摘要
结核分枝杆菌潜伏杆菌是一种微生物,它能适应被感染的宿主产生的应激条件。通过减缓新陈代谢或进入休眠状态,它们可以平衡这些状况,并对免疫系统保持沉默。此外,当环境条件有利时,受感染细胞的动态更替引起潜伏杆菌的持续活化,或在坏死和纤维化病变中休眠很长一段时间后的活化。因为没有在活的有机体内也不体外休眠杆菌快速复苏的证据,目前的作者强烈支持潜伏结核病感染可以维持不超过10年的可能性,这是一个非常接近于“原发性”结核病的时间。这一概念也可能有助于对结核病再感染的实际影响进行新的流行病学考虑。
“结核病的争议问题”系列
A. Torres和J. Caminero编辑
这个系列的第一名
最显着的特点之一结核分枝杆菌是它产生潜在感染的能力。19世纪时,结核病(TB)是欧洲工业化国家的第一个致死原因,而21世纪的发病率远未达到那时的水平,结核病潜伏感染(LTBI)的数量惊人。事实上,据估计有三分之一的人(20亿人)患有LTBI1.因此,必须作出更多努力来更好地控制这种疾病,包括采用更有效的诊断、预防和治疗方法。目前使用的方法,如诊断该病的结核菌素试验或6 - 12个月的异烟肼治疗,对改善情况没有帮助。每年有大约800万名新确诊患者和20亿~ 300万人死亡,其中一个原因就是缺乏减少LTBI的新方法1.本文研究的是延迟现象结核分枝杆菌综述了潜伏杆菌的临床研究和实验证据体外和在活的有机体内模型(表1⇓).
据估计,一旦感染,只有10%的宿主会发展成结核病。这些数据揭示了人类是如何适应这种感染的。据信,5%的受感染人口将在5年后患上该病,其余的人将在一生中的某个时候患上该病30..第一种案例被称为“初级”结核,通常影响儿童和免疫抑制的宿主,而第二种情况称为“后初级”结核病。多年来,后初级结核病与感染风险低的国家的结核病病例有关,大多数为老年人(> 65岁)。如今,使用分子标记表明需要审查该想法。事实上,Reinfection代表这些“后初级后”病例的百分比31.此外,在这种形式的结核病中,重新激活的概念被过分强调了,至少是因为两个事实:缺乏关于授予的免疫程度和持续时间的知识结核分枝杆菌感染;和受感染者之间的混乱(IE。结核菌素测试呈阳性,但没有肺部x线照片),以及患有结核病但在没有任何抗生素治疗的情况下痊愈的人。如果只考虑细菌的浓度,那么结核分枝杆菌第二种情况下,Bacilli持续存在似乎更高。
结核潜伏感染的临床证据
LTBI的第一个证据是通过抗生素治疗获得的。在陈述了结核应同时用至少两种药物治疗以避免自发突变之后,潜伏是完全遵循抗生素治疗的患者结核晚期再激活的唯一解释,以及分离杆菌中没有耐药性2.不久之后,化学预防试验对潜伏期的性质提供了一些认识。在国际抗结核联盟预防委员会进行的一项试验中,在使用异烟肼治疗LTBI 12个月、6个月和3个月后,在“完全依从者”中显示了93、69或32%的保护3..由于对抗生素的敏感性需要一定程度的代谢和细胞生长,本试验表明,参与LTBI的许多细菌都在不断生长。
更多的证据来自人类肺结核的自然史30..从历史上看,“原发”结核病是由肺实质病变(通常在肺底)和极低剂量感染(通常是1-5个结核杆菌)引起的肺门淋巴结病变形成的原发复合物。5..在解剖学上,肺的基部和中部区域由于体积的关系比顶部区域更容易感染,尽管有时后者似乎更有利于通气6..尸检发现的单一钙化原发性病变也支持这一观点,其中66%的感染位于肺的下半部分,只有12%位于锁骨上7..血液源性传播在初始感染后发生8.而结核菌素检测则在感染后的3 ~ 8周内呈阳性。在95%的感染者中,这种原发性复合物会自行消退而无症状,但5%会发展为该病,可能是局部的(IE。当胸腔破裂时引起胸膜炎)或全身(IE。导致脑膜炎甚至粟粒结核)。
一种“后原发”的空洞型结核病,位于肺的顶端9.也已被接受,并且传统上被认为与含有潜伏杆菌的旧病变的重新激活有关10.为了支持这种自然历史,已经表明,杆菌在转移性部位休眠,血液发生在脆弱的区域内(如。在上肺区)。与肺部下部的感染不同,免疫系统无法对感染灶进行消毒,从而使杆菌处于休眠状态,甚至是生命5..随着时间的推移,免疫力逐渐减弱,主要发生在老年人身上,估计每年5%,直到免疫力完全消失32那33结节杆菌恢复乘法并增加了顶端焦点的浓度。一旦恢复免疫力,就有高量抗原的相互作用可能导致大量的饲料坏死,液化和腔体形成5..
