综述：结核病的发病机制：宿主抗结核免疫与结核分枝杆菌免疫逃避策略之间的相互作用

《MedComm》：Pathogenesis of Tuberculosis: Interplay Between Host Antituberculosis Immunity and Immune Evasion Strategies of Mycobacterium Tuberculosis

　　

摘要 结核病仍然是全球由单一传染性病原体导致死亡的主要原因之一，尽管现有抗结核化疗和卡介苗（Bacillus Calmette-Guérin，BCG）接种。结核病的发病机制是由宿主保护性免疫与结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis，M. tuberculosis）的免疫逃避策略之间动态且持久的相互作用所驱动。在感染过程中，双向的宿主–M. tuberculosis相互作用，连同免疫代谢和表观遗传重编程，塑造了肉芽肿的形成和组织、纤维化包裹、液化性坏死，并最终决定疾病进展和传播。然而，一个将宿主保护性免疫、M. tuberculosis免疫逃避以及感染不同阶段肉芽肿演变联系起来的系统框架仍然不完整。在本综述中，研究人员总结了塑造早期先天免疫招募、适应性免疫激活、肉芽肿形成和重塑、持续感染、肉芽肿崩溃以及进展为活动性结核病的宿主–M. tuberculosis相互作用。研究人员进一步整合了代谢重编程、表观遗传重编程、训练免疫（trained immunity）、组织驻留免疫和髓系来源的免疫抑制网络的新兴概念。最后，研究人员讨论了这些机制见解如何为设计下一代结核病疫苗和辅助疗法提供信息。本综述建立了一个理解结核病免疫发病机制的全面概念框架，并为抗结核病疫苗和治疗策略的开发提供了指导。

1 引言

结核病是人类历史上最古老的传染病记录之一，但至今仍是全球重大公共卫生挑战。世界卫生组织最新报告显示，2024年全球估计有1070万新发结核病病例，结核病相关死亡已超过获得性免疫缺陷综合征，再次成为单一病原体引起的最致命传染病。在撒哈拉以南非洲和东南亚等高负担地区，人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）感染的高流行与耐药M. tuberculosis菌株的持续传播协同作用，进一步增加了发病率和死亡率。1944年链霉素首次用于治疗活动性肺结核，开启了抗结核化疗时代，但后续研究发现其对非复制或休眠菌效果有限且易产生耐药性，因此逐渐建立了异烟肼、利福平和吡嗪酰胺等联合化疗方案。尽管如此，耐多药结核病（multidrug-resistant tuberculosis，MDR-TB）和广泛耐药结核病（extensively drug-resistant tuberculosis，XDR-TB）的临床管理仍面临重大挑战。BCG疫苗自1921年首次用于人类，已成为结核病预防的基石，但对成人肺结核的保护效力有限且多变。因此，全面了解M. tuberculosis与宿主免疫系统之间复杂的相互作用对于识别新治疗靶点和预防具有重要意义。在感染早期，M. tuberculosis被肺泡巨噬细胞（alveolar macrophages，AMs）识别和吞噬，随后自然杀伤（natural killer，NK）细胞分泌干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）增强巨噬细胞杀菌活性，γδ T细胞识别分枝杆菌脂质抗原并产生细胞因子，中性粒细胞通过形成中性粒细胞胞外诱捕网（neutrophil extracellular traps，NETs）捕获细菌。同时，树突状细胞（dendritic cells，DCs）将M. tuberculosis抗原呈递给CD4⁺ T细胞，诱导Th1极化免疫反应，其中IFN-γ和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）驱动特异性抗菌活性；CD8⁺ T细胞通过穿孔素和颗粒酶介导的细胞毒性直接裂解感染细胞。然而，在持续的免疫压力下，M. tuberculosis进化出多种免疫逃避策略以实现长期持留。宿主免疫与细菌反制措施之间平衡的破坏是结核病发病的核心决定因素。近年来，结核病免疫学的快速进展加速了对宿主–病原体相互作用的理解。本综述聚焦于结核病肉芽肿形成和进展过程中宿主抗结核免疫反应与M. tuberculosis免疫逃避策略之间的动态免疫拔河，系统综合了结核病发病的免疫学机制。

