Điều hòa sinh học macrophage và đáp ứng miễn dịch bởi lipid mycobacterium

GPL là yếu tố độc lực quan trọng của M. avium. Các chủng vi khuẩn thiếu GPL tự nhiên hoặc bị biến đổi gen cho thấy khả năng gây bệnh giảm. GPL ảnh hưởng đến việc kích hoạt macrophage thông qua nhiều con đường. Khi GPL hiện diện đầy đủ, macrophage ít được kích hoạt hơn. Điều này giúp vi khuẩn sống sót tốt hơn trong tế bào chủ. Nghiên cứu sử dụng các chủng M. avium đột biến gen mtfD. Gen này mã hóa enzyme methyltransferase cần thiết cho tổng hợp GPL. Chủng đột biến không có GPL đặc hiệu theo serotype. Macrophage nhiễm chủng đột biến sản xuất cytokine viêm nhiều hơn.

GPL điều chỉnh phản ứng miễn dịch của숙주ở nhiều mức độ. Trong mô hình chuột, chủng thiếu GPL có độc lực giảm rõ rệt. Chuột nhiễm chủng đột biến sống sót tốt hơn và có ít tổn thương mô hơn. GPL ức chế con đường tín hiệu MAP kinase trong macrophage. MAP kinase signaling quan trọng cho sản xuất cytokine viêm. Khi GPL vắng mặt, MAP kinase được kích hoạt mạnh hơn. Điều này dẫn đến tăng sản xuất TNF-α, IL-6 và các cytokine khác. GPL cũng ảnh hưởng đến macrophage polarization, ngăn chặn sự chuyển đổi sang kiểu M1 macrophage có hoạt tính diệt khuẩn cao.

GPL được giải phóng từ phagosome chứa mycobacterium. Lipid này di chuyển đến các ngăn endocytic khác nhau trong tế bào. Multivesicular bodies (MVB) là điểm đến quan trọng của GPL. MVB chứa các túi nhỏ gọi là intraluminal vesicles. Các túi này sau đó được giải phóng ra ngoài tế bào dưới dạng exosome. Exosome mang theo GPL và các thành phần mycobacterial khác. Quá trình này cho phép truyền tín hiệu giữa các tế bào. Tế bào lân cận không bị nhiễm có thể nhận exosome chứa mycobacterial lipids. Đây là cơ chế mới của giao tiếp giữa các tế bào trong nhiễm trùng mycobacterium.

M1 macrophage được kích hoạt bởi IFN-γ và LPS. Chúng biểu hiện cao iNOS và sản xuất NO. M1 macrophage tiết nhiều TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-12. Các cytokine này thúc đẩy phản ứng viêm và miễn dịch Th1. M1 macrophage có khả năng trình diện kháng nguyên tốt. Chúng biểu hiện cao MHC class II và các phân tử đồng kích thích. M1 macrophage tiêu diệt vi khuẩn nội bào hiệu quả. Tuy nhiên, hoạt động quá mức có thể gây tổn thương mô. GPL-deficient mycobacterium kích thích M1 polarization mạnh hơn. Điều này giải thích tại sao chúng có độc lực thấp hơn.

M2 macrophage được kích hoạt bởi IL-4, IL-13, IL-10. Chúng biểu hiện cao arginase-1 và các marker khác. M2 macrophage sản xuất cytokine chống viêm. Chúng tiết IL-10, TGF-β, giúp kiểm soát viêm. M2 macrophage thúc đẩy sửa chữa mô và tái tạo. Chúng sản xuất các yếu tố tăng trưởng và protein ngoại bào. M2 macrophage có hoạt tính diệt khuẩn thấp. Mycobacterium tận dụng điều này để sống sót lâu dài. GPL và LAM thúc đẩy M2 polarization. Điều này tạo môi trường thuận lợi cho vi khuẩn phát triển.

Macrophage có tính linh hoạt cao và có thể chuyển đổi kiểu. Chuyển đổi từ M1 sang M2 xảy ra khi viêm giảm dần. Ngược lại, M2 có thể chuyển sang M1 khi gặp tín hiệu viêm mới. Mycobacterial lipids can manipulate this plasticity. GPL ngăn chặn chuyển đổi sang M1 ngay cả khi có IFN-γ. Phthiocerol dimycocerosate cũng ức chế M1 activation. Cord factor (TDM) là ngoại lệ, thường kích thích M1. Sự cân bằng giữa các lipid khác nhau quyết định kết quả cuối cùng. Hiểu được cơ chế này mở ra hướng điều trị mới.