这种后原发肺结核也接受与免疫系统持续相关的休眠杆菌的存在,由于免疫抑制等待重新激活。然而,其他作家,比如卡内蒂34因为,在大多数情况下,初级复合物在5年内是无菌的。因为作者认为转移焦点作为主要复杂的一部分,因此,遭遇了同样的命运,并考虑到杆状细菌的浓度会更低比最初的焦点转移焦点,人们认为一个外源性再感染是初等后肺结核的起源。
确定潜在杆菌性质的第一努力:体外实验
在临床观察引出LTBI概念后不久,一种新的“神奇”药物出现了:利福平。这种新药可以缩短治疗时间,仍然是治疗结核病的黄金标准35.为了解释为什么与其他药物相比,利福平用于疾病的化疗可以在极短的时间内消除病变,米奇逊和迪金森说11观察到结核分枝杆菌在异烟肼或利福平存在的情况下,8°C下的细菌浓度不受影响,而在37°C下的培养表明,两种药物的杀菌能力相似。然后设计了“间歇”培养,以证明利福平具有更高的杀菌能力。事实上,当一种文化结核分枝杆菌在37℃下孵育6 h·d-1,利福平含有比异烟肼更高的杀菌能力。该实验是基于Bacilli的生长的TB病变中脑病理论的基础36那37.代谢高的杆菌对化疗高度敏感。在酸性pH下或对吡嗪酰胺或利福平敏感但对异烟肼不敏感的杆菌中观察到中等速度的生长或“生长突增”。最后,潜伏杆菌没有代谢活性,因此对化疗不敏感。因此,原发感染后或再激活可能是由这些潜伏杆菌的代谢再次刺激引起的。
结核病病变以一致的胚胎瘤性坏死,巨大巨噬细胞和淋巴细胞环,最后,通过纤维化层。考虑到严格的有氧性质结核分枝杆菌在人工培养基中培养,韦恩13假设潜在的杆菌可能适应微生物和厌氧环境。由念珠和科恩进行的研究也受到鼓励12他在37°C条件下将几株人分离株密封培养12年,结果显示存活率为0.01%。韦恩和林14在人工培养基上进行了许多实验,证明了杆菌适应缺氧条件的能力。在这些实验中,研究表明,在逐步进入低氧压环境后,M.Tuberculosis.通过增强一些酶来改变其新陈代谢,主要是异柠檬酸裂解酶和甘氨酸脱氢酶,以产生还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,从而通过发酵代谢获得能量14.然而,这一假设并没有解决杆菌如何在周围活化的巨噬细胞、低pH和高浓度的自由基氧中间体(ROI)和自由基氮中间体(RNI)产生的压力下生存的问题。38.潜伏的杆菌必须适应活化的受感染巨噬细胞所产生的条件。这种假设也可以被批评的相对重要性低氧压力在生长结核分枝杆菌在宿主组织。韦恩和同事们的微嗜气条件13那14在人工培养基中已经存在于巨噬细胞中15.所以,结核分枝杆菌通常能很好地适应这些条件的生长吗在活的有机体内.相反,在厌氧中获得的数据显示,芽孢杆菌没有生存超过几个月14.而且,体外用巨噬细胞进行的实验表明,高氧压力比低氧压力诱导了更高的细菌生长39,从而解释为什么大多数肺结核病在肺的顶点发育,其中氧浓度较高6..
