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结核分枝杆菌为细长略带弯曲的杆菌，大小为（1～4）μm×0.4μm，而牛分枝杆菌则比较粗短。结核分枝杆菌在陈旧的病灶和培养物中形态不典型，可呈颗粒状、串珠状、短棒状、索状、长丝形等。
在电镜下观察，结核分枝杆菌结构复杂：由微荚膜、细胞外壳三层结构、胞浆膜、胞浆、间体、核糖体及中间核质构成，无鞭毛，无荚膜，无芽孢。结核分枝杆菌典型的形态为细长、直或稍弯、两端钝圆、有微荚膜、无芽孢、常呈分支状生长。菌体宽度为0.25～0.6μm，菌体长1～10μm（通常3～5μm）。菌体的一端或两端有较深的异染颗粒，富含多磷酸盐，可能是能量储存和氧化还原反应的场所，有时可呈串珠状。在结核病患者痰标本中，结核分枝杆菌可单个散在，2个以上呈“人”“Y”等形状排列，缠绕呈索状或丛状时为有毒株的典型形态学特征。
除此之外，结核分枝杆菌亦可呈现颗粒型、滤过型和球菌型等多种形态。在结核分枝杆菌发育的特定阶段，可表现为非抗酸性、非细菌细胞性、革兰氏染色阳性的颗粒型体。在电子显微镜下可观测到比典型结核分枝杆菌小20倍的超小型滤过型菌体，可能是结核分枝杆菌在宿主体内产生持留现象的原因之一。细胞壁缺陷的结核分枝杆菌可表现为球形体，可能为其免疫逃逸和产生耐药性的部分原因。
结核分枝杆菌不产生内、外毒素，其致病性可能与细菌在组织细胞内大量繁殖引起炎症，菌体成分和代谢物质的毒性以及机体对菌体成分产生的免疫损伤有关。致病物质与荚膜、脂质和蛋白质有关。
结核分枝杆菌的类脂质含量超过60%，远高于类脂质含量较高的革兰氏阴性菌（20%）。类脂质是一类复杂的化合物，含有分枝菌酸、索状因子、磷脂和蜡质D等，与结核分枝杆菌的毒力密切相关。
分枝菌酸是结核分枝杆菌和棒状杆菌属独有的成分，可形成有效的屏障，使其免受溶菌酶、自由基等的损伤，并可抵抗亲水性化合物或抗生素的攻击。
索状因子是分枝菌酸和海藻糖结合的一种糖脂，可使结核分枝杆菌在液体培养基中呈蜿蜒索状排列，结核分枝杆菌的致病性、毒性、保护自身抵抗宿主免疫反应的多种生物学行为都可归因于此。其能破坏细胞线粒体膜、影响细胞呼吸、抑制白细胞游走和引起慢性肉芽肿。但其亦存在于无索状形成的非致病性分枝杆菌中，故上述活性可能应归结于其特殊的表面构造及巨大的数量。
磷脂能促使单核细胞增生，并使炎症灶中的巨噬细胞转变为类上皮细胞，形成结核结节。
硫酸脑苷脂可抑制吞噬细胞中吞噬体与溶酶体的结合，使结核分枝杆菌能在巨噬细胞中长期存活，甚至可休眠数年至数十年，并保持随时复苏的能力。
蜡质D是一种肽糖脂和分枝菌酸的复合物，可激发机体产生迟发型超敏反应。
多糖类物质是结核分枝杆菌细胞壁中的重要组成部分，占细胞壁组分的30%～40%，在结核分枝杆菌的致病性中发挥重要作用。脂阿拉伯-甘露醇聚糖是细胞壁的主要糖脂，可抵抗巨噬细胞的杀灭作用，阿拉伯半乳糖层可阻止疏水性分子的进入等。
蛋白质有抗原性，与蜡质D结合后能使机体发生超敏反应，引起组织坏死和全身中毒症状，并在形成结核结节中发挥一定作用。细胞壁上的选择性阳离子孔蛋白可有效控制或阻滞亲水性小分子的扩散、大大降低化合物的渗透性，致使药物进入高疏水性细胞壁间隙比较慢，构成了结核分枝杆菌对药物的第一道防线。
