原文题目:Impact of pulmonary African trypanosomes on the immunology and function of the lung
通讯作者：Guy Caljon
隶属单位：微生物学、寄生虫学和卫生学实验室，安特卫普大学英弗拉医学卓越中心
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-34757-w
布氏锥虫是一种专性细胞外寄生虫，会导致人类非洲锥虫病（HAT）或昏睡病。该病仅限于采采蝇传播媒介（舌蝇属）的撒哈拉以南非洲地区。在被感染的采采蝇叮咬后，将感染性亚环锥虫（MCF）注射到哺乳动物宿主的皮肤中。它们从皮肤微环境进入淋巴系统并在血液中定植（I期）。在疾病进一步进展后，寄生虫侵入中枢神经系统（II期），引起一些严重的神经系统症状，包括典型的昼夜节律紊乱和死亡。目前可用于治疗HAT的疗法数量有限，并且面临毒性和耐药性的限制。非昔硝唑（首个全口服治疗）的实施，以及使用阿考齐硼罗进行单日口服治疗的前景，可能会彻底改变未来HAT治疗的性质，特别是在尽管进行了数十年的重点研究，但缺乏保护性疫苗的情况下。消除的主要挑战仍然是对感染免疫学的了解仍然有限，以及存在维持传播的无症状携带者。
图1：布氏锥虫感染小鼠的感染动态。
最近对组织驻留锥虫的研究已经确定真皮是以前在无症状个体中被忽视的宿主，它在维持传播周期方面起着重要作用。发现皮肤寄生虫与支持这种特殊嗜性的脂肪细胞错综复杂地相互作用。采采蝇介导的人造人皮肤感染表明，在皮肤中建立增殖性锥虫群后，寄生虫似乎进入以复制缓慢和新陈代谢减少为特征的静止状态，这可能反映了无症状个体中炎症水平低和持久性的感染。实验性小鼠感染表明，其他组织也可以被严重寄生。脂肪组织中含有大量寄生虫，这些寄生虫在代谢上与细胞外血流形式（BSF）不同。这些对当地环境的代谢适应使得使用宿主脂肪酸作为碳源，可以参与与昏睡病相关的体重减轻。
在疾病的血淋巴阶段，患者表现出非特异性症状，如发烧、头痛、关节疼痛和全身不适。除了与 II 期 HAT 相关的特征性神经系统体征外，患者偶尔还表现出器官特异性症状，例如淋巴结肿大以及寄生虫诱导的免疫应答引起的组织损伤引起的肝脾肿大。一个被低估的方面是，很大一部分HAT患者也患有呼吸道症状。在坦桑尼亚和乌干达，超过20%的II期患者报告出现咳嗽（20%）或呼吸困难（7%）。虽然大多数严重呼吸困难病例通常归因于心功能不全，但继发性病毒/细菌/真菌感染的作用在很大程度上仍然未知。细菌性支气管肺炎是动物锥虫病的并发症之一。
图3：布氏锥虫感染小鼠肺组织的组织病理学分析。
研究人员目前对Glossina morsitans叮咬自然感染后小鼠的布氏锥虫感染的工作将肺组织确定为迄今为止被忽视的生态位，在早期和已建立的感染期间都存在高寄生虫负担。研究人员特别关注这种组织在感染期间的重要性以及相关的免疫和功能变化。
由于基于病媒控制、被动和主动病例发现以及治疗的巨大控制工作，报告的昏睡病病例数量迅速下降。这激励了世卫组织设定到2030年gHAT零传播的目标。虽然这似乎触手可及，但需要保持警惕，因为仍然存在可能危及这一目标的重要知识差距。对于gHAT来说，问题仍然是寄生虫在流行期间的居住地。这可能部分归因于无症状携带者，由于缺乏症状和血液中通常无法检测到的寄生虫水平而未被诊断出来。发现锥虫在脂肪组织中显着积累以及定植各种其他组织，显示了对这些组织环境的具体适应。最近对实验感染小鼠的研究和对人类皮肤活检的回顾性分析确定真皮是以前在无症状个体中被忽视的宿主。皮肤驻留锥虫形成一个静止的群体，在无症状个体中持续存在，可以被采采蝇恢复以继续疾病传播。平均而言，20%的皮肤寄生虫是树桩形式，以前被认为是唯一的昆虫感染阶段，尽管最近的观察表明，增殖的细长阶段寄生虫也可以有效地感染采采蝇载体。
