3D 插圖 結核分枝桿菌 細菌。研究人員認為，這些細菌的許多生存能力是其由 440 萬個鹼基對組成的大型基因組的結果。 |圖片來源：Getty Images/iStockphoto

結核病 (TB) 是印度醫療保健目標的一個重點。該國正在穩步提高診斷和追蹤結核病患者的能力，並幫助他們堅持治療結核病所需的長期抗生素療程。但隨著抗菌藥物抗藥性的增加 結核分枝桿菌 （結核分枝桿菌）是一種導致結核病的病原體，許多現有的抗生素不能有效地殺死它。因此，研究人員正在研究結核分枝桿菌，以確定其重要的蛋白質，然後設計可以對抗它們的新藥物。

跨越千年的陪伴

這不是一個容易解決的問題。該病原體已與人類共同演化了數千年。研究人員發現，Mtb 複合體早在 7 萬年前就已經存在。這兩個物種之間如此長期的關係使微生物有足夠的時間進化並以多種方式欺騙人類免疫系統。

其中之一是它在巨噬細胞中生長的能力。消滅許多其他入侵微生物的第一道人類免疫細胞其實是結核分枝桿菌的家。巨噬細胞旨在吞噬外來顆粒，包括微生物。它們可以引發大量化學反應，涉及過氧化物、自由基和其他分解被吞噬的顆粒或微生物的化合物。這些反應通常共同引發一種稱為氧化壓力的狀態，並改變分子的化學性質，包括 DNA、RNA 和/或生命形式的蛋白質，使它們功能失調甚至完全崩潰。巨噬細胞也使用多種策略來使被吞噬的微生物缺乏必需的營養物質，最終殺死它們。

但這些技術對 Mtb 不起作用。結核分枝桿菌在肺部被脂質（脂肪物質）包圍的稱為結節（此病因此得名）的簇中自我保護。儘管它是一種呼吸道病原體，但已知它會傳播到各種其他組織。它還可以在細胞中休眠很長一段時間，長達幾十年，而不會引起疾病或傳播給其他人。

特別感興趣的酶

研究人員認為，結核分枝桿菌的許多生存能力是其基因組龐大的結果，該基因組由 440 萬個鹼基對組成。相較之下，呼吸道細菌 金黃色葡萄球菌 有280萬個鹼基對 肺炎鏈球菌，190萬到270萬。

更大的基因組意味著更多的蛋白質。科學家尚未了解許多結核分枝桿菌蛋白質的作用，但他們相信一旦結核分枝桿菌在巨噬細胞內找到家，其遺傳和蛋白質機制就使其能夠過著獨立的生活。

科學家對任何能讓結核分枝桿菌在巨噬細胞的惡劣環境中生存和持續存在的東西很感興趣，並且正在尋找能夠保護它的蛋白質。一類稱為半胱氨酸合成酶的蛋白質特別令人感興趣。它們幫助細胞合成半胱胺酸，一種含硫胺基酸。細胞使用半胱氨酸來製造抗氧化劑，其中硫會破壞引起氧化壓力的反應。

哪裡有 Cys，哪裡就有辦法

8月29日發表在該雜誌上的一項研究 電子生活 海德拉巴 CSIR 細胞和分子生物學中心 (CCMB) 的研究人員探索了不同半胱氨酸合成酶在 Mtb 中的作用。研究人員在細菌生長培養基中培養結核分枝桿菌，並限制其取得營養物質。然後，他們在培養皿中創造了氧化壓力條件（透過添加某些化合物），並尋找表達模式因此變化的基因。這就是他們發現結核分枝桿菌的半胱氨酸合成酶基因在氧化壓力期間表達更多的原因。

Mtb 至少有三種半胱氨酸合成酶。它們透過不同的化學反應在細胞中產生半胱氨酸。科學家發現，其中兩種酵素 CysK2 和 CysM 在營養缺乏和氧化壓力期間顯著影響微生物的生存。他們還發現，當研究人員敲除用於製造兩種合成酶中任何一種的基因時，結核分枝桿菌產生各種抗氧化劑的能力受到損害。

感染人體肺組織進行實驗幾乎是不可能的。相反，研究人員以野生型 Mtb 和突變型 Mtb 感染小鼠。在讓細菌有時間感染小鼠並讓小鼠免疫系統做出反應後，他們測量了兩組中的細菌數量。他們發現野生型結核分枝桿菌在小鼠體內比突變型結核菌存活得更好。當他們只感染肺部和脾臟的巨噬細胞時，他們也發現了類似的效果。 （脾臟是肺結核結核菌感染後的第一個器官，經由血流移動。）

當研究團隊檢查病原體在經過突變而不會產生氧化壓力的小鼠中的存活情況時，他們發現結核分枝桿菌是否具有半胱氨酸合成酶並不重要。也就是說，有和沒有半胱氨酸合成酶的結核分枝桿菌在這些小鼠中生長得一樣好。

破壞 Mtb 的生存

斯德哥爾摩卡羅林斯卡研究所的研究人員在 2017 年進行的一項研究報告了 71 種可以抑制半胱氨酸合成酶的化合物。 CCMB 的 Vinay Nandicoori 實驗室的研究人員測試了這些化合物對 Mtb 的作用，發現它們都在一定程度上抑制 Mtb。幸運的是，這些抑制劑也使異煙肼（一種已知的殺菌藥物）對結核分枝桿菌更有效，並一起製成了強效抗生素混合物。人類沒有半胱氨酸合成酶，因此這些抑制劑可能成為新抗生素的有希望的標靶。

這項研究是與倫敦弗朗西斯·克里克研究所的路易斯·佩德羅·索里奧·德·卡瓦略實驗室共同進行的。

除了半胱氨酸合成酶之外，世界各地的科學家也正在研究結核分枝桿菌在巨噬細胞環境中生存的其他方式。例如，他們正在研究磷酸鹽和碳代謝的作用，這對於結核分枝桿菌的生命週期至關重要。有些人正在探索結核分枝桿菌如何形成足夠堅固的細胞壁來承受氧化壓力。一些研究團隊正在挖掘結核分枝桿菌如何阻止導致氧化壓力的分子產生的細節。欺騙宿主巨噬細胞更快分泌損傷修復分子（巨噬細胞產生這些分子是為了保護和恢復免疫細胞免受氧化壓力）；或留在巨噬細胞中而不活化其免疫反應。

同時穿過許多扇門

一些有趣的新研究也揭示了細菌如何消除巨噬細胞的表觀遺傳學記憶，即健康的巨噬細胞對其基因組進行化學變化並將其傳遞給子細胞的能力。這種能力使新細胞能夠識別正在進行或過去的感染，並更快地擺脫它。如果沒有這種記憶，新形成的巨噬細胞就無法預先適應面對結核分枝桿菌感染。

所有這些研究一起揭開了結核病的神秘面紗，就像打開了許多扇門來驅除結核病的威脅一樣。為了將這些可能性真正轉化為市場上的治療方法，還有許多未完成的步驟——包括尋找用人體細胞進行這些研究的方法——印度需要關注這些步驟。

Somdatta Karak 博士是海得拉巴 CSIR 細胞和分子生物學中心科學傳播和公共外展部門的負責人。