細菌及病毒感染的宿主導向治療*

王夢園 綜述,王世富,2△ 審校

1.山東大學附屬兒童醫院臨床微生物科,山東濟南 250022;2.山東省兒童健康與疾病臨床醫學研究中心,山東濟南 250022

盡管當前醫療水平及抗菌藥物研究得到快速發展,但由細菌和病毒導致的感染性疾病仍具有較高的發病率和死亡率,對全球公共衛生健康構成了極大威脅;此外,新型未知致病微生物的不斷出現和流行及逐漸增加的抗菌藥物耐藥性使臨床上對新型抗感染藥物的需求更加急迫。然而明顯放緩的新藥研發速度與巨額研究成本令研究者的目光轉向已批準用于治療其他疾病的藥物,這些藥物可用于宿主導向的抗感染治療(HDT)[1]。不同于傳統抗菌和抗病毒藥物直接針對病原體生存的關鍵環節,HDT能夠調控病原體侵入、增殖、逃避免疫殺傷等過程中的宿主因素及調節炎癥反應以降低感染對機體造成的損傷,因此該方法具有防止或減緩耐藥性發展的優勢,并可降低藥物前期研發成本[1-2]。

正常的宿主-病原體相互作用可控制病原體感染,但相互作用的失衡(免疫防御不足或過度炎癥)會造成機體組織器官損傷[3]。對病原體-宿主相互作用及背后的炎癥通路、免疫應答的深入認知是HDT臨床應用的重要前提。本文對HDT藥物的介紹闡述將從干擾病原體侵入、抑制病原體在宿主細胞內的持續存在、提升宿主免疫反應、調節過度炎癥幾個方面進行。

1 干擾病原微生物侵入

大部分病原微生物的感染過程始于其表面分子與宿主細胞組分的結合,阻斷該過程來干擾病原微生物的入侵是HDT的主要策略之一。多數病毒感染的第一步是其表面蛋白結合靶細胞受體,繼而與胞膜融合進入胞內,釋放遺傳物質并完成子代病毒的復制、組裝和釋放,因而阻斷受體結合過程可有效抑制病毒感染。如DAS181作為小分子唾液酸酶融合蛋白,通過破壞呼吸道上皮細胞表面的唾液酸受體來阻斷流感病毒與其結合,達到預防和治療的目的[4]。新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)的S蛋白通過與ACE2受體結合進入胞內,利用ACE2單克隆抗體[5]和小分子拮抗劑[6]阻斷結合過程可有效預防感染或降低新型冠狀病毒感染(COVID-19)所致危重癥的比例。

部分細菌的侵入過程也與其對宿主細胞的黏附緊密相關。致病大腸埃希菌通過其Ⅰ型菌毛黏附素與膀胱上皮的甘露糖結合,從而黏附于膀胱導致尿路感染。而拮抗Ⅰ型菌毛黏附素可作為預防或治療大腸埃希菌所引起尿路感染的有效手段,如小分子甘露糖苷可與之競爭性結合來發揮解細菌黏附的作用[7]。產生孔毒素破壞宿主細胞質膜是細菌另一種常見的毒力策略,耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的α-毒素通過結合靶細胞和組織表面的ADAM10致組織屏障破壞,而自噬蛋白ATG16L1則能夠促進胞外囊泡釋放ADAM10來減少毒素與細胞表面的該分子結合從而保護宿主細胞[8]。因此,細菌感染的治療也可通過使用阻斷細菌毒力因子發揮作用的小分子拮抗劑實現。

2 抑制病原微生物在宿主細胞內的持續存活

病毒和部分胞內寄生菌在細胞內的存活和持續復制,一方面依靠宿主細胞提供的能源及合成機制,另一方面需要阻斷細胞內在的防御機制。針對此類病原體感染的宿主導向治療策略包括阻斷病原體胞內存活的必需途徑和強化宿主細胞的胞內殺傷作用。

2.1抑制病原微生物在宿主細胞內的增殖 病毒在其復制周期的每一步都需要宿主因子的參與,這些宿主因子可作為潛在的HDT靶點。如丙型肝炎病毒(HCV)的非結構蛋白5A與肝細胞親環蛋白A(CypA)結合以促進RNA復制,該過程可被CypA拮抗劑環孢素阻斷從而有效抑制病毒復制[9],但由于CypA-環孢素A(CsA)復合物可抑制T細胞活化引起免疫抑制,因此設計出來源于CsA的更具藥理學安全性的非免疫性CypA拮抗劑,如阿拉伯韋、NIM811和CSY-635。除HCV外,CypA還被冠狀病毒、艾滋病病毒(HIV)和乙型肝炎病毒(HBV)等利用,表明CypA拮抗劑具有發展成為廣譜抗病毒藥物的潛力[10]。肝細胞表達的miRNA-122可與HCV基因組的部分區域結合以刺激復制,而使用相應的反義寡核苷酸進行中和可抑制該過程,此外,HCV感染患者較高的循環微小RNA(miRNA)-122表達水平表明其具有作為HCV感染確診與進展監測生物標志物的潛力[11]。