药物敏感结核分枝杆菌菌株细胞壁的平均厚度为（15.6±1.3）nm，但耐多药和广泛耐药株的细胞壁厚度却分别可达（17.1±1.03）nm和（20.2±1.5）nm。而且，结核分枝杆菌细胞壁肽聚糖交联的程度是70%～80%，远高于大肠杆菌的20%～30%，可能与结核分枝杆菌的致病性密切相关。
结核分枝杆菌具有主要由多糖、部分脂质和蛋白质构成的微荚膜。荚膜可部分阻挡宿主的生物活性物质进入菌体内以保护结核分枝杆菌，还可与吞噬细胞表面的补体受体结合，有助于结核分枝杆菌在宿主细胞上的黏附与入侵。而且，荚膜还可抑制吞噬体与溶酶体的融合，荚膜中含有的多种酶类可降解宿主组织中的大分子、供给入侵的结核分枝杆菌繁殖所需的营养。
分枝杆菌一般用齐-内（Ziehl-Neelsen）抗酸染色法，以5%石炭酸复红加温染色后可以染上，但用3%盐酸乙醇不易脱色。若再加用美兰复染，则分枝杆菌呈红色，而其他细菌和背景中的物质为蓝色。
目前也有冷染色的方法进行结核分枝杆菌的染色，简单易学，经济实用，适合野外条件，甚至可以在偏远地区和实验室设施有限的周边实施，同时具有更多的实际优点，无需在染色过程中加热，无需单独的脱色步骤。
结核分枝杆菌在体内外经青霉素、环丝氨酸或溶菌酶诱导可影响细胞壁中肽聚糖的合成，异烟肼影响分枝菌酸的合成，巨噬细胞吞噬结核分枝杆菌后溶菌酶的作用可破坏肽聚糖，均可导致其变为L型，呈颗粒状或丝状，可使抗酸染色由阳性变阴性。
L-型菌被认为与细菌长期持续存在并抵抗宿主免疫应答和抗微生物剂的能力有关，同时，将液体培养传代到半固体培养基上，会产生不同的L-型和典型的“煎蛋”L-型菌落。
与其他细菌相比，L-型结核分枝杆菌的生长速度明显加快，比其他细菌更能在不利条件下存活。L-型是确保该病原体适应环境变化的自然现象，L-型转化可被认为是在宿主防御机制面前支持分枝杆菌存活的状态。
结核分枝杆菌营养要求较高，培养常用罗氏培养基，内含蛋黄、甘油、天门冬素、马铃薯、无机盐及抑制杂菌生长的孔雀石绿等成分。
目前常用7H9和7H10培养基进行结核分枝杆菌的培养，其培养成分与固体培养基不同。7H9培养基成分包括：硫酸铵、L-谷氨酸、柠檬酸钠、维生素B 6 、生物素、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、柠檬酸铁铵、硫酸镁、氯化钙、硫酸锌、硫酸铜，pH为6.6±0.2；7H10培养基与7H9培养基成分稍有不同，包括：硫酸铵、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、柠檬酸钠、硫酸镁、氯化钙、硫酸锌、硫酸铜、L-谷氨酸钠、柠檬酸铁铵、盐酸吡哆醇、生物素、孔雀石绿、琼脂，pH为6.6±0.2。
分枝杆菌为严格需氧菌，最适pH为6.5～6.8，最适生长温度为37～37.5℃。受限于温血动物宿主提供的生长条件，结核分枝杆菌为嗜温、嗜中性微生物，生长的最适pH为6.5～7.2，最适温度为37℃，28℃以下停止生长。体外生长时需提供氮源、碳源、无机盐（磷、铁、镁、钾、硫等）和生长因子。结核分枝杆菌生长速度缓慢，12～24小时分裂一次，在固体培养基上呈现灰黄白色、干燥颗粒状，显著隆起，表面粗糙皱缩、菜花状的菌落；分离培养需经2～4周才可见米黄色菜花状菌落生长。在改良罗氏培养基上培养需4～6周，在液体培养基未加分散剂的情况下于液面形成粗纹皱膜，培养基自身保持透明。结核分枝杆菌的生长快于在固体培养基的生长，大约需要12天。
