《Frontiers in Immunology》：Molecular mechanisms of streptococcal disruption of the blood-brain barrier and their pathogenic role in bacterial meningitis
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本综述系统阐述了链球菌（以肺炎链球菌为重点）破坏血脑屏障（BBB）的分子机制及其在细菌性脑膜炎中的致病作用。文章详细分析了细菌毒力因子（如荚膜、肺炎链菌素（Ply）、溶菌素（Sly））通过破坏紧密连接蛋白（如occludin、claudin-5）、激活免疫反应（如TLR2/4、NLRP3炎性体）和诱导氧化应激（如活性氧/氮物种，RONS）等方式破坏BBB完整性，并探讨了由此引发的神经炎症级联反应和神经损伤。最后，综述展望了针对BBB保护和免疫调节的精准治疗新策略（如纳米颗粒递药、毒力因子抑制剂）。
1 引言
细菌性脑膜炎是一种严重的中枢神经系统（CNS）感染性疾病，其特征是病原体侵入血脑屏障（BBB）并引发失调的免疫反应。肺炎链球菌是其主要病原体，可通过血行播散穿透BBB，引发急性脑膜炎症，死亡率高达30%，且半数幸存者会遗留长期神经系统后遗症。尽管抗菌治疗取得了进展，但其全球发病率和死亡率仍然居高不下，迫切需要更深入地了解其发病机制以克服当前的治疗局限。本综述旨在综合当前关于链球菌属破坏BBB分子机制的知识，重点剖析驱动细菌性脑膜炎的病理级联反应，为针对BBB保护的新型治疗策略提供理论基础。
2 急性肺炎链球菌性脑膜炎与血脑屏障
2.1 血脑屏障的生理结构与功能
BBB是一个复杂的神经血管单元，由特化的脑微血管内皮细胞（BMECs）与星形胶质细胞、周细胞和细胞外基质双向相互作用构成，通过高度调控的紧密连接复合体和协调的细胞间信号通路维持CNS稳态。其结构核心是形成紧密连接的BMECs，这些连接由跨膜蛋白和胞质锚定蛋白（如闭锁小带蛋白，ZO）组成，能限制超过99%的血源性病原体，同时通过连接粘附分子（JAMs）允许受调控的细胞旁运输。BBB完整性的维持依赖于协调的多细胞相互作用：周细胞通过PDGFR-β信号调节血管生成；星形胶质细胞分泌层粘连蛋白以稳定内皮细胞极性；小胶质细胞维持促炎和抗炎反应之间的平衡。生理性免疫监视通过脑膜淋巴管引流脑脊液（CSF）成分（包括记忆T细胞）实现。功能上，BBB通过物理性排除病原体和炎症细胞、选择性营养和废物运输，以及血管周围巨噬细胞和内皮细胞模式识别受体（PRRs）的免疫调节来防止过度炎症。在肺炎链球菌性脑膜炎中，病原体毒力因子破坏这些机制，导致CNS免疫特权崩溃并造成不可逆的神经损伤。
2.2 肺炎链球菌穿越血脑屏障进入中枢神经系统
肺炎链球菌性脑膜炎的发病始于鼻咽部定植。病原体突破粘膜屏障后，主要通过三条途径血行播散：经咽鼓管侵入中耳、肺泡播散或直接血管穿透导致菌血症。进入血流后，肺炎链球菌的毒力因子，包括粘附素和溶细胞毒素（如肺炎链菌素，Ply），通过促进内皮细胞粘附、破坏紧密连接和激活炎症通路来破坏BBB，从而增强BBB通透性，为细菌迁移至CNS创造条件。细菌效应因子与宿主免疫反应的相互作用以及BBB的重编程构成了颅内入侵的基础。
2.2.1 荚膜在中枢神经系统入侵中的作用