不同的作者还表现出对其生长的固定阶段的杆菌的不同胁迫条件的抗性更高,与杆菌呈指数增长相比26.在常规培养中,当细菌由于缺乏营养或细菌代谢产生的毒素积累而饥饿时,就会出现静止期16.在所有细菌中观察到的这种耐药能力可能反映了某种对恶劣环境的适应,例如在部分激活的巨噬细胞中产生的。对基因组和蛋白质组学表达的研究结核分枝杆菌在酸性、低氧压力、热、冷、过氧化氢,甚至生长平稳期等应激条件下,RNA聚合酶sigma (Sig)F单位表达增加,这也与细胞壁中α-晶体样16-kDa蛋白的积累有关17.有趣的是,在指数增长期间SigF的存在是有害的M. Bovis.杆菌卡介苗(BCG)18,也许是因为它指向需要指数增长时静止相或孢子状状态的转录。是否结核分枝杆菌SigF蛋白主要调控孢子样级联反应(与枯草芽孢杆菌SIGF和链霉菌属coelicolorsigf)未知19.
关于A.体外延迟模型,Kaprileants等等。20.区分了杆菌状态的三种主要生理状态:1)可分裂的(可培养的)杆菌(IE。在琼脂平板上形成菌落或在液体培养基中增殖);2)休眠杆菌,代谢活性低,不经过复苏阶段就无法分裂;3)不可存活(不可培养)的不能分裂的杆菌。Kaprelyants等等。20.没有考虑到韦恩和斯拉梅克获得的杆菌吗21因为它们在厌氧时保持了较高的生存能力,并对甲硝唑产生了敏感性,因此表明新陈代谢活跃。然而,在静止期延长培养诱导了真正的休眠,产生“不可培养”的细胞,在恢复活跃生长之前必须“复苏”22.Mukamolova等等。23还描述了生长上清液中的复苏促进因子(RPF)单调叶黄素文化。Rpf恢复了生长能力m .危害休眠细胞23.在休眠状态下重复了同样的测试结核分枝杆菌细胞(来自4个月大的培养物),发现重组Rpf来自M.luteus和生长上清液结核分枝杆菌培养物复苏休眠细胞22.张等等。24在1岁的培养物中重复测试,发现一些磷脂和8-KDA蛋白负责复苏。然而,后一种测试可能受到批评,因为在生理进入静止阶段后产生休眠细胞,使杆菌足够的时间完全适应诱饵环境,如先前通过念珠菌和科恩报道12.如果巨噬细胞内的杆菌突然遭受低pH值或ROI和RNI等压力条件,很难将这一结论推断为它们所经历的真实环境38.因此,如果测试由Corper和Cohn进行12在12年的孵育后显示0.01%的存活率,可以推断杆菌在应激下的小存活率。
从临床标本和分枝杆菌培养物中分离非酸快速的结节杆菌的细胞壁缺陷变体40.与他们是否真的是这样的争论相去甚远结核分枝杆菌或者环境污染物41,或者它们是否真的能够恢复到父窗体甚至是相乘42,这些形式似乎是由抗生素的给药诱导的,就像许多其他生物一样43.因此,缺乏细胞壁通过消除药物被引导的目标来提供一些优点,避免了化学治疗方法,尽管它们更容易受到环境变化的影响,并且在炎症区域中存活的机会将甚至更低.因此,这种杆菌可能在LTBI中起着有限的作用。
寻找动物实验模型的潜伏期
康奈尔潜伏期模型是第一个实验证据,证明潜伏杆菌的存在在活的有机体内模型,被广泛认为是潜伏杆菌的实验来源。麦克卡尼和Tompsett25描述了“尽管延长抗微生物治疗,但仍然描述了组织中药物敏感结节杆菌的持久性”。感染动物后,开始使用异烟肼和吡嗪酰胺的12周的药物施用疗程,并完全消失结核分枝杆菌在治疗结束时牺牲的所有动物都达到了。12周后,在三分之二的感染小鼠中回收培养的杆菌后,获得最有趣的数据。这一百分比增加到100%,1 mg·日-1服用可的松20天44.史莱瓦等等。23在这个模型和他们生成的那个模型之间建立了平行性体外经过长时间的培养。不幸的是,在化疗后肉芽肿和炎症反应消失了,因此,这个模型的情况与人类的不一样。事实上,这可能只是进一步证明了老鼠对破坏的耐受性结核分枝杆菌,这是通过基于对生长芽孢杆菌的相关浓度的控制来证明弱响应的触发45.