2 感染过程中宿主免疫与M. tuberculosis的相互作用

结核病发病机制是一个由M. tuberculosis与宿主免疫系统持续相互作用塑造的动态过程。从早期肉芽肿形成到组织破坏性疾病的发展，每个阶段都反映了宿主防御与细菌免疫逃避的斗争。在结核病肉芽肿内，宿主免疫试图限制细菌复制并维持组织结构，而M. tuberculosis则颠覆和重塑局部免疫微环境以促进其生存、持留和传播。

2.1 先天免疫细胞招募、M. tuberculosis逃避及早期肉芽肿形成

在感染早期，M. tuberculosis最初主要被AMs吞噬，也可感染肺上皮细胞。感染后，AMs从肺泡腔迁移至肺间质，募集其他先天免疫细胞，包括单核细胞来源的吞噬细胞、中性粒细胞、DCs、NK细胞和非经典T细胞。这些细胞通过吞噬、细胞因子分泌、细胞毒活性和启动适应性免疫反应协作限制细菌扩张。然而，M. tuberculosis常逃避清除，促进新生肉芽肿形成。

2.1.1 巨噬细胞

2.1.1.1 巨噬细胞的异质性

肺巨噬细胞根据起源分为组织驻留AMs和单核细胞来源间质巨噬细胞（interstitial macrophages，IMs）。AMs是感染前2周的主要感染细胞，作为肺泡空间哨兵，通过溶酶体酶释放和活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生试图限制生长。但M. tuberculosis可在AMs内有效复制，选择性耗竭AMs反而降低肺部细菌负荷。随着感染进展和适应性免疫发展，部分AM亚群在IFN-γ等信号影响下可获得更强抗菌表型。感染约2周后，单核细胞来源的IMs成为重要群体，传统认为IMs比AMs更具限制性，但单细胞测序显示IMs是异质性群体，包含不同分化状态和抗菌能力的亚群。因此，AMs和IMs的抗菌能力取决于阶段和状态，且与代谢表型密切相关。

2.1.1.2 巨噬细胞控制M. tuberculosis的机制及细菌逃避策略

巨噬细胞通过吞噬溶酶体杀伤、氧化和亚硝化应激、自噬和程序性细胞死亡进行细胞内防御。M. tuberculosis则通过多种反制措施规避这些机制。首先，在吞噬体成熟方面，甘露糖帽脂阿拉伯甘露聚糖（mannose-capped lipoarabinomannan，ManLAM）抑制钙/钙调蛋白信号和Rab5介导的PI3K招募，阻断磷脂酰肌醇3-磷酸（phosphatidylinositol 3-phosphate，PI3P）合成；分泌酸性磷酸酶SapM直接水解吞噬体膜上的PI3P；分泌的磷酸酶PtpA与液泡ATP酶（vacuolar ATPase，V-ATPase）相互作用抑制质子泵活性；主要细胞壁脂质海藻糖6,6'-二霉菌酸酯（trehalose 6,6′-dimycolate，TDM）干扰pH调节；磷脂酰肌醇甘露糖苷（phosphatidylinositol mannosides，PIMs）破坏溶酶体成分投递；丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶PknG靶向Rab7相互作用溶酶体蛋白（Rab-interacting lysosomal protein，RILP）抑制HOPS复合物招募，阻止吞噬溶酶体形成。其次，在氧化杀伤方面，巨噬细胞通过NOX2复合物产生活性氧（ROS），通过诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）产生活性氮（reactive nitrogen species，RNS）。M. tuberculosis依靠脂质密集的细胞包膜作为渗透屏障，并利用酶类清除剂如KatG、超氧化物歧化酶A/C（superoxide dismutase A/C，SodA/SodC）、烷基氢过氧化物还原酶C/D（alkyl hydroperoxide reductase C/D，AhpC/AhpD）解毒超氧化物、过氧化氢和过氧亚硝酸盐，同时硫氧还蛋白（thioredoxin，Trx）-分枝杆菌硫醇（mycothiol，MSH）依赖的氧化还原缓冲系统维持菌体内氧化还原平衡，WhiB3等调节因子重新编程细菌生理以促进持留。第三，在自噬调控中，M. tuberculosis在多水平抑制：ManLAM干扰VPS34/PI3P轴和beclin-1相关途径；PknG通过Rab14阻碍自噬体成熟；SapM通过raptor–mTORC1机制抑制自噬起始；磷酸核糖转移酶（phosphoribosyltransferase，PRT）通过表观遗传重塑抑制atg5和atg7转录。最后，在细胞死亡重编程中，M. tuberculosis主动调节凋亡和焦亡。ManLAM损害线粒体依赖性凋亡，PtpA限制caspase-3激活，PE6（由Rv0335c编码）可诱导Bax/Bak相关线粒体途径。在焦亡方面，PknF抑制NLRP3炎症小体，PtpB改变质膜磷脂组成阻断GSDMD-N孔形成，ESX-1分泌系统抑制AIM2炎症小体介导的焦亡。通过这些机制，M. tuberculosis重塑宿主细胞死亡程序，延长细胞内存活。

