下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
就以人类为特异性宿主的病原微生物而言，MTB被认为是进化最成功的病原微生物。许多证据表明，MTB与人类宿主在进化、迁移和扩展方面具有同步性和一致性。
尽管已经对MTB有了较为深入的研究和认识，但关于MTB感染的宿主反应及其生物学过程还有很多谜团尚未解开。这主要是因为自19世纪以来，MTB相关研究的进展非常缓慢，主要原因为：①生长极其缓慢：致病性MTB的复制周期大概为20小时，而大肠埃希菌（ escherichia coli ，E.coli）等其他细菌的复制周期只有约30分钟；②高致病性：MTB是一种危险性很高的致病性微生物，需要高度的防护措施，以防从事结核病研究领域的工作者自身被感染；③潜伏周期长：WHO的统计数据显示，约三分之一的世界人口是MTB感染者，但他们中的大多数可维持潜伏感染状态数年，甚至终身不发病，而只有很少的一部分潜伏感染者会发展为活动性结核病；④复发性：研究数据显示，即使宿主的免疫系统处于完全激活状态，也难以完全清除体内的MTB，这就为结核病复发埋下了隐患。事实上，结核病复发也是结核病患者、研究人员以及医疗人员所面临的一大难题；⑤耐药性：尤其是耐多药结核病（multidrug resistant tuberculosis，MDR-TB）和广泛耐药结核病（extensivel drug resistant tuberculosis，XDR-TB）的发生，使得结核病正面临“无药可治”的严峻挑战。我国耐多药结核病疫情尤为严重，流行比例为9.3%，约是世界平均水平的两倍。
本节拟综合最新的结核领域研究成果，从MTB感染的起始期、免疫细胞反应期、共生期、细胞外繁殖和传播期，剖析MTB感染宿主的反应及相关生物学过程，为将来更加深入地认识和了解结核病奠定基础。
结核病是由MTB侵入人体引起的一种慢性传染病。MTB感染人体后，可以在几乎所有的器官和组织中形成结核病变，最常见的是在肺脏，称肺结核，占结核病的80%以上，因此常把结核病称为肺结核。排菌的肺结核患者排出的痰液是最重要的MTB传染源，当其咳嗽、打喷嚏或大声说话时，其肺部病灶中的MTB会随着呼吸道分泌物排放到附近的空气中，与其接触的健康人吸入这些含有MTB的飞沫后就可能发生MTB感染，形成原发病灶，继而发病。
研究发现，结核病传染性的大小与传染性患者的病情严重性（比如干酪溶解形成的空洞患者）、排菌量、排出飞沫的大小、患者居住环境的空气流通情况以及与患者的密切接触程度等因素都有关联。MTB传播的途径有飞沫传播、再生气溶胶（尘埃）传播和消化道传播。1934年，Well发现肺结核患者咳嗽排出的飞沫微滴中含有MTB，这些直径范围为1～10μm的微滴又称为微滴核或飞沫核，研究发现微滴核可以在空气中扩散至数米外，并且经6小时播散后其中的MTB仍有46.7%～55.8%的比例处于存活状态。除了已被证实的微滴核传播理论之外，再生气溶胶（尘埃）传播也被认为是结核病经呼吸道传播的主要途径之一。1990年王忠仁等研究证明MTB不仅通过微滴核传播，而且可以通过再生气溶胶（尘埃）传播，MTB可随尘埃飞扬在空气中，被健康吸入后也可以发生感染和发病。再者，结核病还可以通过食入含有MTB的食品（如未经消毒的患结核病牛牛乳）而经消化道感染。另外，还有极少患者是通过破损皮肤、黏膜接触等途径感染结核病。
概括而言，呼吸道传播是结核病的主要传播途径，只要呼吸尚存，就无法从根本上避免传染。按照WHO的估计，如果不加控制，每个肺结核患者平均每年会将结核病传染给10～15名健康人，其中耐多药MTB感染者由于带菌时间和治疗时间长等因素会导致更多的人数受到传染。
那么MTB是通过什么机制侵染宿主、实现复制存活并形成感染灶，从而起始感染的呢？
