]。因此，肺炎球菌細(xì)胞壁對(duì)心肌細(xì)胞收縮功能的負(fù)面影響可能僅限于感染的早期階段。

肺炎球菌侵入心肌細(xì)胞形成微病變

肺炎球菌進(jìn)入血循環(huán)后，經(jīng)過(guò)受體結(jié)合和跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程侵入心肌細(xì)胞。首先，在膽堿結(jié)合蛋白A(choline-binding protein A，CbpA)介導(dǎo)下，肺炎球菌與層粘連蛋白受體(laminin receptor，LR)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)與血管內(nèi)皮細(xì)胞粘附。然后，在磷酸膽堿介導(dǎo)下通過(guò)與PAFR相互作用，肺炎球菌被攝取和跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)。肺炎球菌進(jìn)入心肌細(xì)胞后形成離散的直徑約10～100 um的微病變。在死于IPD的9例人體尸檢心臟標(biāo)本中，有2例患者的心肌細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)到微病變[8]。對(duì)模型小鼠研究發(fā)現(xiàn)，微病變可在左右心室肌中形成，多位于血管附近，并伴有異常電生理改變。與金黃色葡萄球菌引起的心肌膿腫不同，微病變內(nèi)并無(wú)炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)。由于無(wú)明顯的炎癥反應(yīng)，心肌細(xì)胞微病變內(nèi)的肺炎球菌可以正常復(fù)制，隨著疾病進(jìn)展，心肌細(xì)胞的微病變逐漸融合增大[9]。也有研究發(fā)現(xiàn)，活組織分析顯示，心肌細(xì)胞的微病變除了含有肺炎球菌外，也有少量炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，這在肺炎球菌TIGR4菌株最明顯。提示心肌細(xì)胞微病變有無(wú)炎癥反應(yīng)可能與不同的肺炎球菌菌株感染有關(guān)[10]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，感染小鼠給予抗生素治療后，心肌細(xì)胞微病變會(huì)逐漸融合并形成微小瘢痕，與外傷后病變部位內(nèi)的膠原沉積相類(lèi)似。同時(shí)，感染小鼠體內(nèi)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-b表達(dá)水平升高，以調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞基因表達(dá)，修復(fù)受損心肌。并通過(guò)誘導(dǎo)蛋白酶抑制劑，減少基質(zhì)降解，促進(jìn)微小瘢痕外基質(zhì)沉積[10]。另外，存在心肌細(xì)胞微病變的小鼠，在小鼠的腓腸肌細(xì)胞內(nèi)同樣也觀察到微病變形成，但肝臟、脾臟或腎臟等組織細(xì)胞中均未檢測(cè)到，推測(cè)肺炎球菌可能與受感染宿主的橫紋肌細(xì)胞發(fā)生了某種特定的宿主-病原體相互作用[11]。

研究表明，抗LR中和抗體預(yù)處理的野生型小鼠和PAFR缺陷型小鼠，肺炎球菌感染后均未出現(xiàn)心肌細(xì)胞微病變。同樣，缺乏CbpA的肺炎球菌突變體形成心肌細(xì)胞微病變的能力也明顯減弱。因此，CbpA介導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)LR的粘附和細(xì)胞壁磷酸膽堿造成的PAFR缺陷，可能是微病變形成的共同途徑[12]。除了直接損傷心肌細(xì)胞，破壞心肌的正常電生理功能外，微病變也可通過(guò)危險(xiǎn)相關(guān)的分子模式，導(dǎo)致TLR和心臟抑制性NF-kB激活，并作為媒介，將肺炎球菌細(xì)胞壁轉(zhuǎn)移到相鄰的心肌細(xì)胞使微病變不斷擴(kuò)大。心肌細(xì)胞微病變及微小瘢痕形成影響心肌的順應(yīng)性及正常收縮功能，較大的心肌瘢痕可導(dǎo)致心律失常和心力衰竭。因此，心肌細(xì)胞微病變形成可能與IPD住院期間發(fā)生不良心血管事件及出院后猝死的發(fā)生率增加有關(guān)[13]。

