邀生 壁 年9月第3卷第3期Journal ofMicmhes.衄d h 6on “纳米细菌"与疾病的研究进展 区德明廖贵清 20世纪80年代后期,芬兰科学家Kajander等在 进行哺乳动物细胞培养时,用透射电子显微镜扫描 Nil的分离、培养与鉴定 通常采用纳米孔径滤膜法分离NB,采集血液、 检查时发现细胞内存在一种超微结构。1990年他 正式将这种原核微生物命名为“纳米细菌” (nanobacteria,NB),并申请了专利,后来将其称为“钙 化性纳米颗粒”(calcifying nanoparticles,CNP)。NB能 在菌体周围产生矿化外壳,作为结晶核心,导致被感 染组织或细胞发生病理性钙化。NB及其生物矿化 作用的发现,为人类多种病理性钙化疾病的研究提 供一个新的切入点,越来越受国内、外学者的关注。 由于体积显著低于理论上细菌的下限,其存在与否 引起了广泛争论,成为当前研究的一个热点问题。 本文对NB的生物学特征、与疾病的关系及存在的 争议等作一综述。 Nil的微生物学特征 NB属革兰阴性菌,呈球状或球杆状,无荚膜与 鞭毛,直径80~500 Bin,能通过0.22 tan的滤膜,菌 体周围有一层厚薄不一的矿化外壳。DNA基因序 列分析表明,NB与蛋白细菌家族 亚群的布鲁菌、 巴尔通菌同属,具有相同的16S rRNA片段。NB新 陈代谢率极慢,仅为大肠埃希菌的1/10 000,在有血 清和无血清的细胞培养基中,NB平均倍增时间分别 为3 d和6 d。NB的矿化外壳使其在高温、强酸等 条件下仍能存活,高剂量7射线(25~35 kGy)在室 温下照射16 h,能抑制其生长L1 J。许多抗生素治疗 对其无效或在超出生理浓度下才能起抗菌作用,但 四环素、呋喃妥英、甲氧苄啶等能在生理浓度下起灭 菌作用,而氨苄西林、氨基糖苷类及万古霉素能在生 理浓度下起抑菌作用,5.氟尿嘧啶能抑制其繁殖。 此外,氨基己酸、柠檬酸盐、乙二胺四乙酸(EDTA)、 阿糖胞苷能抑制NB的矿化作用,而不影响其生长、 繁殖[2】。 作者单位:中山大学光华I:1腔医学院,广州510080 通讯作者:廖贵清,E-mail:drliaoguiqing@hotmail.con 尿液、唾液或去矿化结石的离心沉淀物,高温灭菌后 经0.22 tan滤膜过滤,生理盐水稀释5倍,1 500 r/ min离心45 min,取管底溶液,经0.22 tan滤膜过滤 至细胞培养基中,在37℃、pH 7.4、5%C02:95%空 气条件下培养。培养状态下的NB可用4O0倍相差 显微镜观察其生长情况;用DNA荧光染料(Dapi或 Hoechst)按普通细菌DNA染色的条件对NB的DNA 进行染色均不成功,而当按照线粒体DNA以及病毒 DNA染色条件对NB的DNA进行染色时,可观察到 特征性荧光;用NB特异性抗体进行荧光染色也可 清晰地显示NB的存在;利用电子显微镜对经负染 的NB进行观察,可以清晰地显示单独或聚集成簇 的NB以及其表面的生物被膜结构;而用透射电子 显微镜对NB的超薄切片进行观察,可以清晰地显 示其内部结构 J。 NB的生物矿化作用 在不含血清的培养基中培养NB,1周内可见 NB周围形成几微米厚的生物被膜,且紧紧贴附于培 养瓶底部,2 3周后生物被膜明显增厚。用能量色 散型x线分析(energy dispersive X.my miemanalysis, EDX)法对生物被膜的化学组分进行分析,显示钙磷 峰值与羟基磷灰石极其相似,电子显微镜观察以及 傅立叶转换红外频谱(Fourier transform infrared spectorscopy,丌m)分析显示,其主要成分为碳酸羟 基磷灰石(carbonate hydroxyapatite)。NB并不产生尿 激酶和碱性磷酸酶,而且即便经过长达数周的培养, 培养基的pH值也不会出现明显变化,一直稳定在 7.4左右。这表明在NB周围的羟基磷灰石结晶源 自生物大分子,即生物矿化现象并非是由pH值改 变所导致的简单的物理结晶现象。而在含血清的培 养基中,由于存在骨桥蛋白(osteopontin)、骨钙素 (osteocalcin)、胎球蛋白(fetuin)等抑制蛋白,能明显 抑制NB这种生物矿化现象_2j。 生物与感染2008年9月第3卷第3fMicrobes andInfection Journal o—NB与疾病的研究状况 NB具有如此独特的生物矿化能力,已引起国 内、外学者的关注。业已发现,NB与多种组织内病 理性钙化或硬化的发生、发展密切相关。 1.NB与泌尿系统疾病 NB与疾病的研究始于 泌尿系统结石。早期研究中,有学者将有放射活性 标记的NB注人兔体内,发现肾脏具有较高的放射 活性,电子显微镜下亦发现肾小管上皮细胞内及表 面存在NB,推测NB可能诱发肾结石。而在对肾结 石进行NB的检测中,大多实验获得较高的检出率。 随后有学者将培养的NB经皮穿刺肾内注射,成功 建立了NB致大鼠肾结石动物模型,提出NB作为结 石核心致人类。肾结石形成的设想。近年学者们继续 重复并拓展前人的研究。Khullar等 3从1例北印度 种群65岁患者的肾结石中分离出NB,并以常规浓 度的碘化丙啶检测到NB DNA,指出该活的微生物 与Kajander研究的不同之处是他发现这些NB对温 度敏感。