部分胞內感染病原體在宿主細胞內的存活同樣依賴于宿主細胞,如Q熱立克次體在胞內的生長依靠宿主信號的轉導、一定的鈣通量和甾醇穩態,研究表明靶向G蛋白偶聯受體、干擾鈣轉運和作用于甾醇穩態的藥物可抑制其在胞內的生長;除此之外,這些藥物對其他胞內菌,如嗜肺軍團菌、流產布魯桿菌亦具有同樣的抑菌效果[12]。

2.2增強宿主細胞的胞內防御作用 侵入機體的病原體被吞噬后,溶酶體與含有病原體的吞噬泡融合并發揮殺菌作用是其清除病原體的基本過程,此外,其他胞內反應,如自噬也可輔助捕獲并殺滅胞質和吞噬體內的病原體以限制感染。然而許多病原體可通過阻斷上述過程來促進病原體在胞內的持留,最令人棘手的是結核分枝桿菌(MTB),它能夠通過干擾吞噬體成熟以及阻斷巨噬細胞凋亡和自噬得以在細胞內長期存活[13]。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、AMP活化蛋白激酶(AMPK)及線粒體活性氧(ROS)是自噬及吞噬過程中的重要作用分子,這些分子效應的加強有助于細胞內病原體的殺傷。治療糖尿病的經典藥物二甲雙胍通過激活AMPK促進自噬、增加ROS生成及促進吞噬體溶酶體融合的方式殺滅胞內MTB,臨床試驗也表明該藥可有效減輕結核病患者的炎癥反應和肺組織損傷[14]。抗驚厥藥卡馬西平則以不依賴mTOR的途徑誘導自噬以提升胞內MTB殺傷作用,減少肺部細菌載量并改善病理學炎癥[15]。新型抗MTB藥物貝達喹啉具有直接抑菌作用,除此之外,其還可通過增強自噬和促進溶酶體酸化來提升巨噬細胞清除MTB的能力[16]。MTB在巨噬細胞內的存活還與其調節代謝途徑并利用胞內膽固醇和脂肪酸有關,而曲美他嗪可在阻斷脂肪酸β氧化的基礎上促進ROS產生、增強NADPH氧化酶和內吞噬活性以控制MTB感染[17]。這些研究結果表明吞噬及自噬過程中的作用分子具有作為HDT靶點的潛力。

細胞內所含的殺菌活性物質亦有助于胞內病原體的清除降解,提升這些防御物質的功能同樣可作為HDT的治療手段。防御素和抗菌肽(AMPs)是哺乳動物體內具有快速和廣譜抗菌活性的多肽類物質,但在生理條件下活性較弱,而一些小分子物質可提升其抗菌活性。如維生素D3通過誘導抗菌肽和人β防御素4(hBD4)產生及上調黏蛋白3通道表達促進溶酶體中Ca2+釋放、H+吸收及含病原體空泡的酸化輔助清除胃上皮細胞內細菌[18]。類似的,源自藥用植物的穿心蓮內酯、冬凌甲草素和異甘草素通過EGFR激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路促進hBD3表達水平來殺滅或抑制單核李斯特菌、嗜麥芽窄食單胞菌的生長,但對其他促炎細胞因子的產生沒有影響[19]。

3 提升宿主的抗感染能力

當細菌或病毒侵入機體后,機體調動其固有免疫系統或適應性免疫系統做出應答,各種細胞因子及相關受體構成了以上免疫應答的調節網絡,利用這些細胞因子及衍生物來調節免疫應答有助于病原微生物清除。

干擾素(IFN)是機體免疫調節中的重要分子,IFN-Ⅰ及重組制劑可用于HCV、HBV等病毒感染的治療,但難以把握用藥時機和諸多不良反應使其臨床應用受限。而IFN-λ是一種受體主要分布于黏膜上皮細胞和肝細胞的干擾素亞型,有研究表明,聚乙二醇IFN-λ1a在治療丙型肝炎的同時顯著降低了肝外不良事件的發生率[20]。對MTB感染,IFN-γ可促進吞噬體成熟并誘導自噬,腫瘤壞死因子(TNF)能夠增強巨噬細胞對IFN-γ的反應并使ROS生成上調,但由于MTB感染的復雜性,IFN-γ和TNF在不同報道的臨床效果常不一致[21],臨床醫生更需把控時機、審慎用藥。白細胞介素(IL)-27作為Toll樣受體(TLR)激活后的下游分子,以依賴或不依賴IFN方式調節免疫細胞功能以發揮抗多種病毒感染作用[22]。IL-7不僅在T細胞的增殖、活化及抗凋亡中具重要作用,還可增加細胞表面黏附分子的表達以促進趨化反應,在危重COVID-19患者中,應用重組IL-7改善了T細胞耗竭狀態并促進IFN-γ的產生從而有助于重癥患者的輔助治療[23]。因此,具有免疫調節作用的細胞因子及其衍生制劑在治療感染性疾病方面具有廣闊的探索和應用空間。

