重新编程有氧代谢减轻小鼠坏死性皮肤感染模型中化脓性链球菌的组织损伤

为探究化脓性链球菌操纵疾病耐受机制，研究人员发现重编程碳流可减轻感染时组织损伤，意义重大。

　　在医学和生命科学的微观战场上，化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）是一位臭名昭著的 “侵略者”。这种革兰氏阳性菌每年在美国引发超 250 万例咽炎（即 “链球菌性喉炎” ）和 2 万例侵袭性感染，全球范围内更是导致超 50 万人死亡。即便它对 β - 内酰胺抗生素敏感，却依然能引发多种严重疾病，包括风湿热、风湿性心脏病和急性肾小球肾炎等。它之所以如此 “猖獗”，关键在于其能够利用中心碳代谢的可塑性，在宿主的不同生态位中 “安营扎寨”。

此前研究发现，化脓性链球菌可通过丙酮酸脱氢酶（PDH）参与的有氧混合酸发酵途径来操纵疾病耐受（Disease Tolerance，DT），但其中与宿主疾病耐受途径沟通的微生物衍生分子却一直是个谜。为了揭开这个谜底，来自华盛顿大学医学院等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在动物实验方面，使用 C57BL/6 J 小鼠建立皮下溃疡感染模型，评估组织损伤（通过测量溃疡面积）和细菌载量（以菌落形成单位 CFUs 衡量） 。细胞实验中，运用 RAW 264.7 巨噬细胞进行感染实验，并通过添加外源物质、抑制剂等处理，研究细胞内的变化。同时，利用多种检测技术，如流式细胞术分析免疫细胞群体、免疫荧光技术观察细菌与免疫细胞的相互作用、RNA 测序探究基因表达变化等。

研究结果如下：

• PDH 对溃疡进展和晚期感染的影响：通过对比野生型（WT）和 ΔPdh 突变株感染小鼠，发现感染后 3 天，WT 菌株导致的溃疡明显大于 ΔPdh 突变株，尽管两者细菌载量无显著差异。在 12 天的感染过程中，WT 菌株感染的溃疡持续扩大，在第 6 天达到峰值；而 ΔPdh 突变株感染的溃疡在第 1 天后就不再扩大。并且，ΔPdh 突变株的细菌载量在感染后期清除速度比 WT 菌株更快。这表明 PDH 可能通过影响免疫反应来影响疾病耐受。
• ARMAF 对细胞免疫反应组成的改变：研究人员在感染初期利用鲁米诺生物发光成像追踪产生活性氧（ROS）的细胞，发现感染 1 小时后，WT 菌株引发的产 ROS 细胞明显多于 ΔPdh 突变株，且早期反应主要由中性粒细胞引起。感染 3 天后，通过流式细胞术分析发现，ΔPdh 感染的皮肤中 CD11b⁺F4/80⁺巨噬细胞数量比 WT 感染的皮肤高 5 倍，中性粒细胞数量也更高。单细胞 RNA 测序进一步证实，ΔPdh 感染导致巨噬细胞和中性粒细胞水平显著升高，同时还影响了 B 细胞和 T 细胞群体，并且 WT 和 ΔPdh 感染在不同细胞群体中诱导了差异基因表达。
• ARMAF 在逃避免疫监视中的作用：免疫荧光观察显示，感染 1 天后，WT 菌株感染的病变中，中性粒细胞围绕着细菌生长的中央核心区域；而 ΔPdh 突变株感染的组织中，除了中性粒细胞，周围还有更多的巨噬细胞。感染 3 天后，WT 菌株主要在细胞外生长并部分侵入深层组织，ΔPdh 突变株虽然组织载量与 WT 相似，但大多位于巨噬细胞和 / 或中性粒细胞内。通过透射电子显微镜观察发现，ΔPdh 感染的巨噬细胞通常每个细胞含有更多细菌，且细胞死亡迹象更少。此外，通过巨噬细胞和中性粒细胞耗竭实验表明，巨噬细胞和中性粒细胞在调节疾病耐受中具有独特作用。
• ARMAF 对抗炎和伤口愈合反应的阻碍：在 IL-10^-/-小鼠中，ΔPdh 感染引起的组织损伤与 WT 相似，说明 ARMAF 通过 PDH 抑制抗炎细胞因子 IL-10 的产生，而不影响促炎细胞因子 TNFα 的表达。利用 IL-10 报告小鼠发现，ΔPdh 感染的皮肤中，髓系细胞（巨噬细胞、单核细胞和中性粒细胞）是 IL-10 增加的来源，且这些细胞表达更高水平的 IL-10。同时，ΔPdh 感染的巨噬细胞表现出更多的 M2 样表型，与伤口愈合反应相关的基因表达也更高。
• ARMAF 产生的 SCFA 调节 IL-10 表达的机制：PDH 突变导致发酵终产物短链脂肪酸（SCFA）中乙酸盐和甲酸盐水平显著降低。在体外实验中，向 ΔPdh 感染的巨噬细胞中添加外源乙酸盐和甲酸盐可恢复 WT 表型，抑制 IL-10 表达。进一步研究发现，乙酸盐可通过转化为乙酰辅酶 A（acetyl-CoA）来调节 IL-10 表达，乙酰辅酶 A 作为多种细胞功能的辅助因子，其水平影响基因表达。通过抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）的实验表明，乙酰化水平是 IL-10 的关键调节因素。
• PDH 抑制剂 H8 减轻组织损伤的作用：研究人员筛选出对细菌 PDH 具有高抑制活性的化合物 H8，它能有效抑制 WT 细菌在巨噬细胞感染过程中的生长，并在 WT 感染的巨噬细胞中诱导更高水平的 IL-10 表达。在体内实验中，用 H8 处理感染 WT 化脓性链球菌的小鼠，发现其感染负担与未处理或 ΔPdh 感染的小鼠相似，但病变面积显著减小，组织损伤减轻。

研究结论表明，化脓性链球菌可通过有氧混合酸发酵途径操纵宿主的疾病耐受反应，该过程受氧气和碳流影响。PDH 在这一过程中起着关键作用，它通过调节细菌产生的 SCFA，影响宿主细胞内乙酰辅酶 A 水平和蛋白质乙酰化，进而调控 IL-10 表达，最终影响组织损伤程度。而 PDH 抑制剂 H8 可重编程碳流，减轻组织损伤，为治疗组织破坏性感染提供了新的策略。这一研究不仅揭示了化脓性链球菌感染的新机制，也为开发新型治疗方法提供了重要的理论依据，有望在未来改善感染性疾病的治疗效果。