Cilfqioglu等_4 J实验证明,在微重力条件下 NB的增殖速率高于常规条件下培养,从而解释了航 天员较易患肾结石的现象。Shiekh等l5 J将NB经静 脉注入鼠体内,8周后肾皮质和髓质出现局灶性慢 性炎症细胞浸润,肾小管上皮出现退行性改变,其表 面有钙化结节,电子显微镜下发现NB附于肾小管 上皮表面,并侵入上皮细胞,此研究展示了NB所致 的病理改变。 除结石以外,NB也与其他一些泌尿系疾病相 关。有学者在多囊肾患者的囊液中发现NB抗原, 并从中培养出NB,认为其发病机制可能为NB以其 周围的矿化外壳为载体,吸附尿液中各种毒素,并使 细菌溶酶体破裂释放出毒素和自由基,损害肾小管 上皮细胞,使其脱落至尿液中,久之造成肾小管梗阻 和肾组织不可复性损害,形成肾囊肿。还有学者猜 测NB与慢性前列腺炎、前列腺钙化或结石、慢性盆 腔疼痛综合征的发生相关,对患有慢性盆腔疼痛综 合征的患者进行抗NB治疗,患者症状都有明显 好转。 2.NB与心血管系疾病感染因素与心血管疾 病相关早已被提出,然而常规致病原感染无法解释 为何病变组织发生钙化。近年的NB矿化能力被揭 示后,许多研究发现NB感染与多种钙化性心血管 病变相关。学者们先后报道从动脉粥样硬化斑块、 钙化动脉瘤、钙化心脏瓣膜、左心房室间瓣膜赘生物 以及硬化性颈动脉或主动脉病变组织中鉴定出NB 样结构,从而推测NB在这些病变形成中起重要作 用E6-9]。此外,抗NB治疗亦被引入治疗钙化性心血 管疾病的研究。有学者对血清学检查NB阳性的冠 状动脉硬化患者进行抗NB治疗4个月,患者冠脉 狭窄程度有不同程度的改善,患者的心绞痛症状亦 有缓解。 3.NB与肿瘤 早期有学者发现部分肿瘤细胞 表面有NB黏附的受体,可能介导NB进入瘤体内产 生钙化,在一些肿瘤钙化灶或细胞内也发现存在 NB。例如,有学者从卵巢腺癌的沙砾体和腹水中检 测到NB抗原,电子显微镜观察发现NB,推测NB在 卵巢癌中对微钙化灶的形成起作用。近年来, Hudelist等 采用免疫组织化学检测卵巢腺癌沙砾 体抗原,并首次采用反转录一聚合酶链反应(RT.PCR) 方法检测NB基因,阳性率达100%,而无沙砾体卵 巢腺癌的阳性率为0,从而推断NB在沙砾体的形成 中起重要作用。 4.NB与人类免疫缺陷病毒 有学者提出,NB 与人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)阳性机体竞争常引起共同感染,HIV阳性机体 竞争钙磷,使骨密度降低;NB还能通过黏合神经束 膜而引起HIV阳性患者周围神经病变。近年研究 中,Pretofius等llll对H1V阳性母亲及其子女的血液 样品进行NB抗原检测,阳性率分别为85%和46%, 提示NB为H1V阳性患者常见的机会感染因子,并 能通过垂直传播给子代。Sommer等 认为NB能 促进HIV的基因多样性。 5.NB与其他疾病 由于NB在生物体内的广 泛分布,科学家还发现NB与胆结石、硬皮病、睾丸 结石、软化斑、白内障、关节炎、老年痴呆症、松果体 钙化、胎盘结石和牙髓结石等疾病或病理性矿化的 发生、发展密切相关。研究NB与这些疾病的关系 还在不断深入之中。 关于NB存在与否的争议 NB以其极其微小的体积而被命名,由于大大低 于理论上细菌体积的下限,因而其存在性受到许多 科学家的质疑。自NB提出以来,关于其存在与否 的争议从未停止。Kajander的反对者认为其发现NB 的实验存在污染,或者实验设计有错误,鉴定DNA 时提高染料浓度及延长反应时间造成非特异性染 色,因此NB存在的证据不可靠。而Kajander及其支 持者认为NB是不能用标准的微生物培养基进行培 养的,也不能用传统的方法进行检测。Cisar等㈣虽 ・l84・ 生 与感染2008年9月第3卷第3期Journal ofMicmbesI皿dIn d0盯,seDt 20O8.v0l 3.No.3 从胎牛血清、唾液、牙菌斑和牙髓结石等培养出疑似 for kidney stone fonnation during space nights:enhanced gro ̄da of nanobaeteria in mierogravity.Kidney Int,2006,67: 483~491 NB样物质,能作为矿化中心形成矿物质,这种生物 矿化能力在多次传代后仍能保持,但从分子水平上 未能检出有生命活性的核酸或蛋白质,认为这些矿 化现象为无生命生物大分子引发,不支持NB的存 在。Morgan等¨ j对一系列疾病包括伴有钙化的基 底细胞癌、皮下钙化结节、肿瘤性钙盐沉积及毛母质 瘤进行NB检测,检测结果均为阴性。Drancourt 5.Shiekh FA,Khullar M,Singh SK.Lihogentcsis:induction of renal calciifcations by nanobaeteria.Uml Res,2006,34:53— 57 ’ 6.Miller VIM,Rodgers G,Charlesworth JA,et a1.Evidence of nanobaeterila-like structures in caleiied human artferies and cardiac valves.Am J Physiol Heart Circ Physiol,2O04,287: ll15~l124 等_1 j用扫描电子显微镜观察4例上尿路结石,均发 现纳米颗粒。