科學家揭示真菌致病的關鍵機理

2010年06月13日08:52  來源:《科技日報》

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  在細菌的世界裡,真菌通常缺乏病毒或細菌的天賦。對擁有正常的、健康的免疫系統的人們來說,真菌很少會表現它們自己。其實,人類的頭發和皮膚上攜帶著大量的真菌,甚至每次呼吸都會帶出一片無形的真菌孢子雲團。雖然許多其它微生物樂於讓宿主因感染它們得病或死亡而苟延殘喘,但真菌卻往往願意痴心地等待它的主人死於其他原因而不是自己之手。

  事實上,在整個文明史中,大多數真菌成了人類的朋友,它們慷慨地為人類提供面包和啤酒,回收垃圾,讓植物從土壤中汲取營養。科學家估計,在地球上大約生活著150萬種真菌,但隻有少數會禍害人類的健康。

  但問題是,一旦少數害群之馬真的“起了歹心”,那它們就會反目成仇,致人於死命。例如,在嚴重感染曲霉屬真菌的病人中,有一半的人將一命嗚呼。醫院中最常見的念珠菌感染的死亡率據報告也是相當高的,雖然具體數字很難獲取,但報告顯示真菌感染率在整體上具有上升的趨勢。最近,醫生們也開始對一度罕見的隱球菌感染在西北太平洋地區的擴散表現得憂心忡忡。

  是什麼將真菌伙伴轉變成了病原體,這個問題已經困擾了研究人員一個多世紀。然而,直到最近,科學家才發現了支配真菌如何運作、並將正常情況下平和的真菌轉變成人類敵人的一些關鍵原理。在試圖破譯微生物和人類宿主之間分子對話的過程中,真菌研究者還發現了人體免疫系統的一些令人吃驚的秘密。

  不吃腐肉的“禿鷲”會害人

  自2004年白色念珠菌的完整基因草圖發表以來,研究人員已編目了十余種致病真菌的基因組。這些基因組研究可能會很快揭示出真菌是如何在人體中生存的,並幫助研究人員提出新的方法來消滅這些病菌。科學家最近還發現了人類免疫細胞中會對真菌和其他入侵者發出警報的分子家族,以及真菌躲避這些細胞的機制。

  總的來說,這些研究結果可能很快就會解決真菌感染治療中最具挑戰性的一個問題,即如何讓你擺脫這個人類最親密接觸者的騷擾。

  在過去的生物學歸類中,真菌往往與植物混為一談,大概就是因為這兩種形式的生命都可以萌芽於污濁的環境。今天,真菌已被公認自成一體,擁有自己的王國,在漆黑的海洋深處、南極零度以下的冰雪層下、冰箱裡被遺忘的蘋果中都能找到它的影蹤。

  真菌包括霉菌、酵母、蘑菇及其他不從葉綠素和光獲取能量的生長物。許多真菌依靠散布微小的孢子來繁殖,每一個孢子都有傳播的本領。即便你看不到真菌的倩影,它們每天也都和你朝夕相處。2005年的一項研究發現,光在你的枕頭上就依偎著大約一百萬個真菌孢子。

  真菌是生態系統的“禿鷲”,通常都喜愛即將或已死亡的物。例如,曲霉屬真菌通常會逡巡在腐爛的樹葉和堆肥周圍,盡享一頓腐爛物大餐。但有的時候,當條件成熟時,某種真菌也會開始發芽,而此時它的主人卻依然生機勃勃。這件事如果發生在人身上,通常就會給人帶來不小的麻煩,如皮膚和指甲感染等,但這還不至於要了你的命。

  研究人員表示,大多數真菌病原體是相當“懦弱”的,它們通常不會在擁有正常免疫系統的宿主身上引發疾病。

  但總有些人擁有不那麼正常的免疫系統。大多數這樣的患者都因罹患艾滋病或癌症、進過器官移植或是藥物治療而使身體變得不再擁有強大的抵抗能力,此時真菌感染就會將這些患者陷於死地。越來越多的此類病人往往使用高劑量的抗生素,以防止其他感染,這從根本上改變了身體的自然生態,從而使那些非自然的真菌得以滋長,接管了身體。還有很多的患者同時還會經歷插入醫用導管或其他醫療器械等醫療程序,這也會打破人體正常的免疫屏障。

  念珠菌病雖然在上一代前比較少見,但這種得自念珠菌屬真菌(通常存活於皮膚上)的血液感染症已成為第四大常見的感染症。雖然沒有對曲霉屬真菌引發的感染進行過仔細跟蹤,但研究表明,在20世紀80年代和90年代期間因曲霉屬真菌感染而死亡的人數翻了兩番。

