科学家揭示真菌致病的关键机理

作者：冯卫东

　　在细菌的世界里，真菌通常缺乏病毒或细菌的天赋。对拥有正常的、健康的免疫系统的人们来说，真菌很少会表现它们自己。其实，人类的头发和皮肤上携带着大量的真菌，甚至每次呼吸都会带出一片无形的真菌孢子云团。虽然许多其它微生物乐于让宿主因感染它们得病或死亡而苟延残喘，但真菌却往往愿意痴心地等待它的主人死于其他原因而不是自己之手。

　　事实上，在整个文明史中，大多数真菌成了人类的朋友，它们慷慨地为人类提供面包和啤酒，回收垃圾，让植物从土壤中汲取营养。科学家估计，在地球上大约生活着150万种真菌，但只有少数会祸害人类的健康。

　　但问题是，一旦少数害群之马真的“起了歹心”，那它们就会反目成仇，致人于死命。例如，在严重感染曲霉属真菌的病人中，有一半的人将一命呜呼。医院中最常见的念珠菌感染的死亡率据报告也是相当高的，虽然具体数字很难获取，但报告显示真菌感染率在整体上具有上升的趋势。最近，医生们也开始对一度罕见的隐球菌感染在西北太平洋地区的扩散表现得忧心忡忡。

　　是什么将真菌伙伴转变成了病原体，这个问题已经困扰了研究人员一个多世纪。然而，直到最近，科学家才发现了支配真菌如何运作、并将正常情况下平和的真菌转变成人类敌人的一些关键原理。在试图破译微生物和人类宿主之间分子对话的过程中，真菌研究者还发现了人体免疫系统的一些令人吃惊的秘密。

　　不吃腐肉的“秃鹫”会害人

　　自2004年白色念珠菌的完整基因草图发表以来，研究人员已编目了十余种致病真菌的基因组。这些基因组研究可能会很快揭示出真菌是如何在人体中生存的，并帮助研究人员提出新的方法来消灭这些病菌。科学家最近还发现了人类免疫细胞中会对真菌和其他入侵者发出警报的分子家族，以及真菌躲避这些细胞的机制。

　　总的来说，这些研究结果可能很快就会解决真菌感染治疗中最具挑战性的一个问题，即如何让你摆脱这个人类最亲密接触者的骚扰。

　　在过去的生物学归类中，真菌往往与植物混为一谈，大概就是因为这两种形式的生命都可以萌芽于污浊的环境。今天，真菌已被公认自成一体，拥有自己的王国，在漆黑的海洋深处、南极零度以下的冰雪层下、冰箱里被遗忘的苹果中都能找到它的影踪。

　　真菌包括霉菌、酵母、蘑菇及其他不从叶绿素和光获取能量的生长物。许多真菌依靠散布微小的孢子来繁殖，每一个孢子都有传播的本领。即便你看不到真菌的倩影，它们每天也都和你朝夕相处。2005年的一项研究发现，光在你的枕头上就依偎着大约一百万个真菌孢子。

　　真菌是生态系统的“秃鹫”，通常都喜爱即将或已死亡的食物。例如，曲霉属真菌通常会逡巡在腐烂的树叶和堆肥周围，尽享一顿腐烂物大餐。但有的时候，当条件成熟时，某种真菌也会开始发芽，而此时它的主人却依然生机勃勃。这件事如果发生在人身上，通常就会给人带来不小的麻烦，如皮肤和指甲感染等，但这还不至于要了你的命。

　　研究人员表示，大多数真菌病原体是相当“懦弱”的，它们通常不会在拥有正常免疫系统的宿主身上引发疾病。

　　但总有些人拥有不那么正常的免疫系统。大多数这样的患者都因罹患艾滋病或癌症、进行过器官移植或是药物治疗而使身体变得不再拥有强大的抵抗能力，此时真菌感染就会将这些患者陷于死地。越来越多的此类病人往往使用高剂量的抗生素，以防止其他感染，这从根本上改变了身体的自然生态，从而使那些非自然的真菌得以滋长，接管了身体。还有很多的患者同时还会经历插入医用导管或其他医疗器械等医疗程序，这也会打破人体正常的免疫屏障。

　　念珠菌病虽然在上一代前比较少见，但这种得自念珠菌属真菌（通常存活于皮肤上）的血液感染症已成为第四大常见的感染症。虽然没有对曲霉属真菌引发的感染进行过仔细跟踪，但研究表明，在20世纪80年代和90年代期间因曲霉属真菌感染而死亡的人数翻了两番。