肺炎链球菌利用多糖荚膜作为入侵CNS的关键毒力因子。荚膜的致密结构空间位阻抑制补体沉积和吞噬清除，有荚膜菌株比无荚膜变种对血清杀伤和中性粒细胞吞噬作用表现出更强的抵抗力。 paradoxically，虽然荚膜掩盖了PspA/PspC等表面粘附素，降低了粘膜定植效率，但肺炎链球菌通过群体感应动态调节荚膜表达：粘膜定植期间为低荚膜表型以暴露粘附素，而血行播散期间则触发高荚膜表达以进行免疫逃逸。肺炎链球菌表面蛋白（Psps）通过多模式粘附机制协调病原体在鼻咽粘膜、血流和BBB的三相入侵级联。菌毛相关粘附素RrgA通过特异性识别宿主多聚免疫球蛋白受体（plgR）和PECAM-1介导内皮锚定，为BBB突破建立分子立足点。神经氨酸酶A通过靶向内皮细胞上的G蛋白样凝集素结构域协同增强内皮结合效力。组织病理学研究证实，肺炎链球菌优先粘附于蛛网膜下腔内皮细胞启动CNS入侵，随后沿皮质和脉络丛内皮细胞播散。胆碱结合蛋白（Cbp）家族通过磷酸胆碱部分锚定到宿主细胞，在肺炎链球菌发病机制中发挥免疫调节和屏障穿透的双重作用。具体而言，PspC通过与多聚免疫球蛋白受体（plgR）相互作用促进内皮粘附，而CbpA通过结合血小板活化因子受体（PAFR）促进转胞吞作用。同时，磷脂酶A2（PLA2）作为关键的炎症放大器，通过水解膜磷脂生成花生四烯酸前体，驱动内皮粘附分子的异常上调，从而加剧神经炎症。值得注意的是，血浆PLA2水平与肺炎链球菌性脑膜炎的疾病严重程度呈正相关，支持其作为监测神经炎症进程的生物标志物。
2.2.2 肺炎链菌素在血脑屏障破坏和神经炎症中的双重机制
肺炎链菌素（Ply）是一种胆固醇依赖性孔形成毒素，通过直接细胞毒性和免疫调节效应破坏BBB。其通过β-桶状结构域形成直径约19-30纳米的跨膜孔，导致离子梯度崩溃和随后的溶解性细胞死亡。在机制上，Ply对脑微血管内皮细胞（BMECs）产生直接细胞毒性作用，诱导星形胶质细胞终足回缩，并触发小胶质细胞焦亡，所有这些共同损害BBB完整性。同时，Ply通过剂量依赖性地激活NLRP3炎性体来调节宿主炎症信号，从而促进IL-1β和IL-18的成熟。它还刺激TLR4/NF-κB信号轴，导致CXCL8和CCL2等趋化因子产生增加，从而促进中性粒细胞跨内皮迁移并放大神经炎症级联反应。值得注意的是，亚溶菌浓度的Ply激活膜修复机制，通过IL-10分泌和TLR2信号抑制营造免疫抑制微环境，使细菌得以免疫逃逸。这种促炎/抗炎平衡的失调是肺炎链球菌性脑膜炎中组织损伤和病原体播散的基础。此外，Ply通过损害脑膜纤毛清除、崩溃神经元线粒体膜电位和诱导星形胶质细胞骨架紊乱加剧CNS微环境失衡，共同导致不可逆的神经功能缺损。
2.3 宿主炎症反应在决定肺炎链球菌性脑膜炎结局中的作用
2.3.1 脑微血管内皮细胞
脑微血管内皮细胞（BMECs）构成BBB的结构核心，是抵御肺炎链球菌和猪链球菌等血源性病原体的前线防御。这些细胞通过紧密连接（occludin, claudin-5, ZO-1）和粘附连接（VE-cadherin）建立高跨内皮电阻。在链球菌性脑膜炎期间，BMECs响应微生物粘附素、孔形成毒素和全身性炎症而发生致病性重编程。通过模式识别受体（TLR2, TLR4, NOD样受体），BMECs检测病原体相关分子模式（PAMPs），如脂磷壁酸、肺炎链菌素和猪链球菌溶素。TLR2/4–MyD88信号的激活上调促炎细胞因子（IL-1β, TNF-α）、趋化因子（CXCL8, CCL2）和粘附分子（ICAM-1, VCAM-1），促进白细胞募集。此外，链球菌毒力因子对BMECs产生直接细胞毒性作用：肺炎链菌素破坏离子梯度并通过β-桶状孔形成触发坏死性凋亡或焦亡；猪链球菌溶素诱导Ca2+依赖性钙蛋白酶激活，破坏细胞骨架完整性。组织学分析显示内皮细胞肿胀、连接解体和肌动蛋白崩溃，从而增强BBB通透性。BMECs还通过分泌IL-6、TNF-α和CXCL10来塑造CNS免疫，促进Th1极化和小胶质细胞活化。而且，BMECs中NLRP3炎性体的激活——通过毒素诱导的K+外流和线粒体应激——导致IL-1β/IL-18成熟和焦亡。因此，BMECs不仅作为结构屏障，更是CNS入侵和神经炎症的核心免疫哨兵。