肺泡巨噬细胞是肺部最主要的巨噬细胞，占肺部巨噬细胞群总数的93%。作为肺部的驻留吞噬细胞，肺泡巨噬细胞是对通过呼吸道传播的病原菌的天然免疫反应最早的效应细胞。MTB是通过呼吸道入侵人体的病原菌之一，肺泡驻留巨噬细胞作为第一道防线，是最早摄取MTB的主要细胞类型。研究发现，上呼吸道驻留有很多共生菌，这些共生菌会招募（如通过MyD88依赖途径）对宿主有利的杀伤性巨噬细胞，一旦MTB通过上呼吸道侵入，这些杀伤性巨噬细胞就会吞噬并杀灭它们。为了逃避肺泡巨噬细胞的吞噬和杀灭作用，一方面MTB进化出了在其细胞壁表面表达一些脂类，比如结核分枝杆菌醇双结核蜡酸酯（phthiocerol dimycoceroserate，PDIM）和酚糖脂（phenolic glycolipid，PGL）等，以屏蔽其病原相关分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMP），从而躲避杀伤性巨噬细胞的识别；另一方面MTB还会选择很少有共生菌寄生的下呼吸道进行侵染，并且利用PDIM和PGL等欺骗位于下呼吸道的浸润型巨噬细胞（permissive macrophage），通过其吞噬作用实现向更深层次侵染以及复制的目的。
另外，David G R及其同事最新研究发现，位于肺泡巨噬细胞（alveolar macrophage，AM）内的MTB面临的压力较小，繁殖也较高；而位于间质巨噬细胞（interstitial macrophage，IM）内的MTB却面临着与之相反的境况。进一步利用转录组测序技术分析发现，AM偏向于利用脂肪酸氧化途径提供能量和营养，而IM偏向于利用糖酵解途径提供能量和营养。据此推测，宿主巨噬细胞不同的能量代谢方式可能会在一定程度上决定入侵MTB的命运。Alex Sigal等利用活细胞成像技术研究发现，吞噬不同数量或不同聚合状态MTB的巨噬细胞死亡时间不同。如果吞噬大量或团状MTB就会导致细胞快速死亡，而且吞噬的MTB团块越大，对巨噬细胞的细胞毒性就越强。更重要的是，死亡的巨噬细胞并不会清除掉其中的MTB，反而会使MTB快速增殖，并且这一现象与巨噬细胞类型以及其是否提前活化并无关系。另外，新募集的巨噬细胞一旦吞噬了死亡的巨噬细胞，其随后也会死亡。该发现与之前一直认为的巨噬细胞扮演着约束、控制和杀死MTB的观点相悖。但目前尚缺乏进一步的证据，相信随着研究的深入，MTB与宿主相生相杀的具体机制终会被揭示。
MTB侵染宿主巨噬细胞（主要为静息的肺泡巨噬细胞）是一种被动的吞噬作用，这一过程涉及一系列宿主细胞受体，包括巨噬细胞的补体受体（complement receptors，CR）、C-型凝集素受体（C-type lectin receptors，CLR）以及清道夫受体（scavenger receptor）等。特异性的受体-配体通路和受体间的相互作用决定了吞噬的胞内病原菌的命运，特异性的受体或受体群能影响早期的宿主细胞反应；MTB表面成分能影响其进入巨噬细胞的受体功能，并且影响其在细胞内的迁移和存活。研究发现，作为CLR超家族的成员，甘露糖受体（mannose receptor，MR）大量表达在肺泡巨噬细胞表面，参与胞饮、吞噬及同型（homotypic）细胞间的黏附，作为自稳态受体和主要的模式识别受体识别病原相关的分子模式，是联系天然免疫和获得性免疫的桥梁。MR可以识别结合MTB表面的甘露糖化的分子，主要为阿拉伯糖甘露糖脂（mannose-capped lipoarabinomannan，manLAM），而manLAM能够抑制巨噬细胞的吞噬体-溶酶体泡融合。同时，MR介导的与manLAM的结合并继而使得巨噬细胞吞噬MTB能产生抗炎性的免疫抑制作用：不刺激活性氧化物的产生，抑制炎性细胞因子IL-12而促进抗炎性细胞因子IL-10的产生，从而有利于MTB的生长。