除細胞因子及其衍生制劑外,一些小分子化合物亦可調節免疫應答,它們大多通過與免疫細胞表面受體結合發揮作用。咪喹莫特是一種咪唑喹啉胺類白細胞介素激動劑,其可結合DC細胞上的TLR7/8以促進各種細胞因子產生并改善局部免疫反應,有助于清除持續性HPV感染,被推薦為外陰鱗狀上皮內瘤變的一線治療方案[24],然而該藥不宜全身使用,否則會導致廣泛的炎癥反應。抗寄生蟲藥物硝唑尼特也被重新考慮用于治療病毒感染,研究表明其通過影響視黃酸誘導基因Ⅰ(RIG-I)樣受體和蛋白激酶R進行免疫調節,增強CD4+T細胞IFN-γ和IL-2的分泌、增強單核細胞TLR8和IFN-α的表達水平,從而治療埃博拉病毒感染[25]。但對于后者而言,盡管其具有治療多種病毒感染的作用,具體作用于宿主細胞的分子機制仍然有待于臨床工作者去探究。

另一種較有希望的HDT方法是阻斷免疫細胞表面的免疫檢查點。部分病原體通過調節免疫細胞上的檢查點以逃避和抵抗免疫防御機制,封閉這些免疫檢查點可在一定程度上恢復受損的免疫應答。如HBV感染后患者效應T細胞表面的免疫檢查點上調,進而功能失調、免疫應答能力降低,而免疫檢查點抑制劑有望用于慢性乙型肝炎的治療[26]。類似地,T細胞耗竭是膿毒癥晚期的特征之一,以程序性細胞死亡蛋白(PD-1)及其相應配體(PD-L1)表達水平上調為標志,T細胞功能抑制、關鍵細胞因子減少及細胞凋亡增加與膿毒癥的高死亡率有關,有研究表明PD-1/PD-L1阻斷可恢復免疫細胞功能并提高生存率,但Ⅰb期臨床試驗顯示抗PD-1抗體的療效及安全性有必要進一步評估[27]。

4 抑制炎癥反應

炎癥反應亦是機體抵抗病原體感染的重要方式,但病原體-宿主相互作用失衡導致的過度炎癥也會造成機體組織器官損傷。病毒感染所致的破壞性后果多與炎癥反應過度有關,如中東呼吸綜合征(MERS)患者死亡的主要原因是包括IFN-γ在內的促炎因子上調導致的過度免疫反應、肺泡-毛細血管滲漏、肺水腫及缺氧,患者肺泡灌洗液IL-6和IL-17表達水平升高尤為顯著,阻斷二者可用于嚴重MERS患者的輔助治療[28]。流感患者中性粒細胞反應過度釋放的胞外誘捕網(NETs)和損傷性蛋白可加重原有的肺部病理損傷,而抑制其表面趨化因子受體CXCR2可阻止中性粒細胞向炎癥部位遷移,有研究表明CXCR2抑制劑與奧司他韋的聯合應用降低了流感病毒感染小鼠的死亡率[29]。嚴重COVID-19往往伴隨著炎癥細胞因子風暴,這與病毒S蛋白與宿主細胞表面CD147結合啟動JAK-STAT和MAPK通路有關,而CD147特異性抗體可阻斷以上途徑以抑制SARS-CoV-2及其變體導致的感染和細胞因子風暴[30]。因此,在適當的時機減輕過度的、不受控制的炎癥反應對于病毒感染的輔助治療至關重要。

結核病的復雜體現在其抗炎和促炎調節的交互發生,各種免疫細胞和細胞因子都具有促進或抑制局部炎癥的雙重作用,最終導致廣泛的局灶性炎癥和肉芽腫發展,因而需要在適當時機同時進行促炎和抗炎干預[31]。花生四烯酸代謝途徑在炎癥反應調節中具有重要作用,MTB令其偏向于脂氧合酶激活并促進白三烯B4產生,另一代謝產物前列腺素E2(PGE2)通過促進細胞凋亡、防止細胞壞死避免MTB逃逸,而脂氧合酶抑制劑齊留通和PGE2的聯合使用限制了MTB復制并促進保護性IL-1β產生,同時減輕了感染小鼠的肺部病理反應[32]。然而在潛伏性感染肺結核后期,PGE2表達水平的升高削弱了免疫防御反應并使進展加速,抑制環氧合酶活性的非甾體抗炎藥布洛芬可限制PGE釋放、降低TNF水平以改善局部炎癥、降低細菌載量[33]。單獨或與抗結核抗菌藥物聯合應用的低劑量阿司匹林能夠提升結核感染小鼠的存活率,并已經進入臨床試驗階段,這與其下調炎性細胞的募集及炎性因子的產生有關[34]。另一種常見的抗炎藥是類固醇藥物,早在幾十年前便已經用于結核病的輔助治療,但類固醇藥物使用的獲益與藥物劑量及個體基因型有一定關聯,且因當前進行的臨床試驗治療結果差異較大而尚無可靠定論[35]。

