撰文

Qi细菌经常面对各种各样的捕食者，比如噬菌体、其他细菌以及真核生物。作为细菌和它们的捕食者之间持续军备竞赛的结果，细菌已经进化出复杂的防御机制以避免被捕食，比如形成的生物被膜（biofilms）可使细菌对抗生素具有高度耐受性，还能通过阻碍识别或减少促炎反应使细菌逃脱人类宿主的免疫系统。霍乱弧菌是生物被膜研究的模式生物，定植于小肠导致上皮细胞的破坏和炎症反应的建立，不同类型的免疫细胞便会趋向于反应部位，但霍乱弧菌如何在细胞水平上与免疫细胞相互作用，以及生物被膜是否在这种相互作用中起作用，目前尚不清楚。近日，来自德国马尔堡-菲利普大学的KnutDrescher团队在Cell杂志上发表了文章BiofilmformationonhumanimmunecellsisamulticellularpredationstrategyofVibriocholerae，他们通过研究霍乱弧菌和免疫细胞的相互作用，发现了一个意想不到的现象，即霍乱弧菌通过形成生物被膜在白细胞附近建立高浓度的特定毒素以加强对免疫细胞的杀伤。因此，生物被膜的形成对于霍乱弧菌而言，不仅是“被动防御”的盾牌，更是“主动出击”的长矛，颠覆了人类免疫细胞作为猎人，而细菌作为猎物的传统观点。为了探索先天和适应性免疫系统的细胞与霍乱弧菌之间的相互作用，研究人员从人类血液中分离出白细胞并暴露于霍乱弧菌，可以观察到细菌迅速附着于免疫细胞表面，几小时后免疫细胞死亡，随后聚集的细菌分散，通过单细胞分辨率的活细胞显微镜追踪，发现白细胞表面形成的生物被膜主要来自于细胞分裂而非持续的细菌聚集。为了了解霍乱弧菌如何与人类白细胞互动，作者利用RNA-seq对共培养期间的细菌转录组进行检测，鉴定出个明显上调的基因，其中，编码鞭毛和甘露糖敏感血凝素（MSHA）菌毛的缺失突变体对于共孵育的第1小时内附着于巨噬细胞来说必不可少，而在几小时后依然能附着，这取决于TC菌毛及其主要菌毛蛋白TcpA和分泌的TcpF蛋白。为了了解生物被膜从巨噬细胞表面分散的机制，作者调查了分散过程中的不同基质成分，发现TC菌毛影响被膜的稳定性和结构，此外，已知的可以调节生物被膜在非生物表面形成和分散的第二信使分子c-di-GMP也同样控制在巨噬细胞表面的形成和分散。图1.霍乱弧菌在人白细胞上形成生物被膜后免疫细胞死亡，随后生物被膜解散。细菌附着于白细胞表面并形成厚厚的一层生物被膜的目的是什么呢？经检测，被膜并不影响细胞因子的分泌和释放，于是推测可能有助于霍乱弧菌对白细胞的杀伤。作者发现霍乱弧菌中编码毒素的基因在共培养期间发生不同程度的转录变化，构建相应的缺失突变体发现，缺乏HlyA毒素的霍乱弧菌引起的巨噬细胞死亡明显减少，过表达HlyA则能恢复杀伤表型，而其他毒素的敲除并未引起明显变化。生物被膜的形成在此过程中的作用可以理解为，当它存在时，HlyA聚集在巨噬细胞表面和附近，当生物被膜的形成缺陷时，产生的HlyA含量明显减少，提示生物被膜能增强霍乱弧菌在巨噬细胞表面附近建立高浓度HlyA毒素杀死巨噬细胞的能力。HlyA作为一种成孔毒素，能引起巨噬细胞内容物外流，那么霍乱弧菌是否能利用这些成分来促进自身的增殖？通过监测细菌在巨噬细胞产生的裂解液存在下的生长情况，发现霍乱弧菌以裂解液浓度依赖的方式显示出增强的生长，因此，霍乱弧菌不仅杀死巨噬细胞，还会掠夺其生长资源。霍乱弧菌在人类小肠内的致病机制依赖于肠道上皮的定植，这种定植会导致感染部位上皮屏障的破坏和免疫细胞的浸润。为了研究霍乱弧菌在定植和突破上皮后是否能够在免疫细胞上形成生物被膜，作者构建了一个由人类小肠上皮单层细胞和巨噬细胞共培养模型。在这个共培养模型中，巨噬细胞在肠道上皮单层细胞之下，向单层细胞顶端添加细菌启动感染，并通过延时共聚焦显微镜监测细菌、上皮屏障和巨噬细胞之间的相互作用。在感染期间，他们观察到霍乱弧菌在上皮屏障被破坏后到达基底面并在巨噬细胞上形成生物被膜，如免疫荧光所示，这些生物被膜也拥有一个由MSHA菌毛、TC菌毛和TcpF蛋白组成的基质，如果在这种共培养模型中添加的是缺乏MSHA菌毛、TC菌毛或两者兼缺失的霍乱弧菌突变体，虽然可以附着在上皮细胞上并打破上皮屏障，但在巨噬细胞上的生物被膜形成需要两种菌毛之一的存在。

图2.霍乱弧菌细胞可破坏人体肠上皮屏障并在其下的巨噬细胞表面形成生物被膜。

总之，这项工作表明霍乱弧菌已经发展出一种机制，细菌可以集体行动杀死感染部位的免疫细胞，从而减少周围环境中的吞噬细胞数量。因此，霍乱弧菌并不像其他细菌那样利用生物被膜的形成作为避难所以逃避免疫细胞，相反，它们利用生物被膜作为一种侵略性武器来捕杀免疫细胞。

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