　　与人太亲密使治疗难下手

　　治疗真菌感染的药物开发工作一直难以取得进展，因为真菌与人类共享许多特性，从进化的角度来看，真菌比任何其他形式的生命更接近动物王国。如果你把蘑菇放在你的比萨上，蘑菇和你之间就会拥有比番茄酱更多的共同点。同样地，真菌与人类之间的密切关系也更甚于病毒和细菌，这使得抗击真菌感染成了一个棘手的课题。

　　与其他种类的细菌不同的是，无论真菌还是人都是真核生物。他们的共性是，其细胞都有一个细胞核，而细胞核都有自己的细胞膜。事实上，由于真菌细胞与动物细胞太像了，因此关于人类生命的很多基本知识，都是从对面包师所用的酵母所进行的研究中收集来的。

　为了对抗感染，抗菌药物往往会利用入侵生物体细胞和人体细胞之间的一些分子差异。但是，在真菌治疗过程中，人体组织更可能发现将自己推入了火坑之中。虽然越来越多的现代抗真菌药物与其“前辈”相比要温和些，但首个得到广泛使用的抗真菌剂——两性霉素B却是以剧毒闻名天下。

　　美国威斯康星大学麦迪逊分校的布鲁斯·克莱因说，“当我们进化得如此相似时，我们就很难获得仅针对真菌的药物”。治疗细菌感染的药物往往瞄准的是细菌细胞膜内的分子。但是，如果药物对真菌膜展开攻击，治疗过程也往往会伤到人体细胞。

　　先天免疫是抗真菌先遣队

　　但是，人体和霉菌之间还是有区别的。最值得注意的是，真菌细胞将它们自己遮蔽在一个坚硬的外壁中，以抵御湿度和温度的突然变化。

　　真菌细胞壁正是人类与真菌的主要不同之处。美国马萨诸塞大学医学院的斯图尔特·列维茨认为，细胞壁虽然保护真菌免受外界环境的侵扰，但它也可成为其致命的弱点。

　　至少对免疫系统来说，真菌细胞壁的最重要的基础结构是称为β-葡聚糖的大葡萄糖分子。近年来，研究人员已着手编制一份可识别真菌β-葡聚糖分子并与之反应的人体免疫细胞表面受体分子的细目清单。受体扮演着门卫的角色，将细胞的外部与其内部运作联系在一起。通过检查这些受体，研究人员即可“窃听”人体与真菌之间的分子串扰。

　　研究发现，真菌刚进入人体时，防御力量主要依赖于“先天免疫”，常规上，这个如鸟枪般的免疫反应可征募某些类型的白血细胞发现和摧毁入侵者。“适应性免疫”则是另一类免疫，需要较长的时间才能施展拳脚，过程涉及专门对抗感染的白血球细胞（T细胞），并针对特定目标产生抗体以提供长期防护。

　　虽然人类产生大量的抗真菌抗体，但先天免疫被认为是对真菌发起攻击的先遣队。这个基本的防御机制在整个动物王国均可发现，甚至连马蹄蟹都使用先天免疫能力保护自己免受真菌的侵袭。

　　科学家们推测，一个理性的真菌不会像其他微生物那样给人类带来如此多的疾病，因为“我们的先天免疫力进化得非常非常之好，因此人体能够识别真菌，并以各种不同的机制对真菌做出反应”。由此带来的结果是，真菌并没有进化成像细菌、寄生虫和病毒那样显著的人类病原体。而植物就没有这么幸运，尽管植物和真菌具有长期和密切的互动关系，但真菌是显著的植物病原体，每年毁掉的世界收成占到了百分之十左右。

　　遗传缺陷让真菌有机可乘

　　在识别真菌的蛋白质中最重要的一类是Toll样受体，之所以如此命名，是因为它们类似于一个被称为Toll的果蝇分子。作为受体，它们会在遭遇来自真菌和细菌的蛋白时开启，并关闭细胞内的其他反应。一个法国研究小组1996年在《细胞》杂志上发表报告称，Toll受体基因发生突变的果蝇会异常容易地感染曲霉属真菌。在人类白血细胞中，尤其是两个Toll样受体——TLR2和TLR4似乎就卷入了身体与真菌的鏖战之中。

　　2008年，美国弗雷德哈钦森癌症研究中心的科学家在《新英格兰医学杂志》上发表的一项研究成果证明，TLR4具有抗真菌的作用。研究人员对接受骨髓移植后又发生曲霉属真菌感染的患者进行了研究分析。在一般情况下，约10%到15%的移植患者会发展成危及生命的曲菌病，但现在尚不清楚为什么其他85%至90%的患者能逃过此劫。