在成功侵染进入巨噬细胞后，MTB会通过其特有的称为ESX-1的分泌系统，诱导宿主上皮细胞表达宿主基质金属蛋白酶9（host matrix metalloproteinase 9，MMP9），MMP9会包裹住新生肉芽肿（nascent granuloma），继而招募更多的巨噬细胞到新生肉芽肿附近，新募集的巨噬细胞会吞噬被MTB感染的、处于濒死状态的巨噬细胞，导致更多的巨噬细胞被感染，在这一过程中，MTB也可以同时扩大侵染范围以及获得更多的藏身之处。这一过程导致的最终结果就是形成成熟的肉芽肿结构，为MTB规避宿主免疫系统的攻击，提供长期潜伏和生存甚至复制场所，以及在时机成熟时导致宿主发病和为下一个健康人的感染提供有利条件。
综上，在MTB感染的起始期，主要通过呼吸道进入宿主体内，利用多种受体-配体机制特异性侵染宿主的巨噬细胞（尤其是静息的肺泡巨噬细胞），同时MTB还可以针对宿主细胞的特性，针对性表达一些分子，以达到欺骗宿主、为自己创造有利条件的目的。成功感染巨噬细胞后，MTB和宿主巨噬细胞处于一个动态博弈的过程：一部分MTB会被杀灭，同时它们也会杀灭一部分宿主巨噬细胞，但MTB会再利用MMP9等生物大分子诱导更多的巨噬细胞，为其进一步的侵染、生存和复制创造条件。
MTB是细胞内寄生的病原菌，在其侵染的起始期，MTB主要入侵和感染的细胞类型为巨噬细胞。这时宿主体内主要起保护作用的是细胞介导的免疫反应，而抗体对控制MTB感染的作用居于次要地位。
鉴于疫苗介导的抗MTB免疫效应的相关物质及具体机制尚未完全明确，目前的主流观点认为B细胞在MTB感染中发挥着有限的免疫效应。相反，大多数证据表明T细胞在抗MTB感染中发挥着极为重要的作用。因此，目前生产的新型结核病治疗疫苗主要是增强机体对病原体的细胞免疫作用。抗HIV的T细胞免疫疫苗临床试验失败提醒研究者不应该再将疫苗的研究局限在很窄的范围，而应该充分发掘保护性抗体和体液免疫等一直被忽视的研究方向，以期寻找更好的结核病治疗方案或研制有效疫苗的任何尝试。另外研究发现，在结核病中B细胞可通过与Fcγ受体相互作用，影响Th1（T辅助细胞）细胞的活化以及影响MTB的抑制性和IL-10的产生等。从这一角度来看，B细胞也对T细胞发挥重要的抗MTB感染作用发挥着辅助效果。
但是，鉴于目前对MTB感染的认知，MTB感染的免疫细胞反应期主要是指T细胞反应期，该时期的细胞免疫可分为抗原提呈，T细胞的识别、活化、应答两个阶段。
机体对MTB产生细胞免疫必须由抗原提呈细胞（APC）介导。抗原提呈是T细胞反应期机体对MTB感染产生有效免疫应答所必需的第一个阶段。APC是一类具有加工颗粒抗原并表面提呈抗原/主要组织相容性复合体（MHC）分子信息能力的细胞，可分为专职和非专职两类。其中前者主要包括单核-吞噬细胞和树突状细胞（DC）等；后者主要为广泛存在于黏膜表面和皮肤组织的肥大细胞。研究发现，当机体感染MTB后，未成熟的DC会大量产生，当它们吞入抗原后会逐渐成熟，并且迁移到次级引流淋巴结，待到达次级引流淋巴结后，会高度表达MHC-Ⅰ和MHC-Ⅱ分子，提呈抗原。进一步的研究揭示，DC只有迁移到次级引流淋巴结才能高效地诱导Th1细胞发挥免疫反应。成熟的DC释放大量IL-12以诱导Th1细胞反应；去除了DC的小鼠表现出延迟的CD4 + T细胞对MTB感染的反应，感染呈现加重趋势。相反，感染的巨噬细胞主要产生各种炎性因子，如IL-10、TNF-α等。因此，在感染MTB的过程中，DC和巨噬细胞发挥着不同的作用。APC吞噬抗原后，需要进一步对抗原进行加工，加工后的抗原才能和MHC分子结合，继而活化T细胞。抗原加工主要分为非溶酶体和溶酶体/内体加工两种途径。加工抗原/MHC抗原分子的复合物转运至APC细胞膜上，或者直接跨膜表达，或与结合蛋白PBP72/74结合，从而启动T细胞反应期的第二个阶段，即T细胞的识别、活化、应答阶段。