2.3.2 小胶质细胞
链球菌性脑膜炎的发病机制涉及微生物毒力因子与神经血管单元组件协调反应之间的复杂相互作用。小胶质细胞作为CNS的主要免疫调节细胞，通过TLR2、TLR4和NLRP3等模式识别受体启动炎症级联反应。这些受体特异性检测肺炎链球菌的PAMPs，包括肺炎链菌素、脂磷壁酸和肽聚糖片段。这种识别触发MyD88/NF-κB依赖性细胞因子产生，包括IL-1β、TNF-α和CXCL1，从而促进中性粒细胞募集和通过MHC-II及共刺激分子（CD80/86）的适应性免疫激活。小胶质细胞还通过吞噬溶酶体降解和抗菌肽（特别是cathelicidin LL-37）分泌参与宿主防御。然而，过度激活会导致神经毒性效应，包括谷氨酸兴奋性毒性和活性氧（ROS）过量产生。同时，星形胶质细胞和周细胞调节炎症环境和BBB完整性。星形胶质细胞通过水通道蛋白-4（AQP4）通道调节离子/水稳态，同时在Toll样受体激活后分泌促炎细胞因子，特别是IL-6和CCL2。周细胞响应细菌毒素，通过改变PDGFR-β/TGF-β信号通路，导致基底膜重塑和内皮通透性增加。这种整合的神经血管反应展示了保护性免疫和病理性神经炎症之间的微妙平衡，其中小胶质细胞激活状态、星形胶质细胞反应和周细胞介导的血管变化共同决定了肺炎链球菌性脑膜炎的疾病进程和临床结局。
2.3.3 肺炎链球菌性脑膜炎中神经炎症的时空调节
在肺炎链球菌性脑膜炎期间，模式识别受体（PRRs）启动空间和时间上受调控的免疫级联。TLR2识别细菌肽聚糖/脂磷壁酸，TLR4-MD2检测肺炎链菌素的β-片层结构域，内体TLR9通过MyD88依赖性信号感知富含CpG的DNA（取决于病原体的内化）。这些PRRs激活NF-κB/MAPK通路，触发IL-6、TNF-α和CXCL8的释放，同时组装NLRP3炎性体复合物（NLRP3, ASC, caspase-1），后者将pro-IL-1β和pro-IL-18切割成活性细胞因子。IL-1β通过正反馈传播神经炎症，IL-18通过STAT1–IRF1信号增强IFN-γ，加剧Th1驱动的免疫病理和氧化应激。PRR的过度激活还诱导线粒体DAMPs（mtDNA）释放，助长组织损伤和次级免疫激活的自我放大循环，促进BBB崩溃和神经元损伤。PRR介导的小胶质细胞激活触发神经血管级联反应，其中内皮细胞的IL-6/TNF-α信号通过JNK/AP-1，星形胶质细胞的IL-1β通过NF-κB驱动促炎微环境。CXCL12/CXCR4使白细胞滞留在BBB，而CCL2/CCR2和CXCL1/CXCR2促进单核细胞/中性粒细胞跨迁移。中性粒细胞通过NETosis和α-防御素分泌有助于细菌清除，但也通过ROS和弹性蛋白酶介导的ECM降解造成组织损伤。基因敲除模型强调了双重作用：中性粒细胞耗竭可减轻炎症但却增加细菌负荷，揭示了区室特异性功能。浸润的白细胞通过IL-1β/caspase-1焦亡、TNF-α/NF-κB诱导的CAM表达以及IFN-γ/STAT1/IRF1介导的CXCL10产生来放大炎症，驱动Th1极化。细胞因子网络呈现非线性。例如，IL-6敲除可减轻水肿但增加死亡率，而IL-1R缺陷会削弱BBB却增强细菌清除，强调了治疗中时空平衡免疫调节的必要性。
