互动科普

征服炭疽病魔

John A. T. Young，R. John Collier

对炭疽新疗法的需求在去年秋天显得空前迫切，这是因为发生在美国的首次蓄意散播炭疽孢子的事件使5名受害者死于吸入性炭疽。他们的死亡来势迅猛，在出现不被警觉的初始症状之后，尽管采用了强有力的抗素治疗，但仍都很快在数日内死亡。另外还有6例患者，在获救之前病情也极为严重。值得庆幸的是，我们的实验室和其他一些机构远在2001年秋天之前就已经开始对其致病菌炭疽杆菌的研究，并致力于寻找有效的解毒措施。最近的成果正在开辟一条开发新药和改良疫苗之路。实际上仅是在去年一年里，我们二人和其他合作研究者就已经报告了3种很有希望的药物制剂。

难以捉摸的杀手

征服炭疽的新思路来自于一项正在进行中的探讨嵌疽杆菌如何致病和致死的研究。炭疽并不能从一个个体直接传播到另一个个体，只有当大量的孢通过皮肤创口、被污染的食物或空气进入体内时，人或动物才会发病。在体内，孢子衍变成为增殖体或分裂活跃的细胞。

侵犯皮肤或消化道的炭疽菌开始的确只损害局部并引起自限性的病变：首先是黑色的疼痛炎症和肿胀，继而可能出现呕吐、腹痛和出血。如果细菌在皮肤或胃肠道内持续不断地繁殖，就可能最终进入血流并导致系统性病变。

吸人肺深部的孢子通常很快被转移，迅速到达胸腔纵隔淋巴结并极易从该处进入血液。(这期间仍然停留在胸腔的细菌叫引起肺周围积液。)

一般来说，导致嵌疽患者死亡的原因是细菌在血液中的大量复制繁殖。炭疽杆菌能够如此成功地扩增是因为它可以分泌两种被称作毒性因子的物质，严重影响机体的免疫防御机制从而使细菌可以不受约束地生长。其中一种因子将增殖体细胞包裹在个聚合体荚膜中，抑制免疫系统巨噬细胞和中性粒细胞对它的吞噬，而这些吞噬细胞在正常情况下是起清除和降解致病菌作用的。与聚合体荚膜起协同作用的是一种特殊的毒素，它能够进人吞噬细胞内，干扰并妨碍正常的杀菌功能。

据认为，同样也能够进入其他细胞的炭疽毒素引起致命性的疾病不仅仅是由于破坏了免疫反应，而且还发挥着直接的作用。支持这一观点的证据包括：有人观察到在没有细菌存在的情况下，只是毒素本身就可置动物于死地；而从另外一个角度，诱导机体免疫系统去中和毒素则可以阻止炭疽杆菌致病。

可怕的毒素

英国Wiltshire微生物研究所的Harry Smith及其同事于20世纪50年代发现了炭疽毒素。该毒素在炭疽病致死中的关键作用被证实之后，许多学者便致力于研究这种物质是如何使细胞中毒的——怎样进入细胞，又如何中断细胞的活性。这些细节提供了阻断毒素作用的基本线索。美国军事医学传染病研究所的Stephen H．Leppla和Arthur M．Friedlander以及他们的同事在20世纪80年代开始了他们的研究，我们二人和其他一些学者随后也展开了这方面的工作。

该毒素被证明由3种蛋白组分构成：保护性抗原，水肿因子和致死性因子。这些蛋白具有相互协同的作用，但并不总是同时出现。它们能够附着并进入细胞，以一种高度协同的方式产生致病作用，而在此之前它们各自单独存在时是无害的。

