细菌外膜囊泡调节免疫细胞功能活动的研究进展

Advances in the Study of Bacterial Outer Membrane Vesicles Regulating the Functional Activity of Immune Cells

摘要: 外膜囊泡(OMV)是一种来源于革兰氏阴性菌的纳米级大小的球形蛋白脂质体。OMVS可以运输多种化学成分，包括脂类、脂多糖、膜包埋的相关蛋白和小分子、肽聚糖和核酸，特别是粘附素和毒素等毒力因子通常在OMV中富集。OMVs在细菌与宿主细胞间沟通、微生物毒力和调节细菌群落内的微生物相互作用以及调节宿主免疫反应方面发挥着不同的作用。它们在细菌培养和感染过程中无处不在地产生，现在被认为在宿主与细菌的相互作用中发挥着关键作用。在这里，我们着重讨论了OMVs对宿主免疫细胞的影响作用，重点介绍它们对各类免疫细胞所做出的免疫功能调节的研究现状。

Abstract: The outer membrane vesicles (OMV) is a nanoscale-sized spherical protein liposome derived from gram-negative bacteria. OMVS can transport a variety of chemical components, including lipids, lipopolysaccharides, membrane embedded related proteins and small molecules, peptidmosaccharides, and nucleic acids, particularly adhesives and toxins, which are usually rich in OMV. OMVs play different roles in bacteria and host cell intervals, microbial toxicity and microbial interactions in the formation of bacterial communities and regulating the host immune response. They are everywhere in bacterial culture and infection, and they are now considered to play a key role in the interaction of the host and bacteria. Here, we focused on the effects of OMVs on host immune cells, focusing on the research status of immune function adjustment made by various types of immune cells.

1. 细菌外膜囊泡简介

1.1. 细菌外膜囊泡结构

细菌外膜囊泡(outer membrane vesicles, OMV)是从革兰氏阴性菌自然释放到细胞外环境中的纳米球形双层(20~250 nm)囊泡 [1] ，是细菌在生长过程中分泌出的不具备复制能力的双层膜结构 [2] [3] 。研究证明，所有的革兰阴性菌以及部分种类的革兰阳性菌都在其生存周期中普遍分泌OMV [4] [5] 。OMV可以通过大型胞饮作用、网格蛋白介导的胞吞作用等进入细胞内部或其他特定部位 [6] 。

1.2. 细菌外膜囊泡内容物与功能

蛋白质组学和生化分析表明，OMV中含有多种母体细菌衍生的组分。OMV的组成以外膜蛋白为主，同时也包括DNA、RNA、脂多糖(LPS)、蛋白质、酶和肽聚糖等其他物质 [7] [8] 。其表面由具有脂多糖外层(LPS)、外膜蛋白和受体的磷脂双分子层组成；其内部，OMV具有薄的肽聚糖层、周质蛋白以及核酸 [9] [10] [11] [12] [13] 。

大多数细菌释放外膜囊泡(OMV)含有特定的货物分子并因此具有不同的功能，包括传输毒力因子、DNA转移、对噬菌体截留、诱导发病机制、信号转导、介导细菌与宿主细胞间通讯以及细菌相互之间通信 [6] [14] [15] 等。此外，细菌外膜囊泡也具有调节免疫活动的功能，因此在用作疫苗、抗癌药物和纳米技术 [7] [16] 中的应用有巨大潜力。在本文章中，着重介绍细菌外膜囊泡调节宿主免疫应答的生物学功能，重点介绍OMV在调节各类免疫细胞功能活动方面的国内外最新研究进展。