2.3.4 活性氧和氮物种
活性氧/氮物种（RONS）通过三个轴驱动肺炎链球菌性脑膜炎中的神经炎症：病原体驱动的肺炎链球菌自溶释放H2O2，其与NO·反应形成过氧亚硝酸盐（ONOO-），诱导脂质过氧化和线粒体DNA损伤；酶促中性粒细胞髓过氧化物酶（MPO）从H2O2/Cl-生成次氯酸（HOCl），激活MMP-9降解胶原IV并破坏BBB完整性；代谢性IFN-γ诱导的NOS2持续产生NO·，其与O2-反应形成ONOO-，硝化occludin/ZO-1并破坏紧密连接稳定性。CSF中硝酸盐/亚硝酸盐水平与BBB损伤严重程度相关。RONS表现出双重性：内皮型NOS1（eNOS）通过PI3K/Akt维持微血管完整性，而NOS2敲除可减轻水肿和细胞因子，强调了时空特异性。联合过氧化氢酶/SOD治疗可使CSF白细胞减少50%并抑制caspase-3依赖性凋亡，支持了靶向RONS的策略。
3 链球菌对血脑屏障的突破
链球菌病原体通过表面粘附素结合内皮受体PECAM-1和层粘连蛋白受体、降解紧密连接蛋白occludin和claudin-5、以及激活MMP-2/9水解胶原IV等方式入侵BBB，从而实现跨内皮迁移。入侵后，PAMPs通过TLR2/4-NF-κB激活NLRP3炎性体，驱动caspase-1依赖性IL-1β/IL-18释放并产生活性物种（O2-, ONOO-），使病原体-炎症-损伤循环持续进行。肺炎链球菌在鼻咽定植期间通过STAT6-SPDEF上调NLRP3/ASC，而唾液酸化的血清型特异性荚膜增强CNS穿透。猪链球菌血清型2分泌猪链球菌溶素（Sly）诱导内皮焦亡，并通过VirR/VirS双组分信号调节BBB穿透基因（srtA, fbps）。马链球菌兽疫亚种和B群链球菌利用粘附素和表面蛋白进行转胞吞作用，凸显了保守但多样化的神经侵袭策略。
3.1 紧密连接蛋白的破坏
BBB的紧密连接（TJs）由ZO-1/2、claudin-5、occludin和JAMs组成，通过高电阻的细胞旁屏障维持CNS稳态。链球菌通过氧化应激（肺炎链球菌H2O2被MPO转化为HOCl，激活MMP-9降解occludin和claudin-5）、酶切（猪链球菌Stk激酶通过SMURF1泛素化claudin-5，增强蛋白酶体降解）和表观遗传调控（B群链球菌通过NF-κB/Snail1抑制TJ转录，重新分布ZO-1和claudin-5）等方式破坏TJs。肺炎链球菌感染升高CSF中MMP-8/9水平，而MMP抑制剂可降低BBB通透性。Stk基因敲除（Δstk）使微血管粘附减少80%，并损害RhoA/ROCK驱动的细胞骨架收缩，证实了其在TJ破坏中的双重作用。治疗策略包括claudin-5稳定肽和ROCK抑制剂可恢复BBB电阻，凸显了其转化潜力。
3.2 免疫反应的激活
CNS先天免疫系统通过TLR2/4识别LTA/Ply，激活MyD88/NF-κB以驱动IL-1β/TNF-α/CXCL8串扰，来响应链球菌对BBB的入侵。同时，由钾离子外流和活性氧触发的、包含ASC和caspase-1的NLRP3炎性体复合物被激活，导致IL-18分泌和焦亡性细胞死亡。此外，内皮细胞粘附分子ICAM-1和VCAM-1表达上调，通过整合素αMβ2促进中性粒细胞跨迁移；白细胞浸润程度与CSF中基质金属蛋白酶-9（MMP-9）水平呈正相关。然而，免疫过度激活会加重损伤：中性粒细胞弹性蛋白酶通过PAR1/RhoA破坏ZO-1；小胶质细胞ONOO-诱导线粒体DNA损伤；IL-1β/IL-18-STAT3/NF-κB串扰使BBB通透性增加三倍，引发海马caspase-3依赖性凋亡。