pH：结核分枝杆菌生长需要适当的pH，当培养基中的pH发生变化时，结核分枝杆菌生长所需要的营养元素量也不同。温和酸性培养基（pH 6.0～6.5）中结核分枝杆菌的生长需要更高水平的Mg 2+ 。二价阳离子Ca 2+ 、Zn 2+ 或Mn 2+ 在pH为6.25下生长期间不能代替Mg 2+ ，但在pH为7.0下生长期间Ca 2+ 可部分替代Mg 2+ 。在具有中等（100μmol/L）Mg 2+ 水平的培养基中，结核分枝杆菌在pH为7.0和pH为6.5下生长良好。当pH降至6.5以下时，细菌生长量下降；pH=6.25时，生长有适度但显著的下降；pH=6.0时，结核分枝杆菌在24天的培养中几乎没有生长。
缺氧：缺氧也会引起结核分枝杆菌的变化。缺氧的初始阶段（NRP1）观察到蛋白质数量的减少，其在持久缺氧（NRP2）期间进一步降低。在NRP1期间，总共34种蛋白质水平下调，242种蛋白质上调。在NRP2中，参与各种生物过程的58种蛋白质下调，与对照组相比，192种蛋白质上调。
代谢类型：结核分枝杆菌是专性需氧、自养、兼异养型微生物，具有极佳的生存策略，当栖息环境变化时能够进入不同的生理途径以适应不同的特殊环境，从而最大限度地保持其病原性及物种的延续性。其在高氧分压的组织中生长旺盛，如肺部上叶病灶；在低氧分压情况下亦能耐受，如骨结核、淋巴结结核、干酪样球形病灶等；而在小鼠感染过程中又可从需氧的碳水化合物代谢模式转变成微需氧和利用脂质的模式；在体外无氧状态下不能分裂增殖，但可转入休眠状态并长期存活。
对外环境抵抗力：结核分枝杆菌对外环境的适应性较强，黏附在尘埃上可保持传染性8～10天，在干燥痰内可存活6～8个月，在患者衣物上可存活长达2年，对酸、碱和干燥均有一定抵抗力。但对湿热、紫外线和乙醇敏感，在阳光暴晒下仅能存活数小时，70%乙醇作用2分钟即可杀灭。
在现有的研究中，很多因素能引起结核分枝杆菌休眠，比如体外低氧、弱酸性等，进而衍生出很多休眠模型例如韦恩休眠模型等，见表1-2-1。结核分枝杆菌的休眠特征是体外生长缓慢，代谢途径降低，染色特征改变，不能在固体培养基上培养，以及对抗分枝杆菌剂的抗性。已证明休眠杆菌具有活跃的转录活性，即使细胞分裂被阻止，其中一部分持久物不会被任何已知的抗菌药物杀死，甚至可以抵抗体外高剂量的利福平。同时，结核分枝杆菌休眠时蛋白表达改变，对结核分枝杆菌卡介苗（bacillus calmette-Guérin，BCG）中缺氧诱导休眠反应的蛋白质组学分析鉴定出23kDa候选反应调节剂（Rv3133c），以及其他三种蛋白质（α-晶状体蛋白样蛋白Rv2031，含USP结构域的Rv2623和含CBS结构域的Rv2626c），在进入休眠状态后立即上调。
表1-2-1 结核分枝杆菌休眠模型
续表
因结核分枝杆菌含有大量的脂类，抵抗力较强，尤其对干燥的抵抗力特别强。其在干燥状态可存活2～3个月，在腐败物和水中可存活5个月，在土壤中存活可7个月至1年，低温菌体不死，而且在零下190℃时还保持活力。在乳中加热到85℃，经过30分钟，或煮沸3～5分钟死亡。室温下在乳中能存活9～10天，奶油中为1周，干酪中为4个月。在消毒药品（5%石炭酸，2%来苏水）作用下，结核分枝杆菌一般经过2～14个小时死亡。结核分枝杆菌对抗结核药物也具有敏感性，但也会对抗结核药物产生耐药性。大部分的耐药都是由于药物滥用，引起结核分枝杆菌的耐药基因突变，进而造成耐药，对药物产生抵抗性。