首先，保护性抗原结合到细胞表面，它的最末端在此处被一种酶修饰掉，然后，7个这种被修饰过的分子联合成为一个环形结构成为七聚体，能够俘获另两种因子并被转运到被称作内涵体的内膜结合结构。该结构中弱酸性的环境造成七聚体变形，使水肿因子和致死性因子得以穿过内涵体膜而进入胞浆（细胞内基质），在胞浆中发挥其危害作用。整个过程中七聚体基本上是起了一个类似注射器的作用，水肿因子和致死性因子先被包容在该注射器中，然后内涵体中的弱酸性作用使注射器刺破内涵体膜，并将毒性因子注入到细胞浆中。

水肿因子和胞内引发不同的分子反成。水肿因子扰乱对离子和水穿越细胞膜的控制，促发组织水肿。在吞噬细胞中它还同时消耗细胞的能量往其无力吞噬细菌。

致死性因子在导致患者死亡方面可能更为重要，但目前对该因子的精细作用还不够明确。科学家已知它是一种蛋白酶(蛋白质分解酶)，能够分解MAPKKs家族的酶类。现在正试图进一步了解这种分解作用之后的分子事件，并阐明致死性因子在致病和致死方面所发挥的独特作用。

治疗策略

能够中和炭疽毒素的药物确实有助于免疫系统抑制细菌的繁殖，降低毫者死亡的危险性。对吸入性炭疽患者应用抗生素可以控制细菌的扩增，但却会使毒素释放并造成严晕后果。

原则上讲，干扰中毒过程中的任何一步都能够阻断毒素的活性。通过阻止保护性抗原对细胞的附着，将能够使毒性作用尚未开始便被中止，是一种很有希望的措施。科学家早在l0年以前就已经认识到，这种保护性抗原通过与细胞膜表面某种特异性蛋白的结合而介导毒素进入细胞内。如果将细胞事先用蛋白酶进行处理，去掉了表面所有的膜蛋白后保护性抗原便无从下手了。然而，在细胞膜表面众多的蛋白质分子中到底是哪一种起着关键性的受体作用却无人知晓。

我们二人和我们的同事Kenneth Bradley、Jeremy Mogridge和Michael Mourez一起，于去年夏天发现了这种受体。该受体现已被命名为炭疽毒素受体(ATR)，对其分子特征的深入研究证明它是一种跨膜蛋白，这种蛋白突出于细胞膜的表面，其中突出的部分包含有一个类似于其他受体分子特异性蛋白结合位点的区域，这一发现表明这个特殊的区域就是保护性抗原与ATR结合的部位。

该受体显然不是专门为炭疽毒素进入细胞而存在的，但它在正常细胞的功能我们尚不清楚。对其分子结构的认识已经使我们能够探寻抑制其活性的物质，如sATR——受体与保护性抗原结合区域的可溶性形式。

目前我们正在试图制备足够量的sATR，以便能够在啮齿类动物和非人类的灵长类动物身上验证其抵抗炭疽的作用——这些动物实验是任何新药在人体临床应用之前所必需的。其他的研究组则正在进行基因工程抗体的研究，以了解这类免疫系统高度特异性的分子能否与保护性抗原牢固结合而使其不能再结合受体

更多的靶目标

科学家同时也在寻找预防和阻断中毒过程后续阶段的措施。例如哈佛大学的一个研究组研制了一种药物，能够封堵七聚体上俘获水肿因子和致死性因子的区域。George M．Whitesides和来自我们实验室的Collier进行的研究证明，七聚体被封堵之后将失去把毒性圈子注入细胞内的能力。

我们先是随机筛选构建的短肽库，果然筛选到一个能与七聚体结合的短肽分子。接着检测其功能，发现它确实能够阻断毒素的作用，但是活性较弱。有这样一种设想，认为在七聚体俘获水肿因子和致死性因子的区域结合上多个封堵分子，将能够产生更好的封闭效果。所以我们采用了Whitesides等人发明的化学方法将22个这种短肽的拷贝连接成为一个可以灵活折叠的多聚体。结果发现，如此构建的多聚体具有强大的炭疽毒素抑制作用，无论在细胞培养实验还是在大鼠的实验中部证明其作用比单一的短肽提高了7000倍以上。