星形胶质细胞通过谷氨酸-谷氨酰胺兴奋性毒性和巨噬细胞M1极化加剧神经炎症，凸显了平衡免疫调节的必要性。肺炎链球菌通过TLR2-MyD88依赖性小胶质细胞NF-κB激活（由肽聚糖/磷壁酸介导）和C1q-MBL介导的补体激活（由荚膜多糖介导，形成膜攻击复合物MACs溶解神经元）诱导CNS炎症。这些过程升高内皮/胶质细胞中的IL-6、TNF-α和IL-1β。虽然caspase-1敲除通过减少IL-1β保留BBB完整性，但IL-1R缺陷通过代偿性TLR4-TRIF信号加剧渗漏。肺炎链球菌还通过NanA诱导的CXCL8/CXCR2激活招募中性粒细胞，这与CSF细菌负荷相关。猪链球菌通过MyD88/TLR2-AIM2诱导IL-1β，而其小RNA rss04通过抑制TRIM32泛素化稳定TLR4，减少occludin磷酸化。在马链球菌兽疫亚种中，钾离子外流触发NLRP3/caspase-1，而miR-223-3p抑制NLRP3依赖性IL-18。肺炎链球菌感染期间的趋化因子重塑驱动中性粒细胞（CXCR1/2）和单核细胞（CCR2/5）募集。NLRP6敲除尽管增加NETs却 paradoxically 提高存活率，暗示了gasdermin D的调节作用。对于治疗开发至关重要的一点是，IL-1β成熟受AIM2/NLRP3炎性体和中性粒细胞蛋白酶共同控制，这突出了调节链球菌感染中神经炎症的关键靶点。
3.3 溶细胞毒素与代谢酶的协同入侵策略
链球菌病原体通过膜靶向毒力因子突破BBB：猪链球菌溶素（Sly）在内皮膜上形成30-50 nm的孔，诱导Ca2+依赖性钙蛋白酶激活并增加磷脂酶A2（PLA2G3）活性，后者水解脂质破坏屏障完整性。野生型sly菌株比突变体表现出更高的BBB穿透力。肺炎链球菌肺炎链菌素（Ply）通过预孔复合物触发p38 MAPK/NFATc1信号，上调IL-1α并降低内皮电阻。亚溶菌浓度的Ply通过PI3K/Akt/mTOR抑制自噬，诱导线粒体崩溃和caspase-9依赖性凋亡。猪链球菌烯醇化酶（Eno）结合核糖体蛋白RPSA，激活p38/ERK-eIF4E以升高HSPD1并诱导细胞骨架重排，形成细胞间隙。Eno还刺激TLR4/MyD88依赖性IL-8分泌，加剧水肿并增强BBB穿透。这些发现揭示了链球菌采用协同的毒素-酶策略，提供了新的治疗靶点。
4 免疫失调和神经损伤的分子机制
肺炎链球菌突破BBB后，荚膜多糖通过抑制C3b/iC3b补体和抵抗中性粒细胞胞外陷阱（NETs）粘附介导免疫逃逸，同时激活小胶质细胞TLR4/MyD88信号，驱动过量的IL-6、IL-1β和TNF-α，建立促炎级联。这种反应导致氧化应激和细胞因子风暴，引起海马区线粒体DNA损伤和caspase-3依赖性神经元凋亡——这些病理改变与脑膜炎幸存者长期认知缺陷密切相关。值得注意的是，N-乙酰半胱氨酸（NAC）通过抑制NF-κB核转位降低BBB通透性并恢复认知功能评分，而强力霉素通过防止MMP-9介导的ZO-1降解改善长期神经功能结局。
肺炎链球菌表现出时空毒力异质性：高肺炎链菌素（Ply）菌株激活ATG5/LC3-II介导的自噬并通过p62/SQSTM1实现细菌清除，而低Ply菌株抑制自噬体成熟并显示2.3倍更高的BBB穿透力。类似地，猪链球菌Sly形成25-30 nm孔激活NLRP3炎性体，使IL-18分泌增加五倍，这种效应可通过隐丹参酮阻断Sly寡聚化而逆转。此外，猪链球菌还通过IFN-γ/STAT1上调ATG7