肺炎球菌毒力因子對(duì)心肌細(xì)胞的損傷作用

肺炎球菌通過(guò)釋放多種毒力因子對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生損傷作用。肺炎球菌溶血素(Pneumolysin，PLY)是肺炎球菌產(chǎn)生的膽固醇依賴性溶血素。PLY與真核細(xì)胞的細(xì)胞膜結(jié)合，形成與脂筏相關(guān)的裂解孔。高濃度PLY能夠引起膜去極化和細(xì)胞高反應(yīng)性，誘導(dǎo)靶細(xì)胞溶解；較低濃度PLY會(huì)引起Ca2+不可控制的進(jìn)入心肌細(xì)胞內(nèi)和ATP耗竭，對(duì)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)產(chǎn)生強(qiáng)大的破壞作用。正常心肌的興奮-收縮耦聯(lián)取決于鈣誘導(dǎo)的鈣釋放，即去極化的心肌細(xì)胞膜的鈣流入，觸發(fā)肌漿網(wǎng)終池大量貯存Ca2+的釋放。當(dāng)胞漿內(nèi)Ca2+濃度升高時(shí)，Ca2+和肌鈣蛋白結(jié)合，觸發(fā)粗肌絲上的橫橋和細(xì)肌絲結(jié)合并發(fā)生擺動(dòng)，使心肌細(xì)胞收縮。不受控制的Ca2+通過(guò)PLY作用形成的裂解孔進(jìn)入心肌細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+超負(fù)荷，可能會(huì)直接破壞心肌的正常收縮功能[14]。體外實(shí)驗(yàn)顯示，肺炎球菌感染HL-1小鼠心肌細(xì)胞系后，心肌細(xì)胞微病變內(nèi)的肺炎球菌持續(xù)產(chǎn)生PLY；肺炎球菌突變體由于不能正常產(chǎn)生PLY而使小鼠心肌微病變明顯變小。通過(guò)用PLY疫苗預(yù)先免疫小鼠使PLY的成孔活性減弱，可減輕心肌細(xì)胞的微病變，表明PLY也與心肌微病變形成有關(guān)[15]。除了直接的心肌細(xì)胞毒性作用外，PLY也可通過(guò)誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞和血小板的促炎及促血栓形成作用，間接參與IPD感染期間心肌細(xì)胞的損傷過(guò)程[16]。研究發(fā)現(xiàn)，他汀類(lèi)藥物具有阻斷膽固醇合成，改善血管內(nèi)皮功能及抗氧化、抗炎作用。通過(guò)抑制膽固醇形成，他汀類(lèi)藥物干擾PLY與脂筏相關(guān)的裂解孔形成，可能在IPD感染期間對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用[17]。

肺炎球菌還可通過(guò)釋放丙酮酸氧化酶產(chǎn)生大量的過(guò)氧化氫(H2O2)。H2O2屬活性氧自由基，可引起心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)。心肌細(xì)胞微病變內(nèi)與肺炎球菌相鄰的心肌細(xì)胞暴露于H2O2，可引起細(xì)胞膜損傷。高濃度的H2O2誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大，使肌動(dòng)蛋白張力纖維增長(zhǎng)，肌原纖維被破壞，并可能引起心肌細(xì)胞死亡[18]。對(duì)HL-1小鼠肺炎球菌模型研究發(fā)現(xiàn)，肺炎球菌并未經(jīng)CbpA和磷酸膽堿介導(dǎo)，而是通過(guò)網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用入侵HL-1小鼠心肌細(xì)胞，PLY和丙酮酸氧化酶產(chǎn)生的H2O2是引起心肌細(xì)胞損傷的重要環(huán)節(jié)[19]。另外，由于氧化應(yīng)激可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞衰老，用阿霉素處理的心肌細(xì)胞衰老相關(guān)b-半乳糖苷酶表達(dá)水平增加，而細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶I、磷酸化心肌肌鈣蛋白I及端粒酶活性降低[20]。因此，H2O2通過(guò)氧化應(yīng)激反應(yīng)引起的心肌細(xì)胞衰老可能對(duì)心臟功能產(chǎn)生長(zhǎng)期的不利影響。通過(guò)抑制網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用以及給予抗氧化劑可能有助于消除H2O2對(duì)心肌細(xì)胞的毒性作用[21]。

綜上所述，IPD病程中出現(xiàn)心肌細(xì)胞損傷可能與特定的宿主-病原體相互作用有關(guān)。涉及肺炎球菌細(xì)胞壁介導(dǎo)的心肌細(xì)胞收縮功能受抑制，心肌細(xì)胞微病變形成，肺炎球菌釋放PLY等多種毒力因子對(duì)心肌細(xì)胞的損傷作用。除了選擇肺炎球菌敏感的抗生素治療外，針對(duì)PLY等肺炎球菌毒力因子、CbpA及PAFR特異性抗體等治療藥物，可能在預(yù)防IPD病程中出現(xiàn)心肌細(xì)胞損傷發(fā)揮重要作用，需要深入進(jìn)行研究。