另一种令人兴奋的制剂，也是目前最接近于人体临床应用的药物是改变七聚体本身。这种化合物的发现是基于Collier研究组Bret R．Sellman的一项研究成果。他们注意到当常的保护性抗原和它的某些突变体混合存在时，虽然七聚体照样能够在细胞表面形成但却不再具备介导水肿和致死性因子进入胞浆内的作用。这些突变体的破坏性作用引人注目，只要在七聚体中出现一个单一的拷贝就足以彻底摧毁其功能。

在去年4月发表的份研究报告中，这些突变体——被称作“主导阴性抑制子”或DNIs，在细胞培养和大鼠实验中都被旺明是有效的炭疽毒素阻滞剂。较小剂量的DNls就能够中和足以使一只大鼠在90分钟内死亡的保护性抗原和致死性因子。这些发现表明，每一个拷贝的突变体就能够灭活血流中6个拷贝的保护性抗原，从而可以显著降低患者体内的毒素活性。

随着越来越多的关于炭疽毒素的疑问被逐渐阐明，科学家自然容易发现进一步的治疗措施明确了保护性抗原的受体，研究人员就能够利用它怍为筛选药物的靶子，从而找到可以断受体与保护性抗原结合的办法。对受体3维结构的深入认识将能够揭示保护性抗原与受体结合的准确位点，使药物研究者在制备受体阻断剂时能够做到“量体裁衣”。

科学家也在饶有兴趣地探讨使保护性抗原七聚体从细胞表面移行进入细胞内涵体的分子作用机理，设法阻断这种移行是十分有用的。在致死性因分解了MAPKK酶之后接

着又发生了什么？那些后续的事件是如何影响细胞的？尽管后面这些问题目前尚无法回答，但最近对致死性因子的深人研究对于找到将其灭活的方法大有益处，已经展现出了非常光明的前景。去年l1月，在加州La Jolla的Burnham研究所工作的Robert C．Liddington和他在几个不同实验室的同事们发表了致死性因子作用于MAPKK分子部位的3维结构，现已成为筛选或设计药物的一个重要靶目标。

最近，炭疽杆菌基因组编码基因的成功测序对新药的研发也具有重要指导价值。通过发现炭疽杆菌所具有的某些类似于其他微生物功能已经明确的基因，生物学家能够在炭疽杆菌如何致病，又如何阻止其致病等方面获得更多有用的信息。

持续不断的深入研究将会产生出一些新的抗毒素，为了取得最佳效果，可以将它们与抗生素联合使用，这种做法跟抗病毒药物治疗HIV感染的鸡尾酒疗法非常相似。

有前景的预防措施

改进治疗的研究仍在有条不紊地进行着，在探索更好的疫苗方面也是如此。抵御产生毒素细菌的疫苗通常是诱导免疫系统迅速中和在体内产生的毒素，从而达到预防疾病的效果。在美国的某些地方，用去掉了保护荚膜而难以繁殖的炭疽杆菌制成的产品已被用于牲畜治疗，而前苏联已将种类似的疫苗用于人体。但是，用完整细菌制成的疫苗常有一定的副作用，并且还有一种担心，即个别细菌的致病作用未被彻底去除，说不定反而会造成感染而发病。

在美国惟一被批准用于人体的炭疽疫苗采用的是另一种不同的策略，它基本上是由经过化学处理而不具致病作用的毒素分子制成的。制备过程包括以下几个步骤：培养炭疽杆菌的弱毒菌株使其大量生长，通过过滤去除培养基中的细菌，将剩下的毒素蛋白与免疫佐剂(一种能增强免疫系统反应性的物质)吸附在一起，最后经过甲醛处理将其灭活。注射这种被称作AVA(嵌疽吸附疫苗)的制剂，能够刺激免疫系统产生特异性结合毒素的抗体，并将其灭活。这些抗体大多作用于保护性抗原，这也是与保护性抗原的称谓相吻合的，因为它是最能诱导保护性免疫的成分。