结核分枝杆菌不发酵糖类，能产生过氧化氢酶。结核分枝杆菌主要分三个型：即牛分枝杆菌（牛型）、结核分枝杆菌（人型）和禽分枝杆菌（禽型），其生化试验特性见表1-2-2。结核分枝杆菌能合成烟酸，还原硝酸盐，耐受噻吩-2-羧酸酰肼（TCH），牛分枝杆菌都不具备上述特性。人型和牛型的毒株，中性红试验均阳性；无毒株则中性红试验阴性且失去索状生长现象。牛分枝杆菌可经饮用未消毒的带菌牛乳引起肠道结核感染。显微镜下均为抗酸杆菌，细长稍弯，有时见“人”形、“Y”形分枝，培养生长经生化试验可以鉴别菌型。
表1-2-2 结核分枝杆菌不同菌型的生化特性鉴别
结核分枝杆菌危及人类的历史可追溯至50万年以前，这种古老的传染病曾在全世界广泛分布，其流行持续数个世纪，被称为“白色瘟疫”。2019年，全球约有1000万结核病新发患者（2020年数据），成年男性患者占全部新发患者的56.0%，小于15岁的儿童患者和TB/HIV感染者分别占12.0%和8.2%。年龄在15～54岁的约占75%，处在社会生产能力的黄金年龄段，且95%的结核病患者和99%的死亡病例发生在发展中国家。30个结核病高负担国家的新发患者数占全球患者总数的86%，其中我国位列第三，占比8.4%，仅次于印度（26%）和印度尼西亚（8.5%）。
结核分枝杆菌可经呼吸道和消化道传播，约95%的感染者是经呼吸道传染，且可经飞沫、飞沫核和尘埃等多种空气传播方式传染。偶可通过破损的皮肤、黏膜、生殖器官等接触传染，而先天性结核病传染途径为经（破损的）胎盘或吸入羊水感染，多于出生后不久发生粟粒性结核病或生殖器结核。此外，人体对结核分枝杆菌普遍易感，感染剂量又较低，不到10个有活性的结核分枝杆菌即可使人患病，致使结核分枝杆菌非常易于在人际间传播流行。
结核分枝杆菌侵入人体后，可侵犯全身各器官而发病，以肺结核最多见。宿主免疫反应可以控制其不能活跃繁殖和扩散，但几乎不能根除，是胞内致病菌中最容易维持潜伏状态的。而结核病一旦从低流行水平转入高流行水平，其主要传播方式亦将从与结核病患者密切接触为主转为经公共场所的不经意接触为主，公共危害极大，故必须采取科学的综合性防治措施加以有力控制，如隔离患者、改善基础公共卫生服务措施等。
结核分枝杆菌是专性哺乳动物胞内寄生菌，可以感染多种细胞，如巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞和肺泡上皮细胞等，因此机体的免疫反应主要以细胞免疫为主。但结核分枝杆菌能干扰正常的细胞免疫过程，从而逃逸免疫损伤并对宿主造成伤害。
巨噬细胞是结核分枝杆菌进入人体后感染的主要靶细胞，它是杀死结核分枝杆菌的效应细胞，同时也是结核分枝杆菌潜伏感染的场所。结核分枝杆菌通常聚集在巨噬细胞的吞噬体中，它能通过抑制吞噬体与溶酶体的结合、阻断吞噬体的酸化等来抑制其成熟，以避免聚集在吞噬体中的菌体被杀灭。
中性粒细胞可最早聚集到炎症部位，通过氧依赖的杀菌物质和胞外捕获机制等杀灭结核分枝杆菌。但由于不同宿主对结核分枝杆菌的敏感性不同，中性粒细胞的病理损伤作用可能会超过其保护作用。
以CD4 + 和CD8 + 细胞为主的T细胞介导细胞免疫是机体对结核分枝杆菌的主要特异性免疫，但同时也会引发迟发型超敏反应并造成对机体自身的损伤。CD8 + 细胞可产生颗粒溶素和穿孔素直接杀灭结核分枝杆菌，而抗原特异性的溶细胞性CD4 + 细胞可杀灭吞噬了结核分枝杆菌的巨噬细胞。但CD4 + 细胞对巨噬细胞的溶解作用会导致结核分枝杆菌的再次扩散，释放出的结核分枝杆菌又会被其他巨噬细胞所吞噬。只有调节巨噬细胞和CD4 + T细胞活性间的平衡才有利于感染的控制，否则便会发病，如HIV感染等降低CD4 + T细胞水平时。