2. OMV对免疫细胞功能调节的国内外研究现状

2.1. 细菌外膜囊泡调节巨噬细胞免疫应答

细菌外膜囊泡对巨噬细胞功能活动的调节受到外膜囊泡的来源菌体差异及其所包含的不同内容物的影响，因而对巨噬细胞所做出的调节行为也是多种多样的。例如有研究表明脑膜炎奈瑟氏菌OMV通过激活巨噬细胞来上调HLA-DR、共刺激分子CD80和CD86以及细胞间粘附分子1 (ICAM1)的表达 [17] 从而诱导适应性免疫反应。脑膜炎奈瑟氏菌OMV刺激单核巨噬细胞产生CCl_2、CCl_3和CCl_5 (又称RANTES)、CXCL_8、IL-1β、IL-6、IL-10、IL-12p40、IL-12p70和TNF [18] 。类似地，幽门螺杆菌OMV促进人外周血单核细胞产生IL-6 [19] 。沙门氏杆菌OMVS可诱导小鼠巨噬细胞产生肿瘤坏死因子(TNF)和一氧化氮(NO) [20] 。牙龈假单胞菌OMV诱导小鼠巨噬细胞产生NO和表达诱导型一氧化氮合酶(INOS) [21] ，从而进一步加重疾病状态。有最近研究还发现了脑膜炎奈瑟氏菌OMV可诱导外周血单核细胞衍生血栓因子、组织因子和纤溶酶原激活物抑制物2的产生，以促进脑膜炎球菌败血症期间观察到的血管内凝血、微血栓形成和器官功能障碍的发展 [17] 。

在2020年有研究人员发现在1 μg/ml浓度下用益生性大肠杆菌nissle 1917衍生的外膜囊泡来刺激小鼠来源巨噬细胞Raw264.7可促进该细胞的增殖，提高免疫相关酶活性及其吞噬作用 [22] 。此外，ECN_OMVs在体外诱导比促炎反应(IL-6和TNF-α)更强烈的抗炎反应(IL-10)，并且还调节TH1-偏振细胞因子(IL-12)和TH2-偏振产生细胞因子(IL-4)的量 [22] 。更进一步测试发现了ECN_OMVs的刺激有效改善了RAW264.7巨噬细胞的抗菌活性。

有研究表明部分减毒的细菌外膜囊泡(further-modified outer membrane vesicles—FMOMV)对流感病毒的感染有潜在的保护作用。施用FMOMV来对抗致死性的流行性H1N1、PR8、H5N2病毒和高致病性H5N1病毒对人体健康有着显著的保护；这种广泛的抗病毒活性主要依赖于巨噬细胞，而独立于中性粒细胞 [23] 。已知肺泡巨噬细胞(AMS)是首先识别异物的主要免疫细胞，并在肺部诱导随后的免疫激活。表明FMOMV可以有效激活巨噬细胞并诱导肺组织中的抗病毒细胞因子，并且是急剧募集和激活巨噬细胞 [23] 。有趣的是，FMOMV在激活巨噬细胞过程中显示出比其他配体更明显的保护作用，而不会表现出任何不良影响。

除了具有促炎作用外，细菌外膜囊泡还具有抗炎作用，有利于病原体或促进继发性细菌感染。例如，幽门螺杆菌OMV诱导人外周血单个核细胞产生免疫抑制细胞因子IL-10，以限制炎症并促进细菌的存活 [24] 。牙龈假单胞菌OMV促进巨噬细胞上CD14表达的丧失，使这些细胞对次级大肠杆菌LPS刺激诱导的TLR4信号无反应 [25] 。流产杆菌OMVs抑制TLR2、TLR4和TLR5的反应，限制干扰素γ诱导的MHCII类分子的表达，并促进流产杆菌在THP-1细胞中的内化 [16] 。大量研究表明细菌外膜囊泡可以限制炎症，促进细菌在宿主中的存活。

2.2. 细菌外膜囊泡调节中性粒细胞的功能活动

OMVs以不同的方式调节中性粒细胞的功能，这取决于它们的细菌来源和毒力决定因素组成。例如，脑膜炎奈瑟氏菌的OMV刺激人中性粒细胞产生肿瘤坏死因子和白细胞介素-1β，并上调CXCL8、CCL3和CCL4的表达 [26] 。这些反应可以被干扰素γ进一步增强，这表明在干扰素γ存在的慢性炎症状态下，中性粒细胞对脑膜炎奈瑟氏菌OMV的免疫反应是可以增强的 [26] 。相反，来自致病性大肠杆菌的外膜囊泡含有细胞毒性坏死因子1型(CNF1)，这是一种细菌毒素，可以削弱中性粒细胞的吞噬和趋化能力 [27] 。