图4：布氏锥虫感染小鼠肺组织的免疫细胞组成。
研究人员目前的研究已经确定肺部是自然发作期间和整个布氏绦虫感染期间寄生虫增殖的部位。根据体内机械肺功能测量的金标准，发现肺寄生虫嵌入组织中，在血管外空间积极繁殖并引发免疫反应，对生理功能的影响有限。这种现象以前在皮肤中被描述过，尽管寄生虫负担很高，但病理后果仍然有限。有限的器官特异性病理学可能是最近才认识到皮肤和肺部作为靶器官的相对重要性的根本原因。尽管20%的HAT患者患有呼吸道症状，但肺寄生虫嗜性的作用在很大程度上仍未得到探索。
扫描电子显微镜显示寄生虫定位在肺泡和支气管血管周围的固有层中。靠近内皮可能允许内皮细胞通过转吞作用从血液中摄取营养。高氧张力可能会影响肺寄生虫的代谢特征和潜在的昼夜节律差异，如微丝蚴所述。锥虫似乎嵌入在网状纤维和胶原束中，这种亲和力在多个组织中描述，包括心房，皮肤和感染性咬伤部位的真皮溃疡（称为下疳）。肺寄生虫聚集在巢穴中并释放可能参与细胞间通讯的EV。据研究人员所知，尚未在体内环境中记录。感染皮肤的类似超微结构研究无法揭示在肺部和体外观察到的相对频繁的EV释放为串珠。这些EV反复在鞭毛和细胞体的边界处观察到，并且经常起源于鞭毛袋的入口。电动汽车具有多种功能，可以参与寄生虫通讯和与免疫细胞的相互作用。这些囊泡与邻近寄生虫的融合允许脂质和蛋白质的转移，有助于寄生虫毒力。寄生虫之间的细胞间通讯甚至可以将血清抗性因子从人类致病菌株转移到非致病菌株。EV的释放还调节宿主免疫反应，有利于锥虫复制。广泛的EV释放和代谢适应对肺部高氧张力的生物学重要性仍有待了解。
如组织病理学和流式细胞术分析所示，肺部寄生虫的存在与白细胞涌入所反映的显着炎症反应相吻合。一般来说，感染时被肺组织吸引的大量免疫细胞似乎并不妨碍寄生虫的复制，正如许多带有双鞭毛的寄生虫所证明的那样。对免疫细胞亚群的详细研究标志着中性粒细胞和Ly6C单核细胞的增加，这在皮肤和脾脏中已有描述。尽管已知中性粒细胞会迅速募集，并且单核细胞表现出更缓慢的增加，在急性感染阶段（10 dpi）未观察到肺部明显的中性粒细胞流入，但仅在感染后期（21 dpi）出现。肺转录本数据的GO分析证实了这一点，其中中性粒细胞趋化性和迁移仅在21 dpi时明显。中性粒细胞在许多呼吸系统疾病中发挥重要作用，从哮喘到细菌/真菌性肺炎和肺癌，并且通常与病理学有关。尽管中性粒细胞大量流入21 dpi，但使用最先进的体内肺功能测量在研究人员的布氏锥虫感染模型中没有观察到功能缺陷。鉴于中性粒细胞在促进早期感染中的作用，有必要进一步研究中性粒细胞的局部活化和影响。在10 dpi时，观察到嗜酸性粒细胞数量惊人地下降，并且对死细胞群（DAPI）的评估无法解释这种细胞类型几乎完全不存在的原因。基于感染肺组织转录数据的细胞类型图谱也显示第10天嗜酸性粒细胞也有类似的减少。嗜酸性粒细胞在蠕虫感染中得到了广泛的研究并且它们在防止肺部真菌感染方面的重要性已被记录在案。此外，嗜酸性细胞减少症先前已被证明是急性炎症和血流感染的常见特征。同样在 COVID-19 患者中，经常观察到嗜酸性减少症，并赋予患重症和需要入住重症监护病房的更高风险。嗜酸性粒细胞在布氏锥虫感染期间是否起主要作用仍然未知。先前的研究已经确定了肺部嗜酸性粒细胞的两个亚群：常驻嗜酸性粒细胞和炎性嗜酸性粒细胞。缺乏常驻嗜酸性粒细胞的小鼠表现出Th2细胞反应增加可能促进寄生虫扩增，致病性低。到21 dpi时，嗜酸性粒细胞被补充到正常水平。