  與人太親密使治療難下手

  治療真菌感染的藥物開發工作一直難以取得進展,因為真菌與人類共享許多特性,從進化的角度來看,真菌比任何其他形式的生命更接近動物王國。如果你把蘑菇放在你的比薩上,蘑菇和你之間就會擁有比番茄醬更多的共同點。同樣地,真菌與人類之間的密切關系也更甚於病毒和細菌,這使得抗擊真菌感染成了一個棘手的課題。

  與其他種類的細菌不同的是,無論真菌還是人都是真核生物。他們的共性是,其細胞都有一個細胞核,而細胞核都有自己的細胞膜。事實上,由於真菌細胞與動物細胞太像了,因此關於人類生命的很多基本知識,都是從對面包師所用的酵母所進行的研究中收集來的。

  為了對抗感染,抗菌藥物往往會利用入侵生物體細胞和人體細胞之間的一些分子差異。但是,在真菌治療過程中,人體組織更可能發現將自己推入了火坑之中。雖然越來越多的現代抗真菌藥物與其“前輩”相比要溫和些,但首個得到廣泛使用的抗真菌劑——兩性霉素B卻是以劇毒聞名天下。

  美國威斯康星大學麥迪遜分校的布魯斯·克萊因說,“當我們進化得如此相似時,我們就很難獲得僅針對真菌的藥物”。治療細菌感染的藥物往往瞄准的是細菌細胞膜內的分子。但是,如果藥物對真菌膜展開攻擊,治療過程也往往會傷到人體細胞。

  先天免疫是抗真菌先遣隊

  但是,人體和霉菌之間還是有區別的。最值得注意的是,真菌細胞將它們自己遮蔽在一個堅硬的外壁中,以抵御濕度和溫度的突然變化。

  真菌細胞壁正是人類與真菌的主要不同之處。美國馬薩諸塞大學醫學院的斯圖爾特·列維茨認為,細胞壁雖然保護真菌免受外界環境的侵擾,但它也可成為其致命的弱點。

  至少對免疫系統來說,真菌細胞壁的最重要的基礎結構是稱為β-葡聚糖的大葡萄糖分子。近年來,研究人員已著手編制一份可識別真菌β-葡聚糖分子並與之反應的人體免疫細胞表面受體分子的細目清單。受體扮演著門衛的角色,將細胞的外部與其內部運作聯系在一起。通過檢查這些受體,研究人員即可“竊聽”人體與真菌之間的分子串擾。

  研究發現,真菌剛進入人體時,防御力量主要依賴於“先天免疫”,常規上,這個如鳥槍般的免疫反應可征募某些類型的白血細胞發現和摧毀入侵者。“適應性免疫”則是另一類免疫,需要較長的時間才能施展拳腳,過程涉及專門對抗感染的白血球細胞(T細胞),並針對特定目標產生抗體以提供長期防護。

  雖然人類產生大量的抗真菌抗體,但先天免疫被認為是對真菌發起攻擊的先遣隊。這個基本的防御機制在整個動物王國均可發現,甚至連馬蹄蟹都使用先天免疫能力保護自己免受真菌的侵襲。

  科學家們推測,一個理性的真菌不會像其他微生物那樣給人類帶來如此多的疾病,因為“我們的先天免疫力進化得非常非常之好,因此人體能夠識別真菌,並以各種不同的機制對真菌做出反應”。由此帶來的結果是,真菌並沒有進化成像細菌、寄生虫和病毒那樣顯著的人類病原體。而植物就沒有這麼幸運,盡管植物和真菌具有長期和密切的互動關系,但真菌是顯著的植物病原體,每年毀掉的世界收成佔到了百分之十左右。

  遺傳缺陷讓真菌有機可乘

  在識別真菌的蛋白質中最重要的一類是Toll樣受體,之所以如此命名,是因為它們類似於一個被稱為Toll的果蠅分子。作為受體,它們會在遭遇來自真菌和細菌的蛋白時開啟,並關閉細胞內的其他反應。一個法國研究小組1996年在《細胞》雜志上發表報告稱,Toll受體基因發生突變的果蠅會異常容易地感染曲霉屬真菌。在人類白血細胞中,尤其是兩個Toll樣受體——TLR2和TLR4似乎就卷入了身體與真菌的鏖戰之中。

  2008年,美國弗雷德哈欽森癌症研究中心的科學家在《新英格蘭醫學雜志》上發表的一項研究成果証明,TLR4具有抗真菌的作用。研究人員對接受骨髓移植后又發生曲霉屬真菌感染的患者進行了研究分析。在一般情況下,約10%到15%的移植患者會發展成危及生命的曲菌病,但現在尚不清楚為什麼其他85%至90%的患者能逃過此劫。