AVA已经被用在士兵和一些平民中，但要把它作为保护公众免遭生物战威胁的工具仍存在许多问题。供给有限不说．即使有充足的AVA来源，在大的范围内接种也是非常烦琐的。标准的接种程事要求在18个月内给药6次，然后每年还要进行加强。这种疫苗还未获准用于已经接触了炭疽孢子的人，但由于担心孢子可能会在肺里存活很长的时间，官方已经在去年晚些时候开始向邮政工人和其他已预防性口服抗生素达60天之久的人试验性地提供3个疗程的剂量。受试者被要求继续服用40天的抗生素，这之后由疫苗诱导产生的免疫力将足够强大而承担起有效的保护怍用。

当前，许多研究者正致力于用DNA重组技术制备保护性抗原用于接种，希望获得更为有效、简便、反应快速的疫苗。科学家将这种重组蛋白和一种新型高效佐剂交联在一起，可以经一、两次接种就快速激发机体产生良好的保护性免疫功能。早先讨论过的主导阴性抑制因子作为保护性抗原的一种有用的形式而成为可供选择的治疗措施，它保留有诱导免疫反应的活性，因而起着双重的作用：短期作用是清除炭疽毒素，而长期的作用是逐渐建立起持久的免疫功能。毫无疑问，对炭疽杆菌生物学、治疗学和疫苗等进行广泛的研究，有朝一日将会在炭疽的治疗方面取得丰硕成果。我们热切地期望所有这些努力能使人们不再受到炭疽致死性的成胁，无论它是自然感染的还是生物恐怖主义造成的后果。

检测炭疽

只有发现早，才能活得好

Rocco Casagrande

恐怖组织向空气中散播炭疽孢子将会使众多的人受到危害，但受害者在去医院检查前往往不会有所察觉。无疑许多人将会因此耽误治疗，而现有的治疗手段也无挽救他们的生命。将来在防御炭疽袭击方面，如果环境中一出现炭疽孢子就有传感器发出警报，人们在许多情况下就能够免受其害。具备这种功能的仪器目前尚未面世，但已有多种利用最前沿技术的设计方案处在研发之中。

环境传感器必须能够区分致病物质（病原体）和成千上万类似的但是无害的微生物，这些微生物通常存在于空气、水和土壤中。目前正在研制中的仪器，其工作原理大多是通过检测目的病原体表面特有的分子，或找出那些病原体特有的DNA序列。

美国马萨诸塞州的林肯实验室技术研究所现在正在开发一种被称为“金丝雀”的仪器，他就是通过检测表面特有分子来识别病原体的一个创新设计的范例。“金丝雀”的传感器由活细胞——免疫系统中的B细胞组成，这些细胞经过基因工程改造，当其钙离子水平发生改变时就能发出光来。产生于这些细胞的受体能够特异性地与特定病原体表面分子的某一独特部分结合，当传感器中的细胞和它们的的靶分子结合后，使待测样品穿过几个不同的充填有细胞的模块，每个模块中的细胞只与一种特定的微生物反应，这样“金丝雀”就能识别多种病原体了。

美国加州的Cepheid等人发明了GeneXpert系统，那是以基因技术为核心的一个代表作。该技术首先从样品微生物中提取DNA，加入其中有要结合到病原体特有的DNA片段末端，然后通过聚合酶链反应（PCR）便被结合的DNA拷贝加入荧光标记，GeneXpert系统能够在30分钟内合成足够的DNA，从而发现原始样品中哪怕非常微量的病菌。

该系统包括有多个PCR反应池，各自带有不同的引物，所以能够同时检测不同的病原体。而且，GeneXpert系统还可以用于检查患者鼻粘膜拭子中是否存在有炭疽杆菌，实验时间可以短至半个小时，与传统的微生物技术相比得出结果的速度明显加快。

