肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae, K. pneumoniae），革兰氏阴性，是引起肺炎的人类呼吸系统的主要病原体之一，可以自然存在于健康个体的肠道和呼吸道中。K. pneumoniae在人宿主中有两个主要的定植渠道：上呼吸道和肠道。K. pneumoniae建立定植必须与这两个位置的微生物群和免疫系统建立的防御系统抗衡。根据肺炎患者不同的诊治需求及预后，将患者划分为三个亚类：呼吸机相关性肺炎（VAP），指气管插管后超过48~72h发生的肺炎；医院获得性肺炎（HAP）是指患者入院48～72h以后发生的肺炎，并认为患者在入院时不处于感染的潜伏期内；卫生保健相关性肺炎（HCAP），指患者曾住过养老院，已经接受过静脉抗生素治疗、化疗或在近30天内接受过伤口护理，在过去90天内曾在急诊医院住院治疗>48h，或在最近30天内到过医院门诊部或血液透析中心。K. pneumoniae sequence type 258 (Kp ST258）是HCAP（healthcare-associated pneumonia）的主要原因【1】，经常使SARS-CoV-2感染过程复杂化，并造成较高的发病率和死亡率【2-3】。革兰氏阴性病原体通常被认为可以引起强烈的脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）介导的、与高效病毒清除相关的促炎免疫反应，而Kp ST258则引发更惰性的感染过程并具有致死性【4-5】，目前尚不清楚它是如何引起长期感染的。
2022年4月11日，来自美国哥伦比亚大学的Alice Prince团队在Cell Metabolism杂志在线发表了题为Klebsiella pneumoniae induces host metabolic stress that promotes tolerance to pulmonary infection 的文章。研究人员发现，高度流行的耐多药肺炎克雷伯菌ST258菌株（K. pneumoniae sequence type 258, Kp ST258）可以诱导宿主谷氨酰胺分解、脂肪酸氧化以及氧化生成代谢途径的活化。这种代谢环境的改变促进宿主免疫抑制，并通过激活细菌VI型分泌系统（T6SS）来驱动病原体适应生存。该研究为感染相关疾病提供了新的治疗策略。
Kp ST258引起的免疫反应中的主要成分是单核细胞（表达未成熟的骨髓来源的抑制细胞（myeloid-derived suppressor cells, MDSCs）的表面标志物【6】），这些细胞通常来自肿瘤形成的局部微环境，并与免疫抑制和肿瘤进展有关【7】。作者推测细菌代谢同样会影响在肺部诱发的宿主代谢反应的性质，这反过来又会引导先天免疫信号传导和细菌适应。因此，在这项研究中，作者从主要代谢角度来探究Kp ST258的感染机制。
首先，作者检测并分析了Kp ST258分离物MKP103【8】或高毒性Kp菌株KPPR1【9】感染的小鼠气道中的代谢产物，发现MKP103感染后的代谢组与单独用KPPR1或LPS感染的代谢组完全不同：MKP103感染后，L-谷氨酸（L-glutamic acid）、中链脂肪酸衍生物棕榈酸盐（palmitate）和癸酸酯（decanoates）增加，进而导致葡萄糖耗竭、谷氨酰胺分解（glutaminolysis）和脂肪酸b-氧化（fatty acid b-oxidation, FAO）的产物增加；尿素循环（urea cycle）和精氨酸（arginine）、酮体（ketone bodies）、天冬氨酸（aspartate）、苯丙氨酸（phenylalanine）和谷胱甘肽（glutathione, GSH）代谢均活化增强。作者通过对受感染肺部进行解吸电喷雾电离质谱（desorption electrospray ionization mass spectrometry, DESI-MS）成像，证实了两种Kp菌株感染后的代谢反应的显着差异。线粒体代谢物衣康酸盐（itaconate，Irg1/Acod1的产物，与FAO介导的ROS产生有关，在抗炎反应中具有重要作用【10】）在活MKP103感染期间也尤为突出。这些数据说明，具有代谢活性的MKP103诱导了一种独特的代谢响应：glutaminolysis和FAO增加。进一步分析显示，MKP103 感染引起的独特代谢组并不是由菌株间LPS的差异导致的。
