“我給你一個B計劃吧,不然畢不了業(yè)怎么辦?”
“延畢就延畢,我不要B計劃,只做A計劃。”
回憶起2016年開始做真菌性腦膜炎研究之初的情形,中國科學(xué)院微生物研究所(以下簡稱微生物所)研究員王琳淇仍清楚記得和學(xué)生陳磊之間的那次對話。
因為研究課題難,做導(dǎo)師的王琳淇“替學(xué)生考慮”想讓他做個輕松點的課題先畢業(yè),但學(xué)生本著團隊一貫堅持的“寧要偉大的失敗,也不要廉價的成功”的原則,堅持挑戰(zhàn)難題。后來,陳磊果然因為這項研究,博士學(xué)位證書晚拿了兩年。
現(xiàn)在,他們經(jīng)過7年多“長跑”終于撥云見日,發(fā)現(xiàn)了真菌腦膜炎的耐藥機制,找到了潛在針對性治療策略。相關(guān)研究1月16日發(fā)表于《自然—微生物》。
“這項研究極大地推動了領(lǐng)域的發(fā)展,在這些重要發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上將有可能開展轉(zhuǎn)化和臨床研究。”該刊一位審稿人說。
王琳淇團隊(王琳淇二排左五,陳磊二排左三)。受訪者供圖
揭開大腦內(nèi)的“拔河比賽”
真菌性腦膜炎是最危險的一類真菌感染疾病,感染致死率達40%以上。新生隱球菌作為真菌性腦膜炎的頭號病原體,不僅會感染艾滋病等免疫缺陷患者,其易感人群還包括老年群體以及有基礎(chǔ)疾病的群體,每年在全球?qū)е录s18萬人死亡。
但應(yīng)對這一真菌的手段卻極為有限,殺菌類藥物僅有兩性霉素B一種,感染病死率、臨床治療失敗和復(fù)發(fā)感染頻率高。
其致病機制究竟是什么?復(fù)發(fā)率為何居高不下?
2016年,王琳淇帶領(lǐng)團隊嘗試回答這一醫(yī)學(xué)難題。他們系統(tǒng)評價了約340種代謝物對兩性霉素B殺菌效果的影響,出乎意料地發(fā)現(xiàn):葡萄糖竟然是關(guān)鍵影響因子。
人腦的葡萄糖濃度在各個器官中是最高的,用以提供能量。研究團隊在人腦脊液中去除和重新加入葡萄糖,結(jié)果證明葡萄糖會顯著誘導(dǎo)新生隱球菌對兩性霉素B的耐受能力。
“這背后的機制就像一場微型的‘拔河比賽’。”論文通訊作者王琳淇向《中國科學(xué)報》記者解釋,兩性霉素B主要通過結(jié)合真菌細胞膜中的麥角固醇對細胞進行“打孔”從而殺死細胞。葡萄糖就像“啦啦隊”,當外界葡萄糖濃度很高時,會讓真菌轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白Mig1進入細胞核,促使真菌細胞產(chǎn)生更多的肌醇磷酸化神經(jīng)酰胺(IPC),在細胞膜上與兩性霉素B“拔河”,以爭奪麥角固醇。
“IPC與麥角固醇的親和力比兩性霉素B更高,在拔河中‘力氣’更大,導(dǎo)致兩性霉素B無法有效結(jié)合麥角固醇,從而無法殺傷真菌細胞,導(dǎo)致耐藥的發(fā)生。”他說。
圖中展示的是一幅描繪拔河的中國畫。拔河是一種古老的對抗競賽,經(jīng)過激烈角逐,強者獲勝。在真菌性腦膜炎期間,在葡萄糖(揮舞的旗幟)的作用下,肌醇磷酸甘油酰胺(臉部化妝的隊員)和兩性霉素 B(繩子另一端的隊員)在真菌質(zhì)膜上爭奪麥角固醇(紅手絹),這一過程對于真菌細胞在藥物治療期間的存活至關(guān)重要。受訪者供圖
