《PNAS》：除HIV抗病毒治疗外，核苷类药物NRTIs还能防止这种并发症
发布日期：2024-02-18
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文章原名“逆转录酶抑制剂在大肠杆菌血流感染期间防止肝脓肿形成”，作者为Karthik Hullahalli。文章2024年1月16日发表在《PNAS》上，PNAS全称为"Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America"，即《美国国家科学院院刊》。
它是一份由美国国家科学院出版的多学科科学期刊，自1915年起出版，覆盖了生物学、物理学、社会科学等多个领域的研究。PNAS是世界上最著名、最受尊敬的科学期刊之一。
本文研究了一类药物——核苷/核苷类逆转录酶抑制剂（NRTIs），在防止大肠杆菌血流感染引起的肝脓肿形成中的作用。研究发现，NRTIs能够抑制内源性逆转录病毒（ERV）的活性，从而减少细胞内DNA的量和降低炎症反应。
研究还探讨了脓肿形成与性别和组织特异性的关系，以及NRTIs在调节炎症过程中的潜在作用。此外，文中还讨论了ERV对宿主健康的双重影响，以及未来研究将如何深入探讨NRTIs和其他抗逆转录病毒药物在治疗由逆转录引起的炎症反应中的潜在应用。
血液中的细菌会引发严重的健康问题。研究显示，在实验小鼠体内，注射大肠杆菌后可能会在肝脏中形成大型脓包。这些脓包内充满了大量的细菌和发炎的免疫细胞，是一种严重的组织坏死现象。不同的小鼠对肝脓包的抵抗力各不相同，但我们还不清楚是什么因素造成了这种差异。
通过研究，我们发现，感染大肠杆菌后，小鼠肝脏中的一种叫做内源性逆转录病毒（ERV）的物质会大量增加，并且这种增加与脓包形成的几率紧密相关。我们推测，ERV产生的一种酶可能导致细胞内DNA的增加，从而加剧炎症反应。
实验中，我们使用了一种药物——核苷/核苷类逆转录酶抑制剂（NRTI），结果发现这种药物能显著防止脓包的形成，并且大大减少细菌数量。这表明，这种药物通过阻止细菌生长所需的组织坏死，来抑制脓包形成。我们的研究结果指出，身体内的逆转录酶在细菌入侵时促进了炎症反应和脓包的形成。
NRTI在防止脓包形成方面的高效表明，我们需要进一步研究逆转录过程对炎症的影响，尤其是在如败血症这类炎症导致严重后果的传染病中。
当我们通过静脉给C57BL系列的小鼠注射大肠杆菌时，发现这些小鼠会在肝脏里形成脓肿。我们的研究发现，这是因为炎症反应为大肠杆菌提供了一个可以繁殖的环境。注射病菌后，免疫细胞会聚集到肝脏，造成肝脏组织死亡。
这些死亡的区域成了细菌繁殖的温床，引发更多免疫细胞的到来和脓肿的形成。因此，如果能减少炎症反应，理论上可以避免脓肿的形成。实际上，那些缺少TLR4（一种细胞表面受体）的小鼠并不会形成脓肿。我们还发现，即便是具有正常TLR4基因的小鼠，不同的品系或性别（特别是雌性）对脓肿的易感性也有所不同，比如C57BL/6N比C57BL/6J更容易形成脓肿。
通过进一步的基因分析，我们发现控制脓肿易感性的因素不止一个，说明形成脓肿的机制非常复杂。在这项研究中，我们专注于雌性小鼠，希望找出影响它们对脓肿易感性的关键因素。
图1 我们的研究发现，内源性逆转录病毒（简称ERV）在小鼠体内的活动水平与它们形成肝脓肿的倾向有关。（A）这个图展示了不同类型的雌性小鼠——BALB/cJ、B6J和B6N——在形成脓肿方面的敏感性有所不同。（B）这是我们进行RNA测序实验的流程图。（C）我们发现，在B6N小鼠中，感染后增加的一些特定基因活动与脓肿形成的可能性紧密相关。这些详细的数据，包括那些非ERV的基因，都收录在了S1和S2两个数据集中。我们使用的基因坐标基于GRCm38参考基因组。（D）这个图显示了在B6J小鼠中，我们识别的与脓肿形成相关的ERV位置形成的一棵树状图。图中粗体显示的是我们这次研究中发现的新位置，括号内的是与之前已知位置相同的。有四个位置缺少一个叫做env的部分，它们与之前已知的ERV不一样。（E）这是我们找到的11个与脓肿形成相关的ERV位置的基因序列与它们各自标准序列的对比。这个对比帮助我们了解这些ERV与脓肿形成之间的具体关系。
研究发现，肝脓肿的形成与内源性逆转录病毒（即体内自然存在的一种病毒遗传物质）的活动有关。当我们给B6N系列的雌性小鼠注射大肠杆菌后，大约90%的小鼠会形成肝脓肿，而BALB/cJ系列的小鼠则完全不受影响。B6J系列的雌性小鼠处于这两者之间，形成的脓肿较少，也不太可能发展成严重状态，这意味着与B6N相比，B6J小鼠体内的细菌数量较少。