　　研究人员发现，一个遗传基因引发了已病者体内的TLR4发生故障。科学家们认为，如果没有一个正常的TLR4，这些患者的免疫反应或许就已被削弱。对造血干细胞捐赠者的此一突变进行基因检测，或许有一天就能确定哪些患者在移植后需要特别的照顾或注意。

　　《新英格兰医学杂志》去年发表的两份研究报告也描述了遗传缺陷会导致真菌疾病易感性的增加，证实其他受体在真菌防护中的作用。其中一个便是dectin-1，dectin-1于2001年被首次确认为真菌防御的关键因素。Dectin-1伙同TLR受体可制造出既能攻击真菌又能部署其他白血细胞协助抵抗感染的物质。

　　去年10月，一个国际研究小组对一个特殊家族进行了遗传学研究。在该家族中，其他方面均为健康的妇女似乎特别容易在阴道、手指和脚趾部位发生慢性念珠菌感染。研究人员发现，是一种遗传性基因改变导致了dectin-1缺陷。

　　第二个研究小组则调查了另一个家族，该家族的成员容易周期性感染念珠菌，有时甚至是致命的。英国伦敦大学学院主导的一个研究小组发现，另外一种遗传突变也可使一个人更易遭受真菌感染的侵害。当dectin-1检测到真菌时，它会激起一个链式反应，将免疫细胞设置在战斗模式。研究人员发现，突变会干扰该链中的一个环节，也就是一个被称为CARD9的分子。在这种情况下，dectin-1虽然被正确触发，但该机制堵塞了之后更远的路线。

　　虽然这样和那样的发现为理解免疫系统如何工作带来了新的认识，但人们对于人体究竟如何处理与真菌关系等更多问题仍是云里雾里。最令科学家揪心的问题则是，与宿主细胞关系如此紧密的这些生物体是如何做到在不触发警报的情形下生存和繁衍的。

　　真菌披着“隐形斗篷”

　　于是，研究人员将研究重点主要放在了会引发肺部感染的组织胞浆上。这类真菌孢子生长在被称为巨噬细胞的白血细胞内。巨噬细胞是一种先天免疫细胞，负责摧毁像真菌这样的入侵微生物。

　　虽然组织胞浆使用的隐形策略在很大程度上依然是一个谜团，但科学家最近报告说，曲霉属真菌也许能躲开免疫系统，它从哈利波特那里借来了工具：隐形斗篷。

　　虽然人体吸入的每立方米空气中可能包含一千个甚或更多的曲霉属真菌孢子，但免疫系统似乎都不会察觉到。科学家们一直不清楚这到底是为什么。终于，在2009年8月的《自然》杂志上，法国巴斯德研究院的研究人员给出了一个解释：人体的免疫系统无法对孢子作出反应，是因为免疫系统根本不知道它们的存在。通常情况下，孢子外层覆有一层小纤维茸，也称为“棒形层”。在小鼠实验中，研究人员发现纤维本身并不刺激免疫系统。然而，当研究人员从细胞外层去除这些纤维茸时，裸露的孢子激起了强烈的免疫反应。

　　由此看来，棒形层可能允许真菌孢子隐藏在体内，一直等到有利于发芽（如死亡）的条件出现。研究人员还发现，当曲霉属真菌孢子开始生长时，外覆层会瓦解，免疫系统此时就开始发威。

　　不要小瞧任何一种真菌

　　科学家们最近还发现某些真菌还有其他的诱骗技巧。在今年3月18日的《自然》杂志上，研究人员揭示，一种能够攻击植物的真菌属成员可彼此传递基因，而这种横向传递能力被认为几乎只可发生在细菌中。这一发现意味着，能够对药物产生基因抗性的真菌在理论上可与邻近生物体共享此一秘密。

　　更令研究人员震惊的是，这些真菌交换基因简直轻而易举。研究人员只是把不同的真菌基因样本并排放在培养皿中一起培养，就跟踪到了基因的转移。这跟大自然中发生的情形没有太大不同。

　　虽然没有人知道是否还有其他真菌也能如此轻易地共享基因，但此项发现强化了绝不应低估任何一种真菌的思想。为了成功地征服感染，下一代疗法必须做到一次击中多个目标。

　　有研究人员将目前的真菌治疗方法比作上世纪60年代和70年代的癌症疗法，那时大部分癌症疗法的设计将快速增长的细胞而不是特定的癌细胞作为靶标。今天，医生拥有的很多药物可集中火力攻击恶性肿瘤细胞的特殊缺陷，药物鸡尾酒处方也可使几种癌症机制同时失效。真菌感染似乎有类似的复杂性，包括共享非靶标细胞的特性等，因而也将需要同样复杂的治疗方案。