根据抗原识别受体的差异，T细胞分为包含α、β TCR 的αβ T细胞和包含γ、δ TCR的γδ T细胞。αβ T细胞又可根据其细胞表面的特征分子不同分为CD4 + 和CD8 + T细胞两个亚类。CD8 + T细胞主要识别MHC-Ⅰ类分子提呈的抗原肽，产生细胞毒性T淋巴细胞（CTL）活性，溶解异常细胞、病毒和细菌感染的细胞，分泌IFN-γ和TNF-α等细胞因子；CD4 + T细胞则识别MHC-Ⅱ类分子/抗原肽复合物，调节免疫反应，分泌淋巴因子。特异性T细胞一旦被活化，其将调节一系列与细胞分化有关的标志，包括CD62L、CD27、CD43和CD127等。研究表明，在MTB感染的小鼠中，21天内就可以在肺和淋巴结中检测到Foxp3 + 调节性T细胞，后者进一步抑制Th1和Th17 T细胞应答反应。
在T细胞反应期，与上述T细胞介导的细胞免疫（cell mediated immunity，CMI）反应同时形成的还有迟发型超敏反应（delayed type hyperensitivity，DTH）。关于CMI与DTH反应的同时存在可用科赫现象说明：①在健康豚鼠皮下首次注射一定量MTB，10～14天后注射部位缓慢地出现深而不易愈合的溃疡，邻近淋巴结肿大，继而细菌播散至全身，此时结核菌素反应为阴性，小鼠死亡；②用等量的MTB注入3～6周前感染MTB并存活的豚鼠皮下，在1～2天内即迅速发生溃疡，但溃疡浅而易愈合，邻近淋巴结不肿大，细菌也很少播散，结核菌素测试为阳性。上述现象表明，首次感染机体未建立CMI，也无DTH，再次感染时机体对MTB已建立CMI，病灶局限，由于存在DTH，引发了剧烈的局部反应。
研究表明，CMI和DTH是两种不同的免疫学反应，主要是介导两种反应的T细胞亚群不同，前者为Th细胞，后者为TDTH细胞（即由CD4 + T细胞介导的Ⅳ型超敏反应Th细胞）。CMI通过激活巨噬细胞杀灭细胞内的MTB，轻度DTH可以动员和活化免疫活性细胞，并能直接杀伤靶细胞，使感染MTB的宿主细胞死亡，此反应剧烈时，会造成组织坏死、液化和空洞形成，使得被吞噬的MTB释放，感染播散。CD4 + T两个亚群的Th1和Th2在免疫反应过程中具有不同的功能：Th1主要分泌IL-2、IFN-γ、TNF-α和TNF-β等因子；Th2主要分泌IL-4、IL-5、IL-6、IL-8、IL-10和IL-13等因子。在MTB感染早期，Th1型反应起主导作用，表现为以CMI为主的反应；在细菌量多、毒力高和感染晚期，Th2型反应起主导作用，表现为以DTH为主的反应。总体上来讲，DTH对机体的免疫损伤作用超过其发挥的免疫保护作用。
综上，在T细胞反应期，带有MTB的APC激活特异性T淋巴细胞反应。CTL使已经吞噬MTB的巨噬细胞死亡而释放MTB；T辅助细胞（Th）则能募集并激活新的单核细胞或巨噬细胞到达病灶部位。由T淋巴细胞介导的细胞免疫反应和DTH在此阶段形成，从而对临床结核病的发病、演变及转归产生决定性的影响。
共生期是MTB感染后宿主产生免疫反应而MTB仍持续存活，临床上却并不表现病症的阶段。在此不得不提的一个概念就是潜伏感染，2004年Gomez教授明确对潜伏感染做了如下描述：任何不表现临床症状的结核性病变。2009年，全球结核病网络欧洲临床试验组（Tuberculosis Network European Trials Group，TBNET）发表的关于结核潜伏感染的共识中指出：MTB潜伏感染是指由于MTB感染数量少而不足以引起宿主表现活动性结核病症状和体征的一种状态。
不过，尽管理论上MTB潜伏感染可以明确定义，并认为潜伏感染者体内有一定数量的活菌存在，但实践中目前还无法直接确定潜伏感染者体内活MTB的存在。为了更好地在实践中确定MTB潜伏感染，TBNET认为，结核潜伏感染是一种无活动性结核病临床表现的MTB抗原刺激的持续免疫应答状态。因此，可以通过检测MTB特异性T细胞免疫来诊断MTB潜伏感染。