  研究人員發現,一個遺傳基因引發了已病者體內的TLR4發生故障。科學家們認為,如果沒有一個正常的TLR4,這些患者的免疫反應或許就已被削弱。對造血干細胞捐贈者的此一突變進行基因檢測,或許有一天就能確定哪些患者在移植后需要特別的照顧或注意。

  《新英格蘭醫學雜志》去年發表的兩份研究報告也描述了遺傳缺陷會導致真菌疾病易感性的增加,証實其他受體在真菌防護中的作用。其中一個便是dectin-1,dectin-1於2001年被首次確認為真菌防御的關鍵因素。Dectin-1伙同TLR受體可制造出既能攻擊真菌又能部署其他白血細胞協助抵抗感染的物質。

  去年10月,一個國際研究小組對一個特殊家族進行了遺傳學研究。在該家族中,其他方面均為健康的婦女似乎特別容易在陰道、手指和腳趾部位發生慢性念珠菌感染。研究人員發現,是一種遺傳性基因改變導致了dectin-1缺陷。

  第二個研究小組則調查了另一個家族,該家族的成員容易周期性感染念珠菌,有時甚至是致命的。英國倫敦大學學院主導的一個研究小組發現,另外一種遺傳突變也可使一個人更易遭受真菌感染的侵害。當dectin-1檢測到真菌時,它會激起一個鏈式反應,將免疫細胞設置在戰斗模式。研究人員發現,突變會干擾該鏈中的一個環節,也就是一個被稱為CARD9的分子。在這種情況下,dectin-1雖然被正確觸發,但該機制堵塞了之后更遠的路線。

  雖然這樣和那樣的發現為理解免疫系統如何工作帶來了新的認識,但人們對於人體究竟如何處理與真菌關系等更多問題仍是雲裡霧裡。最令科學家揪心的問題則是,與宿主細胞關系如此緊密的這些生物體是如何做到在不觸發警報的情形下生存和繁衍的。

  真菌披著“隱形斗篷”

  於是,研究人員將研究重點主要放在了會引發肺部感染的組織胞漿上。這類真菌孢子生長在被稱為巨噬細胞的白血細胞內。巨噬細胞是一種先天免疫細胞,負責摧毀像真菌這樣的入侵微生物。

  雖然組織胞漿使用的隱形策略在很大程度上依然是一個謎團,但科學家最近報告說,曲霉屬真菌也許能躲開免疫系統,它從哈利波特那裡借來了工具:隱形斗篷。

  雖然人體吸入的每立方米空氣中可能包含一千個甚或更多的曲霉屬真菌孢子,但免疫系統似乎都不會察覺到。科學家們一直不清楚這到底是為什麼。終於,在2009年8月的《自然》雜志上,法國巴斯德研究院的研究人員給出了一個解釋:人體的免疫系統無法對孢子作出反應,是因為免疫系統根本不知道它們的存在。通常情況下,孢子外層覆有一層小纖維茸,也稱為“棒形層”。在小鼠實驗中,研究人員發現纖維本身並不刺激免疫系統。然而,當研究人員從細胞外層去除這些纖維茸時,裸露的孢子激起了強烈的免疫反應。

  由此看來,棒形層可能允許真菌孢子隱藏在體內,一直等到有利於發芽(如死亡)的條件出現。研究人員還發現,當曲霉屬真菌孢子開始生長時,外覆層會瓦解,免疫系統此時就開始發威。

  不要小瞧任何一種真菌

  科學家們最近還發現某些真菌還有其他的誘騙技巧。在今年3月18日的《自然》雜志上,研究人員揭示,一種能夠攻擊植物的真菌屬成員可彼此傳遞基因,而這種橫向傳遞能力被認為幾乎隻可發生在細菌中。這一發現意味著,能夠對藥物產生基因抗性的真菌在理論上可與鄰近生物體共享此一秘密。

  更令研究人員震驚的是,這些真菌交換基因簡直輕而易舉。研究人員只是把不同的真菌基因樣本並排放在培養皿中一起培養,就跟蹤到了基因的轉移。這跟大自然中發生的情形沒有太大不同。

  雖然沒有人知道是否還有其他真菌也能如此輕易地共享基因,但此項發現強化了絕不應低估任何一種真菌的思想。為了成功地征服感染,下一代療法必須做到一次擊中多個目標。

  有研究人員將目前的真菌治療方法比作上世紀60年代和70年代的癌症療法,那時大部分癌症療法的設計將快速增長的細胞而不是特定的癌細胞作為靶標。今天,醫生擁有的很多藥物可集中火力攻擊惡性腫瘤細胞的特殊缺陷,藥物雞尾酒處方也可使幾種癌症機制同時失效。真菌感染似乎有類似的復雜性,包括共享非靶標細胞的特性等,因而也將需要同樣復雜的治療方案。(馮衛東)

(責任編輯:徐飛(實習))
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