中性粒细胞激活的标志之一是中性粒细胞胞外陷阱的产生，它含有DNA、抗菌肽和组蛋白，形成细胞外纤维以捕获和杀死细胞外病原体 [28] 。脑膜炎奈瑟氏菌和索马里组织杆菌的OMVS诱导中性粒细胞形成网，从而杀死这些病原体 [7] [29] 。然而，脑膜炎奈瑟氏菌OMVs诱导的中性粒细胞胞外陷阱的形成一定程度上也促进了细菌的定植，并可能解释了脑膜炎球菌病患者中检测到的大量OMV [30] 。

2.3. 细菌外膜囊泡调节树突状细胞的免疫活动

近年来多个研究表明来自多种病原体的外膜囊泡可诱导树突状细胞成熟并产生细胞因子。沙门氏菌OMVS诱导树突状细胞表面CD86和MHCII类分子的表达以及TNF和IL-12的产生，它们还促进保护性B细胞和T细胞反应的发展 [19] 。同样，脑膜炎奈瑟氏菌OMV可诱导树突状细胞成熟，其特征是上调MHCII类分子和共刺激分子，并产生促炎细胞因子和趋化因子 [18] 。脑膜炎奈瑟氏菌OMV通过改变宿主通透性来增加蛋白(BPI)结合 [31] ，能够促进其向树突状细胞传递和内化。BPI是一种宿主免疫因子，除了促进细菌清除外，还能结合以及中和内毒素 [32] 。总的来说，这些研究表明，OMV通过诱导树突状细胞成熟和促进抗原提呈，以及通过抑制其对OMV或次级细菌抗原的细胞因子反应来调节树突状细胞的各类功能活动。

拟杆菌(BT)是人肠道微生物的突出成分，如所有革兰氏阴性细菌能够天然产生从细胞表面脱落的纳米外膜囊泡(OMV)。其外膜囊泡可以通过肠上皮屏障来介导涉及上皮和免疫细胞的微生物宿主细胞串扰，以帮助保持肠道稳态 [33] 。有研究人员研究了来自健康个体和克罗恩病或溃疡性结肠炎患者的拟杆菌OMV与血液或结肠粘膜衍生的树突状细胞(DC)之间的相互作用。结果显示在健康个体中，拟杆菌OMVs通过结肠直流刺激显着改变了(P < 0.05) IL-10表达，而在外周血血液衍生的树突状细胞中，它们也刺激了IL-6的显着改变(分别为P < 0.001和P < 0.01)并且激活标记蛋白CD80 [33] 。相反，在溃疡性结肠炎患者中拟杆菌OMV无法通过调节树突状细胞来引发IL-10表达。此外，在与正常对照相比之下，克罗恩病或溃疡性结肠炎患者通过激活巨噬细胞而引发的血液中的IL-10改变的比例明显降低(P < 0.01和P < 0.001)。研究结果表明了共生肠道细菌BT产生的OMV的关键作用，揭示了OMV在IBD患者中局部和系统性地对微生物群的成分进行平衡的免疫应答，而这一过程通过树突状细胞介导。

3. 总结和展望

在过去的几十年中，OMV在很多研究领域取得了较大进展，最近的研究表明，多种细菌(包括革兰氏阴性菌以及部分革兰氏阳性菌)所释放的OMV在激活宿主免疫应答中发挥着非常重要的作用，也使得我们对OMV与各类宿主细胞间的相互作用有了更加深入的了解，特别是对OMV引发的免疫反应的研究。本篇综述重点介绍了细菌外膜囊泡对免疫细胞(中性粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞)的功能调节，以及引起免疫细胞功能改变的部分机制。对这些相互作用的详细了解将丰富现有的细菌外膜囊泡知识体系。这些进展确保了外膜囊泡与免疫细胞相互作用的研究在未来几年仍将是一个忙碌和有意义的领域。但OMV的发展仍然存在许多机遇和挑战，需要更多的努力和临床试验，相信基于细菌外膜囊泡的免疫调节功能研究具有更多有待探索的地方，相信未来也会有广阔的应用前景。

参考文献