关于结核病小鼠模型中肉芽肿的发展,目前的作者观察了如何结核分枝杆菌从肉芽肿中“逃逸”(图1)⇓).事实上,小鼠肉芽肿是由感染灶中巨噬细胞的初始聚集而产生的,感染灶被特异性免疫触发的淋巴细胞所包围。随后,另一个泡沫状巨噬细胞环开始包围这些肉芽肿46.这是充满组织碎片和杆菌的巨噬细胞迁移到肺泡间隙的结果47.有趣的是,大多数巨噬细胞要么直接被特定的淋巴细胞激活,要么通过摄取细胞的细胞壁成分M.Tuberculosis.,以一氧化氮合酶(NOS)的表达为证48.很难解释为什么这些细胞中有一两个细菌。答案可能是这些细菌通过触发饥饿反应来抵抗杀菌机制16,从而停止了它们的生长。考虑到对结核分枝杆菌似乎是针对生长中的细菌合成的多肽的49那50,可以假设这些杆菌可能无法被免疫系统识别。另一种解释可能与这些泡沫巨噬细胞的激活性质有关,因为通过合成NoS,这些巨噬细胞诱导任何位于其附近的乳腺淋巴细胞中的免疫抑制51.因此,这些泡沫细胞可能是应激杆菌的一种“保护区”。最后,他们中的一些人开始在泡沫巨噬细胞内生长,直到它们被摧毁45那46那48.这种生长在肺泡腔内和肉芽肿外的生长是特别有害的,因为很容易从这个区域播散。这可能是所有小鼠因肺实质几乎全部占据而死亡的原因52那53.
小鼠感染的这种动态性质显然与基于Rees和Hart的经典数据的概念相矛盾54.这些作者假设持续的细菌循环会导致细菌体的积累,因为热或药物杀死了残留的细菌结核分枝杆菌在小鼠的肺部非常稳定。当他们在持续感染期间观察到小鼠肺中稳定数量的酸快杆菌时,他们得出结论,营业额很少结核分枝杆菌.我们对泡沫状巨噬细胞内和初始肉芽肿外生长的杆菌(IE。在肺泡空间中),甚至局部干扰素-γ的常数表达55,支持恒定的细菌生长和破坏的理论。甚至在慢性感染期间肺实质的逐步占用48那52那53支持这个想法。由于人为反应,必须考虑TB的鼠模型的调查结果结核分枝杆菌不是那么耐受性,但小鼠模型可能会给我们一个想法,当肉芽肿中没有明确的纤维化时,感染开始时发生了什么,以及物质从这些组织转移到肺泡间隙的可能性是可行的。
此外,磷脂可能使休眠的杆菌复活的事实是有趣的,因为这些分子在宿主组织中被发现,使潜伏的杆菌有可能复活。如果只有Rfp能够使这些细胞复苏,这种现象将很难解释,因为它需要之前生长的杆菌的存在来合成Rfp。可以假设,一个无毒的磷脂环境,如泡沫巨噬细胞内发现的磷脂,是开始重新激活的合适场景。一旦生长开始,Rfp的合成将加强这一过程。
必须特别注意使用菌株的研究结核分枝杆菌一个特定的基因被删除。这些菌株感染小鼠后,提供了关于每个基因在宿主体内生存能力的作用的大量信息。在这些基因之外,异柠檬酸裂解酶(ICL1.突变体)或Hsp70热休克蛋白(HSPR.突变)影响细菌在宿主组织中的持久性27那28这表明这两种基因对潜伏期的产生都很重要。ICL1增强异柠檬酸裂解酶和乙醛酸分流的作用,以获得代谢所需的碳和能量结核分枝杆菌来自宿主的脂肪酸29,而不是一种在具有低氧气压力的环境中生存的方法14,而HSPR.证实了平衡对细菌产生的压力条件的重要性。
潜伏杆菌如何处理肺实质的动态性质?
