脑膜炎期间细菌侵入大脑机制的新见解

卡罗林斯卡学院的研究人员研究细菌性脑膜炎期间细菌侵入大脑和神经元损伤的机制发现，患者分离的菌株带有肺炎球菌溶血素突变，与参考菌株仅1个氨基酸不同，但显著增强了PLY损伤神经元的能力。

　　

大脑感染是神经损伤的主要原因之一。细菌性脑膜炎通常由肺炎链球菌（肺炎球菌）引起，即使治愈，高达50%的幸存者因感染引起的神经元损伤而遭受永久性神经残疾，如运动障碍、认知迟缓、听力和视力丧失、癫痫发作和精神障碍，对全球健康构成重大威胁。瑞典卡罗林斯卡学院的研究人员现在对细菌性脑膜炎期间细菌侵入大脑和神经元损伤的机制有了新的认识。

Karolinska研究院的这项新研究的重点是肺炎球菌释放的胆固醇依赖性溶细胞毒素：肺炎球菌溶血素 (PLY)，可通过穿孔活性对细胞造成严重损伤，因此被认为是肺炎球菌发病机制中的关键毒力因子。有研究表明肺炎球菌溶血素可以改变线粒体膜电位、导致细胞凋亡诱导因子的释放、最终导致神经元细胞死亡；还能够与神经元质膜上暴露的细胞骨架的 β-肌动蛋白丝结合、引发 β-肌动蛋白聚合和聚集体形成、导致细胞骨架不稳定而导致神经元细胞死亡。肺炎球菌溶血素能够在细胞内发挥的所有这些对神经元细胞有害的过程，都取决于肺炎球菌溶血素 (PLY)或细菌进入神经元细胞的能力。作为一种毒素，肺炎球菌溶血素 (PLY) 的主要特征是穿孔活性，在这项研究中通过电子显微镜证明了 PLY 诱导神经元质膜上的孔形成。质膜的这些打孔使肺炎球菌能够侵入神经元细胞。

肺炎球菌细胞生物学的主要教条之一是认为肺炎球菌溶血素 (PLY)是肺炎链球菌菌株中最高度保守的蛋白质之一。Karolinska这项研究亮点之一在于展示了一个例外，证明了仅单个氨基酸的突变就足以产生不同的细胞毒性能力的毒素。

肺炎球菌溶血素 (PLY)包含高度保守的十一肽序列（也称为富含色氨酸的环）和苏氨酸-亮氨酸氨基酸对，这对于 PLY 与膜胆固醇的结合至关重要。结构域 4 (D4) 被证明对于 PLY 与膜胆固醇的初始结合至关重要——这种相互作用导致 PLY 靶向细胞质膜形成孔的初始步骤。该结构域的蛋白质结构的破坏预计会对 PLY 活性和致病结果产生影响。这项研究的作者检查了脑膜炎患者的临床分离株，并将其与肺炎链球菌参考菌株D39（这是NCBI ply基因（基因 ID：66806991）相关的参考菌株）进行比较。三种临床分离株表现出增强的 PLY 释放，可能是由于自溶素 LytA 的表达显著升高所致。值得注意的是，所有临床分离株中的 PLY D4 结构域中均出现相同的单氨基酸 (aa) D380 取代，突变显著增强了胆固醇结合、穿孔活性和对 SH-SY5Y 衍生神经元细胞的细胞毒性。人类神经元细胞的扫描电子显微镜和小鼠脑切片上的膜片钳电生理记录也证实了携带单个氨基酸取代的 PLY 突变的神经毒性增强。

这项工作可以解释为什么某些肺炎球菌菌株会在感染期和感染后引起更为严重的神经元损伤，而其他菌株却不会；强调了单个氨基酸修饰能够极大地改变肺炎球菌溶血素 (PLY)细胞毒性，并且突出了肺炎球菌溶血素 (PLY)是与肺炎球菌脑膜炎相关的神经系统后遗症的主要原因。

作者说

神经科学系副教授、研究小组组长Federico Iovino表示:“我们揭示了单个氨基酸替代如何显著影响PLY的毒性。”Federico Iovino研究小组的博士生、该研究的第一作者Simona Serra表示：“我们发现，从脑膜炎患者中分离出来的肺炎链球菌释放出一种PLY变体，与NCBI PLY参考肺炎链球菌实验室菌株D39相比，这种变体仅与一个氨基酸不同。这种单氨基酸替代显著增强了PLY损伤神经元的能力。”

这项研究是与同一部门的Gilad Silberberg教授的研究小组合作的结果，他们进行了电生理记录实验，以及来自Greifswald大学(德国)和Loyola芝加哥大学(美国)的合作者，他们帮助进行了溶肺素基因序列，氨基酸序列和蛋白质结构分析。这项研究发表在细胞出版社的多学科开放获取期刊iScience上。

肺炎链球菌的脑部侵袭模式

在神经科学系Federico Iovino小组的另一项研究中，研究人员进行了3D全脑成像，以确定血源性肺炎链球菌侵入大脑的模式。这项研究是与同一部门的Katrin Wellfelt博士和Lars Olson教授合作进行的。这篇文章发表在“神经科学”类顶级期刊(Q1)《神经生物学》杂志上。第一作者Kristine Farmen说：“我们观察到，在一个实验性脑膜炎体内模型中，大脑的所有区域都同样受到肺炎球菌感染的影响，此外，在脑膜炎发病过程中，神经发生受到严重影响。”首席研究员Federico Iovino说:“研究结果支持了社会中脑膜炎的真实情况，事实上，不同的大脑区域同样受到细菌入侵的影响，控制着不同的身体功能，这与脑膜炎幸存者经历的各种各样的神经系统后遗症相对应。”

研究结果的重要性

全球每年大约有250万例细菌性脑膜炎病例，其中大多数是由肺炎链球菌引起的。对神经元具有不同细胞毒性的肺炎球菌溶血素 (PLY)新突变仍有待发现。肺炎链球菌可以侵入所有大脑区域的发现是一个基本的知识，强调需要找到新的治疗方法来保护所有大脑区域的神经元免受细菌相互作用和PLY暴露。“PLY具有令人难以置信的损伤神经元和破坏神经元活动的能力，在高达70%的脑膜炎幸存者中起着神经功能障碍的主要作用。我们的目标是了解细菌与脑细胞的相互作用，开发新的方法来阻止这种相互作用，保护大脑免受细菌感染。”