树突状细胞参与抗结核分枝杆菌感染的保护性免疫反应，可通过分泌细胞因子来诱导T细胞分化成熟为辅助性T细胞亚群（Th1）以发挥杀菌效能。但结核分枝杆菌可损害树突状细胞递呈脂类抗原的能力，其细胞壁成分能阻止脂多糖类组分诱导的树突状细胞表型的成熟，并可随感染的树突状细胞转移至外周淋巴结，从而导致感染扩散。
结核分枝杆菌的宿主是人，主要通过结核病患者呼出含有该细菌的气溶胶进行传播。吸入的细菌进入肺部上端，在巨噬细胞中繁殖。初次感染细菌后先在感染部位繁殖，传播到肺部局部淋巴结，然后扩散到身体其他部位。成人初次感染往往不表现出症状，宿主免疫反应可以控制，使细菌不能活跃繁殖和扩散，但几乎不能根除。该菌是胞内致病菌中最容易维持潜伏状态的，即出现无症状携带者，潜伏期的唯一临床指标是能对结核分枝杆菌的抗原产生迟发型超敏反应（delay type hyperensitivity，DTH）。
无症状携带者的潜伏态细菌往往会被激活，最容易被激活的是免疫功能缺陷的艾滋病患者。复发常见器官是肺，但任何器官都有可能复发。结核病是慢性、消耗性疾病，特征是发热、消瘦，肺部复发时有咳嗽。咳嗽是慢性肺部炎症的症状，也是结核分枝杆菌传播到新宿主的机制。结核病的许多症状其实是宿主的免疫反应所导致，而非细菌的直接毒性作用。因此，结核分枝杆菌致病机制研究的一个重要目标是研究宿主免疫反应与细菌致病机制之间的相互作用关系。从临床症状可以得出结论，结核分枝杆菌感染需多个阶段：①在巨噬细胞中成功繁殖；②诱发宿主的免疫反应，使宿主能够控制但不能根除细菌；③在宿主体内相对不活跃地持续存在而保留被激活的潜力。感染的不同阶段涉及变化的环境，因此细菌一定有一套系统调控多个基因的表达，使细菌能适应不同的环境变化。目前对这三个阶段分子水平的了解还较少，但是从有限的突变菌株和特性进行的分析表明，结核分枝杆菌的繁殖和持续感染机制确实与众不同。
目前，MTB持续感染相关基因的研究较多，研究与MTB持续感染有关基因的优点是：①可以设计靶向潜伏和持续感染细菌的药物，缩短化疗疗程；②可以设计减毒活疫苗菌株，与持续感染有关基因突变的菌株能防止菌株的持续感染及复发，作为疫苗比较安全。研究发现两类基因与持续感染有关：乙醛酸支路的异柠檬酸裂合酶基因（isonitrie acid lyase， icl ）和修饰细胞被中分枝菌酸、改变分枝杆菌菌落形态的甲基转移酶基因 pcaA 。细菌、植物通过乙醛酸支路以乙酸或脂肪酸为唯一碳源进行生长，厌氧时稳定期生长的MTB巨噬细胞中 icl 被上调。MTB在体内生长需要乙醛酸支路，但是活跃繁殖不需要。该代谢表型依赖于宿主IFN-γ，提示细菌体内代谢与宿主免疫反应之间有对应关系。哺乳动物体内没有功能性乙醛酸支路，因此 icl 是很有吸引力的药物作用靶点。
编码甲基转移酶的基因 pcaA ，甲基转移酶的主要功能是在细胞被的分枝菌酸上加入一个环丙烷基，缺失该基因的突变株不能产生网状索状因子、毒力减弱、菌落形态改变；繁殖正常，但在小鼠体内持久有缺陷慢性感染时，滴度很低，小鼠不会死亡。野生型菌株感染的小鼠形成肉芽肿。研究表明，体内持续感染的MTB有分枝菌酸的亚类参与了同宿主细胞的相互作用。MTB基因组编码大量 pcaA 合成酶类似物，分别负责合成细胞壁中不同的环丙烷残基，但该族基因在致病中的功能仍待研究。