膿毒癥患者的死亡與促進宿主對侵入病原體的炎癥反應有關,其高發病率與死亡率受TNF及其他細胞因子水平的影響,對相關細胞因子的阻斷可使患者受益。一些重癥社區獲得性肺炎患者,往往伴隨感染性休克或高炎癥反應,且常需要有創機械通氣,而皮質醇的輔助治療降低了死亡率[36]。其他小分子物質亦具有較強的抗炎活性,如D-甘露糖通過削弱IL-1β的產生來抑制脂多糖誘導的巨噬細胞活化,試驗表明其提升了脂多糖誘導內毒素血癥小鼠的存活率[37]。焦亡作為一種新的細胞死亡方式也與炎癥相關,MCC950特異性抑制NLRP3小體以阻止巨噬細胞焦亡,減輕了蠟樣芽孢桿菌衍生毒素引發的炎癥[38]。

一些經典藥物的抗炎作用也逐漸被發現,如氯硝柳胺作為一種泛病原體抗菌劑,其可抑制細胞因子和黏液釋放及誘導支氣管舒張,是治療囊性纖維化、COPD和哮喘等炎癥性氣道疾病及病毒性呼吸道感染的潛在藥物[39]。大環內脂類藥物除直接殺菌作用外,其炎癥調節的作用也已被認識到,阿奇霉素可通過減少促炎因子產生、減輕炎癥反應來輔助治療COPD、囊性纖維化、支氣管擴張和哮喘等疾病,其炎癥調節可能與MAPK及NF-κB通路有關,但所作用的具體分子仍有待于深入研究[40]。

5 美金剛具有宿主導向的治療耐藥菌感染潛力

近年來,研究者們發現臨床用于治療中、重度阿爾茲海默癥的美金剛具有抗炎癥反應的潛力,其不僅可阻斷M2質子通道抑制病毒的復制與釋放,同時通過多種機制減少細胞因子產生、調節Ca2+以發揮抗炎作用[41]。作為金剛烷胺的衍生物,美金剛與之同為N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體拮抗劑,然而其抑制煙堿型乙酰膽堿膽堿受體α7(α7nAChR)的效能遠高于NMDA受體,而α7nAChR在炎癥反應調節中具有重要作用[42]。有研究表明,美金剛通過抑制腦微血管內皮細胞表面α7nAChR促進病原菌的殺滅,從而輔助治療普通及產超廣譜β-內酰胺酶大腸埃希菌引起的新生鼠菌血癥和腦膜炎[43-44]。美金剛同α7nAChR結合后促進ROS的生成以及NETs形成,增強中性粒細胞對細菌的殺傷作用[45-46],而不受細菌菌種和耐藥性的限制,其作為一種全新的宿主抑菌藥物具有輔助治療耐藥菌感染的潛力。

6 結 語

在當前微生物耐藥形勢嚴峻的情況下,HDT藥物是感染性疾病治療可行的輔助手段且具有廣泛且多樣的特點,本文從干擾病原體侵入、抑制病原體胞內存活、提升宿主抗感染能力及抑制過度炎癥反應四個方面類HDT類藥物進行闡述,同時介紹了筆者正在研究的美金剛所具有的抗感染潛力。值得注意的是,HDT藥物廣泛多樣的特點并不意味著更多變或隨意的治療選擇,相反,其研發和應用需要對宿主-病原體的相互作用、發病機制、不同病程時期的病理及病理生理學機制及機體的免疫反應特點有充分的認知。與此同時,研究者應積極尋找準確反映不同感染階段宿主狀態的生物標志物,以便更好地把握HDT的臨床應用時機并監測治療效果。

此外,大多HDT藥物的調節靶點較廣泛,除具有抗感染功能外也產生諸多不良反應,尤其是對于激素或細胞因子及其相關制劑,因此用于阻斷宿主對病原體反應的治療都應是時機恰當且適量的。最后仍需注意的是,盡管許多HDT藥物具有減輕感染的作用,但其所針對的宿主分子尚不清楚,具體機制及潛在不良后果仍有待于進一步研究。