一些作者最近描述了结核分枝杆菌在内皮和上皮细胞内部人肺薄膜中的DNA,或纤维纤维,主要是肉芽肿外56他们表示,Bacilli将负责维持LTBI。不考虑检测DNA的有限意义原位组织中的升高57-59在美国,有一个最重要的问题:这些肺细胞的周转期为28-125天60.如果我们承认潜伏的杆菌隐居在这个生态位中,潜伏时间是有限的,因为周期性地侵入年轻的实质细胞需要一些能量。因此,潜伏杆菌必须对付肺实质的这种动态性质。对已发表的结果进行仔细分析后,目前的作者们考虑了两种可能性:正如小鼠模型所支持的那样,细菌不断传播和重新激活;或者细菌在纤维性肉芽肿的坏死物质中处于休眠状态,巨噬细胞的移动将在很长一段时间内受到限制,直到最终被重新吸收,也就是说,如果它们没有钙化或成为疤痕的话。显然,这种复苏应该非常快,在杆菌被宿主排出之前。实验数据来自体外模型(IE。从提交到固定的非顽固文化的卜希尔,表明它们在最理想的条件下需要高达4-5个月22重新激活。此时,杆菌会从肺部排出。因此,潜伏杆菌等待免疫抑制的想法应该通过杆菌不断扩散的趋势来改变,以便达到充分的环境来重新激活。如果这种重新激活发生在杆菌可能快速生长的区域,如肺尖,并且缺乏免疫力,那么空洞病变(因此,肺结核,这是LTBI的证据)可能发展。
人体TB的组织病理学特征似乎表明粒状形成的肿瘤术开始诱导45因此,为杆菌增加了额外的压力。这将解释为什么人类发展大量细胞外患者(在实验结核病的鼠模型中几乎看出),这将被新巨噬细胞吞噬。在这种情况下,缺乏生长可能是有益于芽孢杆菌的存活率,因为它们不会激活新的巨噬细胞,然后一旦感染的细胞成为泡沫巨噬细胞,它们就会容易地从肉芽肿中移除。
在比较小鼠和人类的病理时,出现了许多问题,但可能最重要的是,最初的病变是否被巨噬细胞“清理”,然后被泡沫巨噬细胞包围,如在肺部的其他慢性炎症反应中61.从目前作者的研究中获得的第一个结果似乎支持这一观点(数据未发表)。另一个问题与人类纤维化和有效关闭肉芽肿所需的时间有关。这在老鼠身上是看不到的,这就是为什么它们死于广泛的肺播散。有效地将病变变成纤维化所花费的时间可能有助于确定发展为活动性结核病的“危险期”。
毫无疑问,支气管源性传播的时间是有限的,在第二代肉芽肿的情况下,它可能被认为是更有限的,因为它们是在免疫反应下发展的,生长的机会将比原发灶低。因此,我们认为慢性也是有时限的。我们必须强调,为了重新激活,潜伏的杆菌必须从肉芽肿中“逃脱”。显然,低氧压和来自被破坏巨噬细胞的某些有毒物质构成了“不复苏”的介质。此外,一旦肉芽肿纤维化甚至钙化,这些潜伏的杆菌(可能此时处于休眠状态)几乎不存在逃脱的机会。在这方面,没有人证明这些细菌在不利环境中存活数年的能力。相反,经典研究表明,一旦引起肉芽肿性坏死,在纤维化和钙化后,杆菌的存活机会减少,几乎可以忽略不计。高达50%的坏死病变和85%的钙化或纤维化病变是无菌的62.有趣的是,Opie和Aronson63发现从用于引起豚鼠中的TB的肺部上部区域的纤维混菌病变均匀化,而来自脑骨包封或钙化病变的均匀素很少引起疾病。本研究证实难以在肺的顶端区灭菌,因此,人均生长和炎症反应均更显着,因此支持该区域慢性活性感染的理论,而不是诱导潜伏。令人惊讶的是,在同一研究中,几乎一半的来自海洋正常肺组织的样品在豚鼠中感染。这些数据支持通过肺泡空间恒定的传播。
单一感染后重新激活的可能性是什么?