另将10例结石与3T6成纤维细胞共 7.Puskas LG,Tiszlaviez L,Razga Z,et a1.Detection of nanobaeteria-like particles in human athemsclemtic Acta Biol Hung,2005,56:233—245 培养,其中3例出现细胞内空泡性变,然而Gimenez 染色、Hoechst染色及特异性单克隆抗体检测未能发 现NB。随后,Kajander ̄l6J也表示由于NB缺乏令人 . 8.JelicTM,Chang HI-I,Roque R,et a1.Nanobacteria-associated 满意的16S rRNA序列,“CNP”的命名更为合适。 Piper等_17J采用透射电子显微镜观察392块退行性 主动脉瓣组织石蜡切片,未能发现NB;同时采用 PCR,未能检测到NB DNA。Raoult等l_18J从生物化学 特性、蛋白组学、核酸等方面对NB进行分析后,提 出NB并非生物体,而是矿物.胎球蛋白复合物。 结 语 calciic aortfic valve stenosis.J Heart Valve Dis,20O7,16:101 ~1o5 9.Bmtos-P6rez ̄L ̄,S ̄nchez PL,Garcia de Cruz S,et a1. Associaiton between serf-replicatig canlc ̄ng nanoparticles and aortic stenosis:a passible link to valve calciifcation.Eur Heart J,20o8,29:371—376 10.Hudelist G,Singer CF,Kubista E,et a1.PIL: ̄ence of nanobaeteriain p ̄inmoma bodies of ovarin cancer:evaidence or pfathogenetic role in intratumoral biominersli ̄ation. Histopathology,2004,45:633~637 l1.Pretorius AM.Sommer AP,Aho l(M.卸[、,and nanobacleria. }{IV Med,2004,5:391~393 目前,尚没用足够证据证实“NB”为真正微生物 体,对这种超微结构的命名,“CNP”似乎更为合适。 不管CNP是否为真正的微生物体,CNP与人类疾病 的相关性已被揭示,因此我们更应关注CNP的致病 机制,以及如何预防和治疗CNP所致的疾病。 参考文献 12.Sommer AP.Primordial proteis and mV—Partn II.J eroteome Res,2005.4:1022~1024 13.Cisar JO,Xu DQ,Thompson J,et a1.An alternative interpretation of nanobaeteria—induced biomineralization.Proc Nad Acad Sci UsA,200o,97:11511~11515 1.Kajander EO,Ciftqioglu N.Nanobacteria:an alternative mechanism for pathogenic intra-and extracellular calciifcation and stone formation.Proe Natl Acad Sci USA,1998,95:8274 ~14.Morgan MB.Nanobacteria and calcinosis cuffs.J Cutan Pathol,2002,29:173~l75 15.Draneourt M,Jacomo V,I. ̄pidi H,et a1.Attemptd iesolation of Nanobaeterium sp.microorganisms from upper urinary tract 8279 2.Ciftcioglu N,Miller-Hjelle MA,njele JT,et a1.Inhibition of nanobaeteria by antimicrobial drugs as mesuYaed y ba modified mierodilution method.Antimierob Agents Chemother,2O02, 46:2077—2086 3.Khullar M,Sharma SK,Singh SK,et a1.Morphological and immunological characteristics of nanobacteria from human renal stones.J Clin Mierobiol,20o3,4l:368—372 16.Kajander EO. 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