2.1.2 呼吸上皮细胞

呼吸上皮细胞构成抵御M. tuberculosis的重要早期屏障，产生抗菌肽如β-防御素和LL-37。上皮源趋化因子如CXCL5促进中性粒细胞招募。然而，M. tuberculosis可利用肝素结合血凝素黏附素（heparin-binding hemagglutinin adhesin，HBHA）结合上皮硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，促进细菌附着和内化，可能作为侵袭和传播的门户。

2.1.3 NK细胞

NK细胞通过穿孔素-颗粒酶途径杀伤感染细胞，并可通过“缺失自我”机制识别MHC I类分子下调的靶细胞。BCG接种后可诱导记忆样NK细胞持续产生IFN-γ，但活动性结核病患者NK细胞上调PD-1和TIM-3等抑制受体，导致效应功能受损，提示慢性抗原刺激可诱导耗竭样状态。

2.1.4 中性粒细胞

中性粒细胞通过趋化、吞噬、ROS产生、蛋白酶释放和NETs形成清除M. tuberculosis。M. tuberculosis可抑制Hck激酶活性和F-肌动蛋白重组，阻断颗粒-吞噬体融合，并利用Trx和MSH等系统中和次氯酸（hypochlorous acid，HOCl），分泌硫化氢（hydrogen sulfide，H₂S）和麦角硫因（ergothioneine，EGT）直接中和HOCl，减少氧化损伤。

2.1.5 树突状细胞

DCs在气道黏膜形成网络，摄取抗原后迁移至引流淋巴结（draining lymph nodes，dLNs）呈递给T细胞。M. tuberculosis通过ManLAM等结合C型凝集素受体（如DC-SIGN、DCIR、Dectin-2、Mincle）使DCs偏向耐受表型，减少共刺激分子和MHC II类表达，增加IL-10和吲哚胺2,3-双加氧酶（indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO）产生。此外，ESAT-6、Hip1、GroEL2、Zmp1、PE-PGRS47和Acr-1等效应蛋白干扰DC成熟和抗原呈递，阻碍MHC II类限制性抗原呈递和Th1/Th17极化。

2.1.6 非经典T细胞

γδ T细胞（尤其是Vγ9Vδ2）在早期识别磷酸化抗原并快速活化，产生IFN-γ、TNF-α等细胞因子。粘膜相关恒定T（mucosal-associated invariant T，MAIT）细胞通过MR1识别核黄素代谢物，在感染早期发挥保护作用。 invariant NKT（iNKT）细胞识别CD1d提呈的脂类抗原，产生IFN-γ和GM-CSF，桥接先天和适应性免疫。这些非经典T细胞共同在早期限制细菌扩张，但慢性感染可导致功能改变。