为了找出是什么因素控制了脓肿的形成，我们在注射后4小时对这三种不同反应的小鼠进行了肝脏RNA测序分析，这个时间点是在细菌开始大量繁殖之前，但身体的炎症反应已经开始了。
我们预测，那些在感染后活跃度增加的基因，特别是在B6N小鼠中比B6J小鼠更活跃，而在B6J小鼠中又比BALB/cJ小鼠更活跃的基因，可能与脓肿形成有关。通过这样的标准，我们找到了13个基因，但它们似乎并不是共同作用的。
然而，我们又发现了两个特定的基因，它们与内源性逆转录病毒相关。通过深入分析，我们找到了21个来自11种不同内源性逆转录病毒的遗传信息，这些信息的表达量与小鼠形成脓肿的倾向正相关，揭示了这一现象背后可能的生物学机制。
内源性逆转录病毒（简称ERV）是由过去的逆转录病毒感染遗留下来的，它们与动物的基因组一起进化了好几千年。这些ERV可以进行转录，也就是从遗传信息制作出病毒颗粒，并且这些颗粒可以被包装和分泌出来。
它们还可以被转换成DNA，然后再次插入到宿主的染色体中。小鼠体内存在多种类型的ERV，这反映了它们与多种病毒的交战历史。我们对与脓肿形成有关的11种ERV进行了比较研究，发现其中10种与一类特殊的鼠类白血病病毒（MLV）及其相关病毒相似，还有一种则与另一类MLV相似。
其中有四种ERV能编码出完整的病毒，包括所有必要的病毒蛋白。这提示了一种情况，即大肠杆菌的血流感染可能促使这些病毒颗粒的形成，或者导致细胞内DNA的产生。
核苷/核苷类逆转录酶抑制剂可以阻止脓肿的形成
当ERV在小鼠体内进行逆转录时，它们会产生一种叫做细胞质DNA的物质，这种物质能够启动免疫系统的警报，通过一种特殊的细胞内侦测机制发出信号。我们认为，就是这种逆转录酶产生的细胞质DNA，通过激发炎症反应，进而推动了脓肿的生成。
为了验证逆转录过程在脓肿形成中的影响，我们给B6N系列的小鼠使用了一种特殊的药物——核苷/核苷类逆转录酶抑制剂（简称NRTIs），这种药物也常用于HIV的治疗和预防。
通过在接种大肠杆菌的前一天、前四小时、接种后立即以及接种后的第一天，通过腹膜注射含有替诺福韦（Tenofovir/ TDF）、恩曲他滨 (Emtricitabine/ FTC)、齐多夫定(zidovudine/ ZDV)和阿巴卡韦 (Abacavir/ ABC)的药物混合剂（每种药1.6毫克），成功完全阻止了脓肿的形成（见图2A，第3列）。
这种混合药物的高效应也在接种后立即给予一次性剂量时被证实（见图2A，第5列）。为了弄清楚是不是混合剂中某个特定的成分起到了防止脓肿形成的作用，我们尝试了单独使用替诺福韦（Tenofovir/ TDF）/恩曲他滨 (Emtricitabine/ FTC)（这两种药通常联合使用）、齐多夫定(zidovudine/ ZDV)或阿巴卡韦 (Abacavir/ ABC)。
结果表明，没有哪个单一成分能达到混合药物的高效果（见图2A，第7至9列）。但是，当单独使用替诺福韦（Tenofovir/ TDF）/恩曲他滨 (Emtricitabine/ FTC)和阿巴卡韦 (Abacavir/ ABC)，并且剂量提高到与混合剂总剂量相等时，这两种药物都显著降低了脓肿的形成（见图2A，第10和11列）。
给药的时间非常关键，如果在接种后的第一天才开始使用NRTIs，就无法防止脓肿的形成（见图2A，第12和13列）。这表明，使用NRTIs防止脓肿形成需要在感染初期的关键时期内给予适当剂量，这个时期是免疫系统开始应对感染的关键阶段。
由于替诺福韦（Tenofovir/ TDF）/恩曲他滨 (Emtricitabine/ FTC)和阿巴卡韦 (Abacavir/ ABC)单独使用时也能减少脓肿的形成，这表明它们可能通过一些共同的机制发挥作用，可能是影响了某些共同的生物过程，或者正如我们所猜测的，它们直接抑制了体内的逆转录酶。
在实验室的试验中，替诺福韦（Tenofovir/ TDF）、恩曲他滨 (Emtricitabine/ FTC)和阿巴卡韦 (Abacavir/ ABC)这几种药物并没有抑制大肠杆菌的生长（见图2B）。这意味着，这些药物单独发挥作用（见图2A，第10和11列）很可能并不是因为它们能直接消灭细菌。不过，齐多夫定(zidovudine/ZDV)却能强力抑制大肠杆菌的生长（见图2B）。