受感染气道中的代谢物是由宿主和病原体共同产生的，但通过检测缺乏细菌脂肪酸氧化和合成的MKP103突变体（改变菌株自身的代谢）的感染能力和代谢组，作者发现细菌代谢活动本身并不是气道代谢组差异的主要来源。为了确定宿主是否通过激活glutaminolysis和FAO以响应MKP103感染，作者用谷氨酰胺酶-1（glutaminase-1）的抑制剂BPTES和肉碱棕榈酰转移酶-1（carnitine palmitoyltransferase-1) 的抑制剂etomoxir处理小鼠。结果显示，抑制剂治疗后的小鼠具有较高的细菌负荷和促炎细胞因子，而气道中的吞噬细胞募集没有明显改变。在治疗小鼠的肺部观察到GSH和itaconate（由MKP103感染激活的宿主抗氧化反应的主要成分）的诱导降低。这些数据表明，宿主对MKP103感染的响应主要决定了气道中的免疫代谢环境。作者使用单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）定义了小鼠肺部组织中的免疫细胞群，包括单核细胞MDSCs（M-MDSCs）和粒细胞MDSCs（G-MDSCs），并确定了响应感染或LPS刺激的细胞数量。结果表明，与LPS刺激相比较，MKP103感染招募较少的M1型骨髓细胞（M-like myeloid cells），更多的MDSCs。
Itaconate在MKP103感染气道中的富集促使作者进一步去分析它在感染中的作用。与野生型小鼠相比，Irg1-/-小鼠气道中弥散到脾脏的细菌载量显著增加，细胞因子诱导也增加；Irg1-/-感染小鼠的疾病耐受性减弱；Irg1-/-小鼠肺组织中与炎症和应激反应相关的基因表达显着增加，包括il6、atf3/4及其负反馈调节因子trib3；在没有Irg1的情况下，MDSCs的数量减少，特别是G-MDSC，肺部肺泡塌陷和水肿增加。这些结果表明，itaconate抑制过度炎症，促进细菌持续存在，并使宿主耐受这种感染，Irg1的表达指导宿主响应MKP103。
最后，作者发现，与体外生长的MKP103相比，从感染小鼠肺部获得的MKP103的基因表达发生了巨大变化：上调基因包括那些参与抵消氧化应激或对氧化剂诱导的DNA或蛋白质损伤作出反应的基因。其中T6SS基因得上调引起了作者得关注。T6SS主要以其杀死细菌竞争对手的功能而闻名，但它也可以感知和响应氧化剂应力。在体外，T6SS基因表达在H2O2刺激下呈剂量依赖性增加。在体内，从小鼠肺部收获的细菌中T6SS基因表达增加，在用NAC（antioxidant N-acetyl cysteine, 抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸）治疗小鼠后，T6SS基因表达显着降低。随后，作者证实了Kp T6SS在体内的重要性。ΔtssM-2突变体（T6SS功能失活）虽然感染WT小鼠的能力没有受损，其感染Irg-/-小鼠的能力显著减弱。因此，MKP103在气道感染期间产生的氧化应激增加的情况下特异性激活T6SS基因的表达。
总的来说，该研究将原位代谢成像和转录分析相结合，证明Kp ST258激活了宿主glutaminolysis和FAO，这些途径通过OXPHOS产生ROS，进而创造了一种微环境，有利于巨噬细胞极化和免疫抑制MDSC的积累。与成熟的嗜中性粒细胞和单核细胞不同，这些细胞不会积极参与细菌清除，反而会产生itaconate，进一步限制炎症（图1）。因此，Kp ST258之所以能在医院环境中生存，其主要原因是细菌在宿主中激发的代谢活动促进了疾病的耐受性（一种旨在限制病原体诱导的组织损伤的固有的宿主反应，确实被各种病原体利用，使它们能在宿主中持续存在）。该研究也存在一定的限制性：（1）肺炎小鼠模型不能完全代表人气道复杂的免疫代谢环境，使用人类样本进行更全面的研究将强化当前研究的结论；（2）Kp感染期间气道代谢环境错综复杂，ROS以外的其他代谢产物也可能刺激Kp T6SS表达和细菌适应。
图1
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.03.009
参考文献
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10. Hooftman, A., Angiari, S., Hester, S., et al. (2020). The Immunomodulatory Metabolite Itaconate Modifies NLRP3 and Inhibits Inflammasome Activation. Cell Metab. 32, 468-478.e7.
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