基于此,研究團隊首次證明了宿主體內(nèi)存在表型耐藥。耐藥通常是由遺傳突變導(dǎo)致的,使病原體對藥物產(chǎn)生抗性。表型耐藥與遺傳突變無關(guān),而是由條件或環(huán)境變化激發(fā)的。20多年來,科學(xué)家已經(jīng)在體外條件下證實了真菌表型耐藥的存在,卻未找到體內(nèi)真菌表型耐藥存在的關(guān)鍵證據(jù)。
“我們的研究表明,受體內(nèi)宿主因素誘導(dǎo)的表型耐藥的影響,一旦停止用藥,存活的真菌細胞會進一步繁殖,導(dǎo)致治療失敗、復(fù)發(fā)感染。”論文第一作者陳磊說,宿主因素誘導(dǎo)的體內(nèi)表型耐藥在真菌中或普遍存在,這將有助啟發(fā)科學(xué)界關(guān)注這一領(lǐng)域,并帶動應(yīng)對真菌表型耐藥的藥物研發(fā)。
隱球菌性腦膜炎期間真菌質(zhì)膜上的拉鋸戰(zhàn)。圖中大腦中葡萄糖(Glu)的存在會增加隱球菌質(zhì)膜中肌醇磷酸化神經(jīng)酰胺(IPC)的產(chǎn)生,這種分子與麥角固醇(Erg)的結(jié)合能力強于與兩性霉素 B(AmB)的結(jié)合能力,從而降低了 AmB 與真菌細胞結(jié)合的能力,限制了 AmB 治療隱球菌腦膜炎的療效。受訪者供圖
讓耐藥真菌不再“死灰復(fù)燃”
由于其耐藥性,新生隱球菌被世界衛(wèi)生組織列入“優(yōu)先真菌病原體名錄”的最高優(yōu)先級之一。發(fā)現(xiàn)其致病機制只是第一步,降低腦部新生隱球菌對藥物的耐受水平,意味著需要打破大腦內(nèi)的“拔河比賽”。
王琳淇與團隊將目標鎖定在能夠抑制IPC合成酶的藥物——金擔子素A。這種藥物能夠與兩性霉素B形成合力,限制IPC爭奪麥角固醇,從而有效消除葡萄糖誘導(dǎo)的真菌表型耐藥。
小鼠實驗表明,金擔子素A與兩性霉素B聯(lián)用,對于真菌腦膜炎的治愈率明顯優(yōu)于臨床推薦的兩性霉素B-氟胞嘧啶治療策略。當治療周期為7天時,使用臨床推薦的治療方案時,試驗小鼠的大腦中仍然可以檢測到隱球菌的殘存。但采用新的治療方案后,有70%的小鼠大腦中的隱球菌被完全清除。
“兩性霉素B一直被認為是治療隱球菌性腦膜炎的最后一道防線,但這道防線可能會被真菌的表型耐藥突破。我們的研究筑牢了這道防線,可以讓真菌經(jīng)過治療后不再死灰復(fù)燃。”王琳淇說。
與細菌和病毒不同,王琳淇表示,真菌和人類一樣,都屬于真核生物,有很多關(guān)鍵的分子機器高度相似,這使得很多對真菌有作用的藥物也會對人體產(chǎn)生細胞毒性。金擔子素A的一個優(yōu)勢是其靶點只存在于真菌中,不存在于人體內(nèi),具有良好的宿主安全性。
但由于金擔子素A目前僅對少數(shù)真菌有效,臨床應(yīng)用并不廣泛,新研究則有助為該藥物提供更廣泛的用武之地。
“研究團隊證明了兩性霉素B和金擔子素A的聯(lián)合使用在隱球菌性腦膜炎模型中的療效,為臨床治療新生隱球菌指明了潛在的新途徑,值得稱贊。”國際審稿人評價稱。
圖中顯示的是對殺真菌藥物兩性霉素 B(AmB,黃色)耐受性的三維示意圖,突出顯示了由于葡萄糖(深灰色)的存在,真菌質(zhì)膜上肌醇磷酸化神經(jīng)酰胺(IPC,淺藍色)的生成增加,IPC 是一種與麥角固醇(橙色)緊密結(jié)合的分子,導(dǎo)致 AmB 與真菌質(zhì)膜的結(jié)合能力減弱。因此,AmB 的耐受性會提高。受訪者供圖