2.2 适应性免疫激活、M. tuberculosis控制与肉芽肿组织化

随着感染进展，DCs将抗原呈递给na?ve T细胞，激活CD4⁺ Th1和CD8⁺ T细胞等适应性免疫，并促进肉芽肿结构组织化。

2.2.1 T细胞

CD4⁺ T细胞是核心，Th1产生IFN-γ、TNF-α和IL-2，其中IFN-γ激活巨噬细胞杀灭细菌，TNF-α维持肉芽肿稳定。Th17产生IL-17和IL-22，促进中性粒细胞招募，其作用具有菌株和背景依赖性。CD8⁺ T细胞通过交叉呈递激活，以穿孔素介导裂解感染细胞和产生细胞因子发挥作用。M. tuberculosis延迟T细胞启动：EsxH破坏ESCRT复合体损害MHC II呈递；ESAT-6结合β₂微球蛋白（β₂-microglobulin，β₂M）阻止MHC I组装；Hip1切割GroEL2降低免疫原性；PE_PGRS47抑制自噬削弱抗原呈递；毒力脂质PDIM抑制CD86和IL-12p40表达。此外，M. tuberculosis诱导IDO1产生犬尿氨酸，激活AhR和SOCS3，减少CXCL9/CXCL10分泌，延迟T细胞迁移。在效应功能方面，缺氧条件下Rv0884c（SerC）促进D-丝氨酸产生，抑制CD8⁺ T细胞的WDR24–mTORC1–T-bet通路，降低IFN-γ产生。慢性感染中T细胞上调PD-1、TIM-3等抑制受体，进入耗竭样状态。肉芽肿内的髓系来源的抑制性细胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）通过精氨酸酶1（arginase1，Arg1）剥夺精氨酸，调节性T细胞（regulatory T cells，Tregs）分泌IL-10和TGF-β，共同损害T细胞功能。

2.2.2 B淋巴细胞

B细胞可作为抗原呈递细胞并调节炎症环境。B细胞缺陷小鼠对结核易感性增加。边缘区B细胞等非常规亚群通过细胞因子分泌塑造微环境。抗体通过调理作用增强吞噬，IgM靶向LAM和Psts-1抗原可促进AMs吞噬。Fcγ受体（FcγRs）介导抗体功能。M. tuberculosis通过LAM诱导调节性B细胞（regulatory B cells，Bregs）分泌IL-10抑制Th1极化；PtpA去磷酸化SYK和BTK抑制B细胞受体（B cell receptor，BCR）信号；野生型M. tuberculosis的高度疏水细胞壁阻碍抗体结合和补体沉积；抗原变异可能导致现有抗体失效。

2.2.3 巨噬细胞转化为上皮样细胞和朗汉斯巨细胞及肉芽肿组织化

随着适应性免疫建立，巨噬细胞分化为上皮样细胞和朗汉斯巨细胞（Langhans giant cells，LGCs）。上皮样细胞表达上皮相关分子如E-钙粘蛋白，增强细胞粘附和屏障形成；ESAT-6可通过TLR2激活iNOS/NO和ROS信号，减少H3K27三甲基化，促进该转化。LGCs由巨噬细胞融合形成，依赖CD40–CD40L相互作用、IFN-γ和DC-STAMP。这些转变标志肉芽肿从炎性聚集变为结构化病变。

2.3 纤维化包裹与M. tuberculosis持留

部分肉芽肿转向抑制性微环境，TGF-β信号驱动胶原沉积和纤维化包裹，限制细菌播散但不实现灭菌。泡沫巨噬细胞在脂质丰富环境中容纳休眠菌。干酪样坏死物质（caseum）成为药物耐受持留菌储库。纤维化包裹是双刃剑，既限制扩散又创造低灌注、免疫受限的微环境利于长期持留。