图5：布氏锥虫感染肺组织的转录组。
对布氏锥虫感染肺组织的转录组的分析显示，IFN-γ和Th1促炎反应占主导地位，如前所述。此外，转录本分析指出了先前描述的γδ T细胞的整体诱导方向，该细胞在锥虫耐受动物的疾病控制中发挥作用。细胞反卷积提供非常强大的支持（p 值<10−4至<10−6） 用于诱导 γδ T 细胞，这种细胞类型已知通过产生 IL-17 和中性粒细胞募集来调节受感染肺部的细菌清除，并通过 IL-22 防止肺纤维化。在研究人员的肺转录组数据中，未发现Il17和IL22在锥虫感染时上调。细胞免疫分析证实γδ T细胞数量与CD4 CD25 αβ T细胞一起显着增加。由于CD4 CD25αβ T细胞的增加不伴有Foxp3上调，这表明活化T细胞而不是调节性T细胞的存在增加。几个免疫检查点基因的显着上调可能有助于控制T细胞的活化和增殖以及抑制T细胞，这是锥虫病的标志。这种调节对于控制炎症和组织损伤可能很重要，因为CXCR6 CD4 T淋巴细胞的积累在诱导肝脏病理和早期死亡方面至关重要。在肺部病理学中的作用仍有待了解。细胞反卷积分析显示，感染时M1巨噬细胞明显极化，这是初始寄生虫控制所必需的，通过诱导IL-10在疾病进展时M2逐渐增加，以防止组织损伤。在感染早期也观察到嗜酸性粒细胞的暂时减少和NK细胞的活化。在淋巴部分，记录了NK细胞和B220 IgM B细胞数量的下降。在布氏锥虫感染小鼠的脾脏中观察到类似的NK1。1细胞减少。B220 IgM B 细胞的下降与几个 B 细胞受体相关基因的转录减少相结合，表明寄生虫消耗了肺 B 细胞区室。细胞反卷积进一步确定了记忆B细胞减少的影响。在布氏锥虫感染期间，B细胞的快速消耗已在其他组织中得到广泛证实。这些影响可能会影响对（疫苗可预防的）机会性病原体的易感性。与RSV的混合感染实验表明，锥虫感染改变了病毒感染动力学，导致对照小鼠清除感染的时间点病毒水平高。在肺合并感染模型中也观察到总细菌负荷的时间差异。这些实验观察结果支持锥虫可能影响对病毒或细菌肺部感染的易感性这一观点。
图7：布氏锥虫感染肺组织的基因本体分析和细胞类型图谱。
总之，研究结果将肺定义为布鲁氏绦虫的重要寄生虫宿主组织。锥虫可以在血管外寄生虫巢中找到，有趣的是显示出EV分泌和与胶原蛋白的显着相互作用。高肺负荷可能是大约百分之二十的患者出现呼吸道症状的原因。令人惊讶的是，布氏锥虫小鼠模型中的肺部炎症并未导致感染相关的肺功能障碍，这可能反映了患者中更常见的无症状肺部感染。嗜酸性粒细胞，NK细胞和B细胞的数量大幅减少可能使个体更容易受到机会性感染。这些发现将引发对锥虫病期间观察到的肺部免疫变化的寄生虫学适应和影响的进一步研究。这种具有高锥虫水平的组织迅速和永久定植，也可能刺激探索新的诊断方法来识别无症状携带者。
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