LAM có trọng lượng phân tử khoảng 17-20 kDa. Phần lipid anchor gắn vào màng tế bào mycobacterium. Mannan backbone tạo thành cột sống của phân tử. Arabinan chains gắn vào mannan tạo cấu trúc phân nhánh. ManLAM có mannose caps ở đầu arabinan chains. PILAM có phosphoinositol caps thay vì mannose. AraLAM không có caps, chỉ có arabinan tự do. Loại caps quyết định hoạt tính sinh học của LAM. ManLAM từ M. tuberculosis và M. avium rất quan trọng. Chúng có khả năng ức chế miễn dịch mạnh. PILAM từ M. smegmatis ít ức chế miễn dịch hơn.

Mannose receptor (MR) nhận diện mannose caps trên ManLAM. Tương tác này thường dẫn đến ức chế miễn dịch. DC-SIGN cũng liên kết với ManLAM qua mannose residues. DC-SIGN signaling có thể ức chế IL-12 và thúc đẩy IL-10. TLR2 nhận diện phần lipid và một số vùng trên LAM. TLR2 activation thường kích thích phản ứng viêm. Complement receptor 3 (CR3) cũng tương tác với LAM. CR3-mediated uptake không kích hoạt macrophage mạnh. Sự cạnh tranh giữa các receptor quyết định kết quả cuối cùng. Tỷ lệ các receptor trên macrophage ảnh hưởng đến phản ứng.

Phagosome maturation là quá trình quan trọng để tiêu diệt vi khuẩn. Phagosome thường hợp nhất với lysosome tạo phagolysosome. Phagolysosome có pH thấp và nhiều enzyme tiêu hóa. ManLAM ngăn chặn quá trình maturation này. LAM ức chế recruitment của EEA1 lên phagosome. EEA1 cần thiết cho fusion giữa các endosome. LAM cũng ngăn chặn acquisition của lysosomal markers. V-ATPase và cathepsin D ít được recruit đến phagosome chứa mycobacterium. Cơ chế liên quan đến can thiệp vào calcium signaling. LAM cũng ảnh hưởng đến phosphoinositide metabolism trên phagosome membrane.

TDM có cấu trúc đối xứng với hai mycolic acid chains. Mỗi mycolic acid dài 60-90 carbon atoms. Mycolic acids gắn vào hai vị trí hydroxyl của trehalose. Trehalose là disaccharide gồm hai glucose liên kết α,α-1,1. TDM có tính kỵ nước cao do mycolic acid chains dài. Phân tử tập hợp thành micelles hoặc bilayers trong nước. TDM tồn tại ở lớp ngoài cùng của thành tế bào. Một phần TDM được giải phóng ra môi trường xung quanh. TDM tự do có thể xâm nhập vào màng tế bào chủ. Điều này ảnh hưởng đến chức năng màng và signaling.

Mincle (Macrophage-inducible C-type lectin) là receptor chính của TDM. Mincle nhận diện phần trehalose của TDM. Receptor này cặp với FcRγ chain để truyền tín hiệu. Mincle-FcRγ activation kích hoạt Syk kinase. Syk phosphorylates Card9, tạo phức hợp Card9-Bcl10-Malt1. Phức hợp này kích hoạt NF-κB và MAP kinases. NF-κB translocation vào nhân kích thích phiên mã cytokine. TNF-α, IL-6, IL-1β genes được bật lên. Mincle expression tăng lên sau khi tiếp xúc với TDM. Đây là vòng phản hồi dương tăng cường phản ứng viêm.

Granuloma là cấu trúc mô đặc trưng của nhiễm mycobacterium. TDM đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành granuloma. TDM kích thích recruitment của macrophage và các tế bào miễn dịch. Cytokine và chemokine được sản xuất thu hút thêm tế bào. Macrophage tập hợp và biệt hóa thành epithelioid cells. Các tế bào này hợp nhất tạo giant cells đa nhân. Lymphocytes tạo vòng ngoài quanh khối macrophage. TDM cũng kích thích fibroblast sản xuất collagen. Collagen bao quanh granuloma tạo vỏ xơ. Granuloma giới hạn lan rộng của vi khuẩn nhưng cũng bảo vệ chúng khỏi miễn dịch.