LTBI的诊断是基于结核菌素试验。活杆菌的存在并不是保持强大的免疫记忆的必要条件,因为这些细胞可以活很长时间64和LTBI的许多人已经杀死了杆菌;在这种情况下,许多LTBI Bacilli永远不会重新激活。感染结核分枝杆菌触发保护免疫力。据估计,BCG疫苗接种可引起15-20 YRS的免疫力3.,因此建议在此之后进行类似的保护期结核分枝杆菌感染。考虑到目前作者的假设,杆菌在纤维化前从肉芽肿中持续“逃逸”是细菌的主要来源,除非宿主发生免疫抑制发作,否则在特定时间后不会再次激活。另一个问题是,由于高氧压,免疫系统是否能够阻止细菌在肺部上部区域的生长65.答案可以在古典文献中找到。由于钙化的初级病变也被检测到肺的上部区域中7.,似乎显然,免疫系统能够在这一点上阻止甲苯甲虫生长。
需要重新考虑关于在一次感染后生命中发病几率的理论(表2)⇓).流行病学数据表明,感染后,发育结核病的风险均立即更高结核分枝杆菌.使用未经治疗的结核感染家庭接触者进行化学预防试验的历史数据表明,该疾病的发病率为0.74%·年-11年和2年,0.31%·年-1在3-5年,0.16%·Yr-1在6年和7年4..这些数据可以显着调整为降低线性回归,其中发育结核病的机会在感染后的8 yrs中不会出现。
一方面,有患有真正活跃的TB的人,没有化疗治愈。这些患有大病变的人会有更多的痛苦传播和发展重要病变,因为最终纤维化和抑制杆菌需要更多的时间。患有纤维化实质病变患者的发病率分析,疾病自然“被捕”,表明,与健康人口相比,疾病的风险可能高达30倍66.事实上,病变患者<2厘米2患有患有病变的患者的患者患有较低的患者,较低2(0.116%相对0.213%)67.
另一方面,来自结核病病例的分子指纹数据似乎为再次感染提供了新的作用68与历史研究中认为的几乎不可能相比69.这些观点需要通过流行病学证据来确定平衡。在感染风险高的人群中,再感染可能是成人结核病发病率的主要因素。在低风险人群中,总体病例可能是激活的结果31.
总之,潜伏结核分枝杆菌是代谢缓慢和休眠杆菌的复杂混合物(可能取决于所遭受的环境压力的严重程度)。在这两种情况下,潜伏杆菌的命运是由它们所在组织的动态生理学决定的。因此,似乎只有两种可能的机制可以在生命后期由于再激活而建立潜伏期和促进疾病:一种是在压力条件消失后持续的再激活(如。当杆菌离开肉芽肿内的泡沫巨噬细胞);或者在坏死组织内休眠,等待后期引流,然后在确定从宿主体内取出之前的短时间内复苏。在这两种情况下,似乎重要的活化发生没有任何特定的免疫对抗细菌和达到一个特权区后,他们可以在那里尽可能经济产生强烈的炎症反应,反过来,会引起液化,形成一个空洞病灶。因为没有在活的有机体内也不体外休眠杆菌快速复苏的证据,目前的作者强烈支持潜伏结核病感染可以维持不超过10年的可能性,这是一个非常接近于“原发性”结核病的时间。
致谢
作者感谢M. Correia-Neves和R. Appelberg的建议,感谢V. Ausina和S. Gordillo的认真阅读。
脚注
↵编辑评论见第895页。
- 收到了2004年6月16日。
- 公认2004年9月3日。
- ©ERS期刊有限公司