概括而言，在MTB感染的共生期，MTB感染宿主后通过巨噬细胞的吞噬作用和抗原加工及提呈，刺激淋巴特异性T细胞在肺内形成细小的肉芽肿。结核肉芽肿处于一个动态的消长过程，其中不断有细胞死亡以及细胞碎片被清除，新的细胞持续不断地加入。目前认为，在肉芽肿内有两类MTB存在，一类是生长活跃的MTB（以胞外菌为主），另一类是在巨噬细胞抗MTB的作用下仍未死亡但没有生长复制的MTB（休眠菌）。结核肉芽肿可以抑制MTB的生长，却不能完全清除MTB，因而就在MTB滞留和宿主防御之间发展形成了一个动态平衡，形成共生状态。该平衡可一直存在以至于感染者终身不发病，只有约10%的感染者会最终发展形成临床疾病，如果发病且不加以治疗，其中一半的患者会死亡。
在MTB感染的细胞外繁殖和传播期，含有具备生长能力却不繁殖的MTB的固体干酪灶发生液化，形成空洞性病灶，细菌大量增殖并突破局部的免疫防御机制，从而引起播散。
通常情况下，MTB首先感染宿主巨噬细胞，被感染的巨噬细胞会释放出引起炎症的淋巴因子和趋化因子，招募血液中的淋巴细胞和单核细胞集中到感染的局部病灶位置。被招募的淋巴细胞中，CD4 + T淋巴细胞是最主要的效应细胞，其产生并释放各种细胞因子，这些细胞因子能激活巨噬细胞并产生趋化作用，使得巨噬细胞聚集在MTB周围，吞噬并杀灭MTB，形成类上皮细胞和朗汉斯巨细胞，使病灶局限化。目前的观点认为，局限化的病灶（肉芽肿）是宿主免疫系统为了应对MTB感染而采取的一种限制MTB继续复制和播散的有效策略。但随着研究的深入开展以及MTB与宿主相互作用机制的进一步阐述，越来越多的研究表明，在与宿主共进化的过程中，MTB会反过来利用宿主免疫系统的这一特性，以有利于MTB自身存活以及在一定条件下的进一步播散和新宿主的感染。另外，大部分感染者MTB与宿主处于共生状态，只有一小部分形成原发性MTB感染。纤维包裹的坏死性干酪灶中央部位是MTB持续存在的场所。低氧、低pH和抑制性脂肪酸的存在均不利于MTB增殖。但宿主的免疫抑制有助于MTB增殖，处于抑制状态的MTB会重新活动和增殖，使得大量MTB从液化干酪灶释放形成播散。
流行病学研究表明，具有干酪状中心坏死区域肉芽肿结节的结核病患者能更有效地播散MTB，当坏死区域延伸到肉芽肿周边的支气管时，使得MTB暴露在呼吸道，借此就可以通过飞沫方式进行播散。概括而言，肉芽肿区域受感染的巨噬细胞经历两种死亡方式：凋亡（apoptosis）和坏死（necrosis），目前对凋亡和坏死在宿主抗感染免疫中的作用和机制认识较为深入。新近研究发现，在体外MTB感染的巨噬细胞还存在其他死亡方式，如铁死亡（ferroptosis）、焦亡（pyroptosis）、程序性坏死（necroptosis）。目前明确铁死亡对体外巨噬细胞感染的MTB生长有利，但总体来说，对于这些新发现的死亡形式在结核病发生发展中的作用和机制，还不太清晰。
当发生凋亡时，受感染细胞依然维持细胞膜的完整性，MTB被包埋在凋亡小体内，使得凋亡细胞在被循环单核细胞吞噬前，MTB不会暴露到胞外。坏死却与凋亡相反，坏死的巨噬细胞会发生细胞溶解，把MTB释放到胞外，同时细胞坏死产生的坏死细胞碎片（caseum）可能为MTB的生长和繁殖提供一个理想的营养环境。鉴于此，虽然细胞凋亡能够抑制MTB生长和复制，防止MTB感染的播散，但有研究者的观点认为，细胞凋亡更有利于MTB在局部区域向新的细胞播散以及使MTB持留在肉芽肿内。另外，在肉芽肿区域的细胞坏死为MTB的快速生长和繁殖提供了有利的环境，使得宿主针对胞外病原菌的防御系统无效化。从宿主杀灭入侵的MTB以及防止MTB播散的角度出发，肉芽肿的细胞应该更倾向于发生凋亡而非坏死，但目前发现的事实却相反，其中的机制目前还不清晰。
综上，在MTB感染的细胞外繁殖和传播期，MTB能够通过空洞性病灶进行大量增殖和播散，但其中的很多机制还需要更进一步研究。该时期的MTB会通过飞沫、唾液等多种形式进行播散，感染新的宿主，从而开启下一个宿主感染生物学过程。
（陈心春）