也有专门设计用于检测炭疽杆菌孢子或其他与之密切相关的细菌孢子（如引起波特淋菌中毒的细菌）的仪器。该仪器的实验证明，孢子完全被一种称作DPA的化合物包裹着，这种化合物在自然界极为罕见，它有助于孢子在恶劣的自然条件下生存。与DPA结合后分子发射荧光的结果和用化学方法检测炭疽的情况是一致的，位于加州Pasadena的Cyrano科技公司研制了Cyranose检测系统，该系统拥有“电子鼻”的美称，可以“嗅”到染有炭疽孢子的空气样品中存在的DPA。

散播炭疽的真正危险在于它的隐秘性，如果炭疽攻击发生后被及时发现并且暴露人群迅速得到治疗，那么受害者得以存活的机会就非常大。应用上面讨论过的各种检测系统或其他不同的技术加强早期检测，就可以有效地化解恐怖分子将其作为武器的威胁。

炭疽治疗启示录

医生对吸入炭疽的观点发生了改变

Ricki L. Rusting

最近发生在美国的吸入性炭疽病例完全改变了人们对这种疾病自以为是的传统看法。当沾染有病菌的信件在2001年9月开始出现时，公共卫生当局起初认为只有收到信件者或者至少是接近现场的人才有危险。但是，抱子显然能从信封中渗透出来，污染了邮政设施和其他邮件。在去年11名被确诊为吸入性炭疽的患者当中，这种“交叉污染”是其中2人主要的感染原因并最终导致死亡。和原本想象的不一样，孢子并非一落到某处就不动了，当人们在受污染的房间走动时，孢子又可在空气中悬浮并四处散播。

在2001年10月以前一般都认为吸入性炭疽一旦出现症状，就几乎成了不治之症。但是医生们在去年秋天回击了这一偏颇的观念，他们成功地救治了6例患者，这是一个令人十分惊讶的好消息。实际结果为什么会不一样呢？虽然仅从这样少数的病例尚难得出明确的结论，但当美国疾病控制和预防中心(CDC)的John A．Jernigan和另外一些人研究了头10例惠者的医疗记录之后，发现了一些颇有价值的模式。他们的发现发表在《突发性传染病》(Emerging Infectious Diseases)2001年11月／12月号上，并可在以下网址查看到：www．cdc．gov/ncidod/eid/V017n0B/Jernigan.htm

研究人员认为，及时的诊断可能起到了一定的积极作用。吸入性炭疽的症状有2个阶段——早期表现为和其他疾病类似的不适如疲劳、发热、疼痛和咳嗽，而后期则出现高热、呼吸困难、休克等严重症状。10例患者当中的6例在感染的早期阶段就及时应用了炭疽杆菌敏感的抗生素，也就是这6例得以生存了下来。

正确选用抗生素类型和联合用药可能也助了出人意料的高幸存率一臂之力。该回顾文章提到的患者当中，有9例是在10月26日CDC制订吸入性炭疽治疗暂行指南之前到医院求治的，但他们大多数接受的治疗措施与指南的原则一致：环丙沙星(目前常用的喹诺酮类药物)或多西环素配合以一到两种其他抑制炭疽杆菌繁殖增生的药物，如利福平、万古霉素、青霉素、氨苄青霉素、氯霉素、亚胺培南(泰能)，克林霉素、克拉霉素，等等。科学家还指出，积极的辅助疗法包括抽吸排除肺组织周围的危险性积液，对于改善病睛可能也是有帮助的。

即使是幸存者，当时的病情也是非常严重的。Jernigan介绍说，尽管到1月中旬尚未出现明显的异常，但仍在对他们进行观察以防发生长期并发症。研究人觉得炭疽抗毒素将简化饱受炭疽折磨惠者的疗程，挽救许多用现有疗法可能无济于事的患者的生命。

【王刚／译 曾少立／校】