利用有限的突变菌株，发现了突变菌株在体内生存的规律：构建细菌的细胞壁需要合成脂类，宿主细胞内存活需要降解脂类。MTB的细胞被由丰富的蜡质包裹，大量结构各异的成分使细菌十分疏水。这些包裹分子实质上是一系列具有不同活性的分子，调控与宿主的相互作用。脂类不仅仅是作为惰性的蜡质层成分，其在不同突变菌株（ PDIM 、 mma4 、 pcaA ）的表型差异很大。基因组中的 mmpL 家族参与运输脂类到细胞被或胞外，PDIM被mmpL 7运输到胞外是细菌在体外生存所必需。在宿主细胞浆内发现了分枝杆菌的脂类，提示MTB的脂类能够被运输到细菌细胞外。这和革兰氏阴性菌经过Ⅲ型分泌系统效应分子释放到宿主细胞胞浆或表面的机制不同。分子的作用因致病菌种类而异，包括抑制吞噬、干扰信号转导、细胞骨架重排、将细菌受体插入宿主细胞膜。MTB基因组中未发现毒力岛（pathogenicity islands）或Ⅲ型分泌系统。现在比较确信的是分枝杆菌细胞被的丰富脂类、糖脂介导了与宿主配体或细胞膜专一性的相互作用，而不仅仅与细菌细胞被的疏水性、刚性有关。今后研究的重点是被运输出去的脂类的种类，脂类在宿主细胞中的亚细胞定位，具体的脂类与宿主细胞靶子的相互作用。
与其他通过逃避吞噬而致病的细菌不同，MTB主要是利用宿主细胞表面的多个受体而进入巨噬细胞。这些受体包括甘露糖受体、补体受体和Fc受体。MTB进入巨噬细胞后，滞留在膜包围的液泡中。为了提高胞内存活率，入侵的MTB能够修饰吞噬体的成熟化过程。吞噬体的成熟化修饰涉及多种蛋白质，如RabGTP酶和使液泡质子外排的ATP酶，导致不能酸化并滞留TACO蛋白，MTB被巨噬细胞摄取，随后滞留TACO取决于宿主细胞膜的细菌入侵点处积累来自宿主细胞的胆固醇。
分枝杆菌的组分能够在巨噬细胞内运输，但是目前尚不清楚细菌哪些组分参与这些过程，以及各组分在巨噬细胞内的运输和MTB感染所致的肉芽肿之间有何关系。将来研究的方向应该是MTB的特定产物，特定产物与巨噬细胞内存活的关系，被修饰的巨噬细胞反应与复杂的多细胞病理之间的关系。
MTB感染所致的宿主临床症状和组织破坏往往是宿主免疫反应导致，基因剔除小鼠等实验动物研究结果部分揭示了抗MTB免疫的基础。小鼠控制MTB感染需要IFN-γ、IL-2和CD4 + T 细胞。小鼠与易感性有关的多态性决定簇还有NramP1和Sstl。人的IFN-γ途径多态性与对分枝杆菌的易感性有关。但是具体哪些因素影响人的易感性还不清楚，如为何多数感染者能够成功地控制住入侵的MTB，而少数人却发病。人类基因组序列可能有助于研究对MTB易感的复杂的非孟德尔遗传因素。相关知识将有助于识别容易从潜伏感染状态发展为活动性结核病的人群，开发潜伏感染人群的靶向疫苗和药物。
目前，结核病的研究进入了新的阶段。结核分枝杆菌的致病策略不同于其他胞内致病菌，脂类在致病中具有重要的作用。对致病有关基因的多学科协同研究将为认识巨噬细胞新的防御机制，开发药物作用靶标、新的药物和疫苗奠定基础。
总之，在数十万年的进化过程中，结核分枝杆菌已高度适应人类这一最主要的宿主群体，致病机制非常复杂，人体自身免疫系统很难将其完全清除，故亟待采取科学的综合性防治措施加以控制。
（王鑫洋 赵雁林）