PDIM được tổng hợp bởi các gen trong pps và mas loci. Pps genes mã hóa polyketide synthases tạo phthiocerol. Mas genes mã hóa mycocerosic acid synthases. FadD28 và FadD26 là acyl-AMP ligases cần thiết. PapA5 là acyltransferase gắn mycocerosic acids vào phthiocerol. Đột biến bất kỳ gen nào cũng dẫn đến mất PDIM. Các chủng đột biến này có độc lực giảm rõ rệt. Trong mô hình chuột, chúng không thể nhân lên tốt trong phổi. PDIM synthesis được điều hòa bởi nhiều yếu tố. PhoP-PhoR two-component system điều chỉnh pps expression.

PDIM tăng cường khả năng xâm nhập macrophage của mycobacterium. Các chủng thiếu PDIM xâm nhập kém hơn đáng kể. PDIM tương tác với màng tế bào chủ trong quá trình phagocytosis. Lipid này có thể thay đổi cấu trúc màng locally. PDIM làm tăng membrane fluidity tại vị trí tiếp xúc. Điều này tạo điều kiện cho vi khuẩn xâm nhập dễ dàng hơn. PDIM cũng ảnh hưởng đến receptor-mediated uptake. Nó có thể che phủ các PAMP khác trên bề mặt vi khuẩn. Điều này giảm nhận diện bởi pattern recognition receptors. Kết quả là macrophage activation thấp hơn ngay từ đầu.

PDIM can thiệp vào tính toàn vẹn của phagosome membrane. Lipid này chèn vào lipid bilayer của phagosome. PDIM gây rối loạn cấu trúc màng cục bộ. Điều này tạo ra các vùng thấm nhẹ trên phagosome. Một số phân tử nhỏ có thể rò rỉ qua các vùng này. Mycobacterial components như DNA có thể tiếp cận cytosol. Cytosolic DNA sensors như cGAS-STING được kích hoạt. Tuy nhiên, PDIM cũng ức chế downstream signaling. Kết quả cuối cùng là phản ứng interferon bị kiểm soát. PDIM không gây vỡ hoàn toàn phagosome như Listeria. Thay vào đó, nó tạo môi trường trung gian thuận lợi cho vi khuẩn.

Exosome biogenesis bắt đầu từ early endosome. Early endosome trưởng thành thành late endosome/MVB. Màng MVB uốn vào trong tạo intraluminal vesicles. ESCRT machinery (Endosomal Sorting Complex Required for Transport) điều khiển quá trình này. ESCRT-0, I, II, III complexes hoạt động tuần tự. Các protein và lipid được chọn lọc vào ILV. Tetraspanins như CD63, CD81, CD9 phong phú trong exosome. MVB có thể hợp nhất với lysosome để degradation. Hoặc MVB hợp nhất với plasma membrane để giải phóng exosome. Rab GTPases điều khiển trafficking của MVB. Rab27a và Rab27b quan trọng cho exosome secretion.

Nghiên cứu cho thấy GPL được vận chuyển từ phagosome đến MVB. Imaging cho thấy GPL colocalize với CD63-positive MVB. LAM cũng được tìm thấy trong exosome từ macrophage bị nhiễm. Lipidomic analysis xác nhận sự hiện diện của mycolic acids. Các lipid này không chỉ là contamination từ vi khuẩn chết. Chúng được đóng gói có chọn lọc vào exosome. Cơ chế sorting mycobacterial lipids vào exosome chưa rõ hoàn toàn. Có thể liên quan đến lipid rafts trên MVB membrane. Exosome từ macrophage nhiễm M. tuberculosis và M. bovis BCG đều chứa lipid. Lượng lipid trong exosome tương quan với bacterial load.

Exosome chứa mycobacterial components kích hoạt macrophage chưa bị nhiễm. Bystander macrophages sản xuất cytokine viêm khi nhận exosome. TNF-α, IL-6, IL-12 được tiết ra trong vài giờ. Exosome có thể kích hoạt NF-κB và MAP kinase pathways. TLR2 có thể nhận diện mycobacterial lipids trên exosome. Exosome cũng được dendritic cells và các tế bào khác nhận. Trong mô hình chuột, exosome inject vào phổi gây viêm. Recruitment của neutrophil và macrophage tăng lên. Exosome có thể lan truyền immune activation xa vị trí nhiễm trùng. Đây là con dao hai lưỡi: giúp kiểm soát nhiễm trùng nhưng cũng gây tổn thương mô.