2.4 肉芽肿控制的崩溃：持留菌复苏、液化性坏死和活动性肺结核

在免疫抑制或慢性进展下，持留菌复苏，伴随I型干扰素特征。基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）-1、MMP-8和MMP-9等介导胶原降解，中性粒细胞弹性蛋白酶加剧组织损伤。脂质代谢紊乱和泡沫巨噬细胞积累促使干酪样核心软化液化，最终形成空洞和支气管播散，导致活动性肺结核。

3 宿主–病原体免疫相互作用：机制整合

免疫细胞的塑性受代谢重编程、表观遗传重塑和细胞死亡途径调控。

3.1 代谢重编程

3.1.1 巨噬细胞代谢重编程

静息巨噬细胞依赖氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS），感染后转向糖酵解以支持ROS、NO和IL-1β产生。M. tuberculosis促进泡沫巨噬细胞形成：ESAT-6增强GLUT1介导的葡萄糖摄取；TNF-α–TNFR1激活mTORC1/caspase-8抑制脂自噬；ManLAM激活甘露糖受体（mannose receptor，MR）–PPARγ–CD36轴增加脂质储存；UreC上调清道夫受体A1。氨基酸代谢中，精氨酸途径平衡iNOS和Arg1竞争；色氨酸通过IDO1–犬尿氨酸轴抑制STAT1–CXCL9/CXCL10，减少T细胞浸润。金属代谢方面，宿主通过营养免疫限制铁、锌、铜，而细菌有相应获取和解毒系统。

3.1.2 T细胞代谢重编程

初始T细胞依赖OXPHOS和脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，FAO），激活后转为有氧糖酵解和谷氨酰胺利用。肉芽肿微环境的酸性和营养限制抑制效应功能。慢性期线粒体功能障碍，代谢失衡促进耗竭。PD-1/PD-L1轴进一步抑制糖酵解和氨基酸代谢。MDSCs和IDO1⁺巨噬细胞通过剥夺精氨酸和色氨酸驱动T细胞功能障碍。

3.2 表观遗传和表观遗传相关的翻译后重编程

M. tuberculosis效应分子引起宿主表观遗传改变：Eis介导DUSP16乙酰化抑制吞噬体成熟；PRT增强G9a甲基转移酶活性，增加H3K9me2/3沉默自噬基因；19 kDa脂蛋白通过TLR2依赖机制使CIITA启动子组蛋白去乙酰化，抑制MHC II表达；M. bovis感染促进KLF4和EZH2结合，增加H3K27me3抑制CIITA转录。

4 针对宿主–病原体相互作用的疫苗设计和辅助疗法启示

基于上述机制，新一代疫苗应超越单纯扩增适应性免疫，重视训练免疫。M72/AS01E疫苗在IIb期试验中显示54%效力，其佐剂AS01E诱导单核细胞表观遗传重编程。MTBVAC和VPM1002通过代谢和表观遗传重编程或增强吞噬体酸化诱导训练免疫。辅助疗法包括：促进吞噬体成熟或自噬（如PknG抑制剂、PtpA抑制剂、SapM抑制剂、ZXL1、雷帕霉素、二甲双胍等）；靶向抗氧化防御（如SOD抑制剂、AhpD抑制剂、硫氧还蛋白抑制剂、维生素C、氯法齐明等）；重塑宿主细胞死亡程序（如navitoclax促进凋亡、环孢素A抑制坏死）；靶向MDSC介导的免疫抑制微环境（如ARG1抑制剂、IDO抑制剂、roflumilast、JHU083）；增强T细胞免疫应答（如IL-7、IL-15、IL-12、免疫检查点抑制剂、木犀草素等）。

5 结论与展望：知识空白和未来研究新兴技术

结核病免疫发病机制的研究仍存在空白，如肉芽肿的空间免疫学、人类疾病中训练免疫的确切贡献、代谢干预的临床转化等。新兴技术如空间转录组、单细胞多组学和类器官模型将为深入理解宿主–病原体相互作用提供新工具，推动更有效疫苗和治疗策略的开发。