開辟真菌耐藥研究“新賽道”
隱球菌性腦膜炎進程中葡萄糖誘導(dǎo)的表型耐藥機制的揭示,意味著王琳淇團隊在國際上開辟出真菌體內(nèi)表型耐藥研究的“新賽道”。
相關(guān)技術(shù)方法沒有“前車借鑒”,王琳淇和團隊就通過自主研發(fā)解決。為了去除人腦脊液樣本中的葡萄糖,他們開發(fā)出了原位酶解的方法,將葡萄糖含量降低以檢驗其能否驅(qū)動藥物耐受性;表型耐藥通常只有部分細胞會對藥物產(chǎn)生耐藥表征,他們就跟北京大學(xué)教授白凡合作,開發(fā)了異質(zhì)性的單細胞評測手段;把大分子藥物遞送到大腦碰到困難,他們就與西南大學(xué)教授李翀團隊合作,開發(fā)出腦靶向脂質(zhì)體包裹遞送機制。
回憶起7年的“長跑”,陳磊笑言:“雖然這條路沒有人走過,但我們對它非常有信心,做起來心勁非常足。王琳淇老師鼓勵我們自由探索,過程中的難題我們沒有特別放在心上,更多的是一步步驗證自己猜想的興奮。”
目前研究團隊正在嘗試把新的藥物聯(lián)用策略推進至臨床,以期望降低真菌性腦膜炎的病死率。“當前,真菌病風(fēng)險監(jiān)測和藥物研發(fā)迫在眉睫。”王琳淇對《中國科學(xué)報》說,相對于病毒和細菌研究,全球真菌研究起步較晚,上世紀90年代中期才開始規(guī)模化研究,這使得真菌研究領(lǐng)域底子薄,包括很多基本規(guī)律仍不清楚。
與此相對,全球真菌感染疾病種類和死亡人數(shù)正在增加。目前,全球每年因真菌病死亡的人數(shù)達到160萬~250萬人,與30年前相比提高了一個數(shù)量級。在我國,國家衛(wèi)生健康委員會在2006年頒布的《人間傳染的病原微生物目錄》中包含59種真菌病原體,2023年這一數(shù)字上升到151種,增加了92種。
究其原因,王琳淇表示,全球變暖是一個重要影響因素。真菌喜歡在比較潮濕陰冷的條件下生長,溫度限制阻止了絕大多數(shù)真菌對人體的威脅,但全球變暖導(dǎo)致更多真菌能夠適應(yīng)人體體溫。
在此背景下,世界衛(wèi)生組織在2022年首次發(fā)布威脅人類健康的“真菌病原體清單”,以此呼吁全球提高對真菌感染防控和解決方案的重視。
真菌感染偏好免疫缺陷患者及老齡人口,我國人口基數(shù)較大,老齡化人數(shù)多,使得我國是真菌感染大國。2019年,我國建立了全國真菌病監(jiān)測網(wǎng),開始在國家層面對真菌病進行監(jiān)測。
“環(huán)境來源的高風(fēng)險真菌是近階段數(shù)量異常上升新真菌病原體的主要源頭,開展對該類真菌的前瞻性監(jiān)測和主動防控,預(yù)計將幫助我們提前發(fā)現(xiàn)超過50%的潛在新真菌病原體并給出有效臨床防控方案。”王琳淇說。
作為真菌學(xué)與創(chuàng)新技術(shù)研究室主任,王琳淇告訴記者,目前該研究室正在醞釀“真菌暗病原計劃”,前瞻性評價環(huán)境真菌的感染風(fēng)險、并建立針對性防控方案,以有效遏制未來新病原真菌產(chǎn)生的重大隱患。
相關(guān)論文信息:
https://doi.org/10.1038/s41564-023-01561-1
陳磊 受訪者供圖
王琳淇。受訪者供圖
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