尽管齐多夫定(zidovudine/ZDV)是NRTI混合药的一部分，但单独使用齐多夫定(zidovudine/ZDV)并没有降低形成脓肿的风险（见图2A，第8列），所以我们可以推断，NRTI混合药的有效性并不仅仅是因为它可以杀死细菌。不过，NRTIs在动物体内可能有独特的抗菌效果。
为了更深入地探究NRTIs的作用是否需要通过杀菌，我们研究了NRTIs是否能防止使用经过甲醛处理（已死亡）的细菌接种后形成的无菌坏死性肝损伤；这些损伤在数量上少于包含活细菌的脓肿，并且在形态上也有明显区别，这可能是因为没有继续的免疫细胞介入，仅由炎症引起的坏死（见图2C，中间行）。
NRTI的治疗阻止了这些坏死性损伤的形成（见图2C，底部行），表明NRTIs实际上是在调节宿主对细菌成分的反应。虽然NRTIs可能在特定条件下增加了动物体内对细菌的杀伤能力，但这些发现更可能表明NRTIs通过阻止那些有助于细菌初期繁殖的坏死过程，来预防肝脓肿的形成。
图2 NRTI药物治疗成功阻止了脓肿的形成。（A）我们对B6N雌性小鼠进行了实验，通过静脉向它们注射了大肠杆菌，并在特定的时间（见下方表格）和剂量（见上方表格）内给予了NRTI药物或是对照药物。结果显示了每个肝脏中的菌落数量，同时标明了哪些小鼠形成了脓肿（用蓝色表示）和哪些没有（用黑色表示），以及形成脓肿的小鼠比例（用红色表示）。使用了单尾Mann–Whitney U测试（用于比较菌落数量）和Fisher精确测试（用于比较形成脓肿的小鼠比例）来计算P值。*参考文献1中的历史数据作为参考。（B）在特定培养基（LB）中，暴露于NRTI药物下大肠杆菌的生长情况（n = 4，表示平均值 ± 标准差）。（C）通过在接种后立即给予一剂量（所有四种药物通过腹腔注射）的NRTI治疗，对于由经过甲醛处理死亡的大肠杆菌所引起的坏死性损伤的形成有显著影响（中间和底部行，用蓝色箭头标示）。同时展示了使用活的大肠杆菌接种产生的脓肿作为对比（顶部行，蓝色箭头）。
我们在这篇文章中证明了，在大肠杆菌引起的血流感染中，NRTIs能有效防止肝脓肿的形成。我们认为，NRTIs能够抑制内源性逆转录病毒（ERV）的逆转录活动，这一过程减少了细胞内DNA的含量，同时也减轻了引发炎症的反应。
考虑到形成脓肿的过程既与身体的特定组织相关，也受到性别的影响，我们推测ERV在不同性别和组织中的表达及其后续的信号传递可能有所不同。未来的研究方向将集中于深入探讨ERV和NRTIs是如何影响炎症过程的。
保持体内平衡时，控制内源性逆转录病毒（ERV）的活性是非常关键的，因为病毒特征或ERV引起的基因插入突变可能会引发自身免疫性疾病或是癌症。例如，在小鼠中，一种与红斑狼疮相似的病状就与控制ERV表达的SNERV1/2基因的变异有关。
但是，在感染过程中，ERV和其他可能的逆转录元素可能会通过激活识别核酸的免疫反应来加剧炎症。在我们研究的肝脓肿模型中，炎症导致肝细胞死亡，这有助于细菌增殖。不过，在其他类型的感染中，由逆转录触发的炎症反应可能有助于控制病原体。
这意味着，ERVs和NRTIs对宿主的好处或坏处很可能取决于具体的情况。我们的研究结果显示，NRTIs和可能的其他抗逆转录病毒药物在治疗那些可能由逆转录引起不良炎症反应的其他疾病时，应该被重新考虑。
注释：
NRTIs：代表“Nucleoside/Nucleotide Reverse Transcriptase Inhibitors”，即“核苷/核苷类逆转录酶抑制剂”。这是一类药物的名称，用于治疗HIV感染以及其他病毒引起的疾病，通过抑制病毒的逆转录酶来阻止病毒复制。
ERV：指的是“Endogenous Retroviruses”，即“内源性逆转录病毒”。这些是在宿主基因组中可以找到的逆转录病毒序列，是过去感染事件的遗留物，它们可以影响宿主的基因表达和功能。
SNERV1/2：这可能是特定研究中提到的基因或基因组的名称，指编码可以抑制ERV表达的蛋白的基因。这是专有名词的缩写，具体含义需要根据原文或相关科学文献来解释。
信息来源：January 16, 2024 https://doi.org/10.1073/pnas.2319162121 Reverse transcriptase inhibitors prevent liver abscess formation during Escherichia coli bloodstream infection
信息来源：【互联网】
排版编辑：【高翔】
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