流感嗜血杆菌在肺炎链球菌引发的上皮损伤中的保护作用

《Microbial Pathogenesis》：Protective role of Haemophilus influenzae in Streptococcus pneumoniae-induced epithelium injury

共生肺炎链球菌与流感嗜血杆菌共培养抑制肺部炎症反应，3D人肺组织模型显示单独感染导致严重上皮损伤和IL-1β释放，而共感染中H. influenzae抑制病原菌侵袭并减少炎症，维持正常肺组织结构。

　　

田中惠美|和岛武明|内谷圭一

日本名古屋市名城大学药学院微生物学系

摘要

肺炎链球菌是一种主要的呼吸道病原体，同时也是鼻咽部的共生细菌。然而，目前尚不清楚这种共生状态的肺炎链球菌是如何转变为致病形式的。最近，研究人员建立了一个3D人体肺组织模型，并将其用作细菌感染模型。在该模型中，我们利用由人成纤维细胞与胶原蛋白混合构成的间质层以及分层的人肺上皮细胞构成的上皮层，分析了共生细菌对肺炎链球菌致病性的影响。当肺炎链球菌感染该模型时，观察到上皮层受到严重损伤，并产生了白细胞介素-1β。相反，当流感嗜血杆菌与肺炎链球菌共感染时，这些炎症反应被抑制，且肺炎链球菌并未被杀死。免疫荧光染色显示，在共感染过程中，肺炎链球菌仅停留在上皮层表面，没有侵入其内部。值得注意的是，上皮层损伤的抑制作用特异性地归因于流感嗜血杆菌的存在，这两种细菌的共存对于维持正常的肺组织功能至关重要。总之，这些发现表明肺炎链球菌与流感嗜血杆菌之间的平衡共存对于维持健康的肺组织至关重要。

引言

肺炎链球菌是导致儿童和老年人呼吸道感染及脑膜炎的主要病原体[1]、[2]。肺炎的发病率很高，尤其是在老年人中，甚至可能导致死亡[2]、[3]。作为致病因子，肺炎链球菌会产生荚膜、肺炎溶血素、自溶素和表面蛋白[4]。它也是一种共生细菌，尤其存在于超过一半儿童的鼻咽部[5]、[6]、[7]。然而，共生状态的肺炎链球菌如何转变为致病形式仍不清楚[8]。在健康个体的鼻咽部，多种共生细菌（如流感嗜血杆菌和卡他莫拉菌）与肺炎链球菌共存。据信这些细菌之间存在相互作用[9]、[10]。历史上，这些细菌的致病性是通过小鼠和豚鼠等动物模型进行研究的，从而获得了许多重要发现[11]、[12]、[13]、[14]。但由于这些细菌的高度物种特异性，人们一直对其研究结果在多大程度上能够反映人体病理生理学存在疑虑。

最近，研究人员建立了一个3D人体肺组织模型[15]。该模型由人肺成纤维细胞与胶原蛋白混合构成的间质层以及分层的人肺上皮细胞构成的上皮层组成。先前利用该模型进行的研究表明，感染来自坏死性肺炎的菌株后会导致上皮层严重损伤，这一现象有效再现了金黄色葡萄球菌在人体中的感染特征[16]。此外，在结核分枝杆菌感染模型中也观察到了早期结核肉芽肿的形成[17]。因此，该模型可能适用于其他呼吸道细菌病原体的感染研究。

在本研究中，我们使用该模型进行了肺炎链球菌感染实验，并分析了共生细菌对肺炎链球菌在人体组织中致病性的影响。

菌株信息

菌株

实验中使用了以下菌株：肺炎链球菌的JPS1343（血清型15B）、JPS1346（血清型19F）、JPS1360（血清型3）、JPS1379（血清型33F）、JPS1383（血清型11A）、JPS1387（血清型22F）和JPS1388（血清型10A）[18]；流感嗜血杆菌的ATCC 33391和2018-Y40[19]；溶血性嗜血杆菌的ATCC 33390；副流感嗜血杆菌的MTG 57；以及卡他莫拉菌的GTC 1544。这些菌株分别培养在马血琼脂和Todd–Hewitt肉汤（Becton Dickinson，美国新泽西州Franklin Lake）中。

用肺炎链球菌感染3D人体肺组织模型

将七种主要血清型的肺炎链球菌接种到3D人体肺组织模型中以观察组织变化。所有经过苏木精-伊红（HE）染色的组织切片均显示出上皮层的大范围破坏和脱离，表明肺炎链球菌的感染导致了上皮层的严重损伤（图1A）。当使用肺炎链球菌的培养上清液而非活菌进行感染时，组织未受到影响。

讨论

多种细菌（如链球菌、流感嗜血杆菌和卡他莫拉菌）栖息于人体鼻咽部并形成正常菌群；特别是在儿童中，这些细菌的种类差异较大[5]、[6]、[7]。在鼻咽部的主要细菌菌群中，肺炎链球菌、流感嗜血杆菌和卡他莫拉菌占50%以上[24]、[25]，而流感嗜血杆菌的携带率在老年人中较低（10–30%）[26]。先前的研究表明，这些细菌之间的平衡共存对于维持健康至关重要。

作者贡献声明

和岛武明：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目管理、方法学设计、实验实施、资金筹集、数据分析、概念构建。田中惠美：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法学设计、实验实施、资金筹集、数据分析、概念构建。内谷圭一：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、数据分析

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

资助

本研究得到了日本学术振兴会（Sasakawa Scientific Research Grant）的2020-4001号和2022-4019号资助（资助对象：E.T.）、日本学术振兴会（JSPS KAKENHI）的23KJ1955号资助（资助对象：E.T.）、武田科学基金会（Takeda Science Foundation）的资助、名城大学研究所（T.W.）的资助、日本抗生素研究协会的鼓励奖（T.W.）以及Ohyama Health Foundation的资助。

利益冲突声明

作者声明以下可能的利益冲突：田中惠美表示获得了日本学术振兴会的财务支持；和岛武明表示获得了日本学术振兴会的财务支持；Takeda Science Foundation也提供了财务支持。

致谢

我们感谢Ubukata Kimiko博士提供肺炎链球菌临床分离株。