巨噬细胞生物能量重编程通过调控结核分枝杆菌氧化还原异质性克服药物耐受性

《Nature Communications》：Bioenergetic reprogramming of macrophages reduces drug tolerance in Mycobacterium tuberculosis

本研究针对结核分枝杆菌(Mtb)在宿主巨噬细胞中产生药物耐受性的难题，发现巨噬细胞代谢状态通过NRF2通路调控细菌氧化还原状态。研究人员通过代谢重编程将巨噬细胞从氧化磷酸化(OXPHOS)转向糖酵解，利用FDA批准药物美克洛嗪(MEC)成功逆转Mtb的药物耐受性，为缩短结核病治疗周期提供了新型宿主导向疗法。

　　

结核病至今仍是全球重大公共卫生挑战，其长期治疗周期主要源于结核分枝杆菌在宿主细胞内产生的药物耐受性。特别值得注意的是，即使在活跃复制的细菌群体中，也存在对多种抗生素表现耐受的亚群，这种现象成为缩短疗程的主要障碍。以往研究多聚焦于细菌自身的耐受机制，而宿主微环境如何影响细菌生理状态这一关键问题尚未得到充分阐释。

在巨噬细胞这一Mtb主要宿主细胞内，细菌生存的微环境存在显著功能异质性。研究人员前期发现，利用氧化还原敏感荧光报告系统(Mrx1-roGFP2)可实时监测细胞内Mtb的霉菌硫醇 redox potential (E_MSH)，将感染巨噬细胞分为三类：携带E_MSH还原型、基础型和氧化型细菌的群体。其中，E_MSH还原型Mtb表现出明显的药物耐受性，而氧化型细菌则对抗生素高度敏感。然而，驱动这种巨噬细胞异质性产生的宿主生理因素及其对细菌氧化还原状态和药物耐受性的调控机制仍不清楚。

为阐明这一科学问题，研究人员开展了一系列创新性实验。首先通过流式分选结合RNA测序技术，对携带不同氧化还原状态Mtb的巨噬细胞亚群进行转录组分析。利用Seahorse能量代谢分析系统精确测定线粒体耗氧率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR)，评估细胞代谢状态。通过小干扰RNA(siRNA)敲低和药物抑制手段验证NRF2的关键调控作用。最后在小鼠感染模型中评估代谢调节剂美克洛嗪(MEC)的治疗效果。

主要技术方法包括：流式细胞术分选感染不同氧化还原状态Mtb的巨噬细胞亚群；RNA测序分析转录组差异；Seahorse细胞能量代谢分析技术；siRNA基因敲低；LC-MS/MS代谢组学分析；小鼠结核感染模型治疗实验。

转录组分析揭示代谢异质性

研究人员首先通过流式分选技术分离携带E_MSH还原型和氧化型Mtb的巨噬细胞亚群，并进行转录组测序分析。结果显示，两类巨噬细胞存在825个差异表达基因，其中E_MSH还原型细菌所在的巨噬细胞高表达氧化磷酸化(OXPHOS)、三羧酸循环、Hippo信号通路和NRF2调节网络相关基因。相反，E_MSH氧化型细菌所在的巨噬细胞则富集细胞周期、DNA损伤修复和补体激活通路相关基因。

NRF2调控线粒体生物能量代谢

进一步的能量代谢分析表明，携带E_MSH还原型Mtb的巨噬细胞具有更高的基础呼吸和ATP关联的OCR，而携带E_MSH氧化型细菌的巨噬细胞则表现出更强的糖酵解能力。线粒体活性氧(mitoROS)水平在后者中显著升高，主要来源于反向电子传输(RET)。NRF2作为关键调控因子，其敲低导致线粒体呼吸抑制、mitoROS增加，并显著降低Mtb的药物耐受性。

代谢状态决定药物耐受性

通过调控巨噬细胞能量代谢来源，研究人员发现葡萄糖通过丙酮酸脱氢酶复合体(PDC)支持OXPHOS是诱导E_MSH还原状态和药物耐受性的关键。使用UK5099抑制线粒体丙酮酸转运或改用半乳糖作为碳源，均能促使代谢转向OXPHOS，增加E_MSH还原型细菌比例和药物耐受性。

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美克洛嗪的重编程作用

FDA批准药物美克洛嗪(MEC)能够有效将巨噬细胞代谢从OXPHOS转向糖酵解，抑制NRF2调节网络和Hippo信号通路，消除Mtb的氧化还原异质性。在体外实验中，MEC处理使Mtb对异烟肼(INH)和莫西沙星(MOXI)的耐受性显著降低，这一效果依赖于糖酵解激活。

体内治疗效果验证

在小鼠结核感染模型中，MEC作为异烟肼的辅助治疗，使肺部细菌负荷降低约20倍，肺组织病理损伤显著减轻。机制上，MEC治疗增加了糖酵解活跃的间质巨噬细胞(IMs)比例，降低了肺泡巨噬细胞(AMs)比例，与体外实验结果一致。

药物相互作用评估

药代动力学研究表明，MEC与一线抗结核药物(HREZ)联合使用时，未出现明显药物间相互作用，各药物在血浆和肺组织中的暴露量保持稳定，支持其作为辅助治疗的可行性。

本研究首次系统阐明了巨噬细胞代谢异质性通过NRF2通路调控Mtb氧化还原状态和药物耐受性的分子机制，提出了通过代谢重编程克服细菌耐受性的新策略。美克洛嗪作为临床安全使用超过50年的药物，其重编程作用为开发缩短结核病治疗周期的宿主导向疗法提供了有力支持。这一研究不仅为结核病治疗提供了新思路，也为理解宿主-病原体互作提供了新的理论框架。