新的分子标签可能会导致更简单、更快速的结核病检测

细胞壁的大部分是由称为糖胺聚糖的复杂糖分子构成，但这些糖在帮助细菌防御中的具体作用尚不清楚。其中一个原因是之前没有简单的方法来标记它们。

麻省理工学院的化学家们现在已克服了这个障碍，展示了他们能够使用与特定含硫糖反应的有机分子来标记一种称为ManLAM的糖。这些糖仅在三种细菌中发现，其中最臭名昭著和普遍的是结核分枝杆菌，它是引起结核病的微生物。

在标记糖后，研究人员能够可视化它在细菌细胞壁中的位置，并研究在宿主免疫细胞的结核感染最初几天中发生了什么。

研究人员现在希望利用这种方法开发出一种诊断方法，以检测与结核病相关的糖，无论是在培养物中还是在尿样中，这可能提供比现有诊断更便宜、更快速的替代方案。胸部X光和分子诊断非常准确，但在结核发病率高的发展中国家并不总是可用。在这些国家，结核病通常通过从痰样本中培养微生物来诊断，但该测试的假阴性率很高，而且一些患者，特别是儿童，提供痰样本可能很困难。该测试还需要数周才能让细菌生长，延迟诊断。

“好的诊断选项不多，而且有些患者群体，包括儿童，难以提供可以分析的样本。开发非常简单、快速的测试势在必行，”麻省理工学院的Novartis化学教授、该研究的资深作者Laura Kiessling说。

麻省理工学院研究生Stephanie Smelyansky是这篇论文的第一作者，文章本周发表在《美国国家科学院院刊》上。其他作者包括麻省理工学院的博士后Chi-Wang Ma；维多利亚·马兰多，博士23；哈佛大学T.H. Chan公共卫生学院的博士后Gregory Babunovic；麻省理工学院的研究生So Young Lee；以及麻省理工学院生物工程副教授Bryan Bryson。

标记糖胺聚糖

糖胺聚糖存在于大多数细胞的表面，在那里它们执行关键的功能，例如介导细胞之间的沟通。在细菌中，糖胺聚糖帮助微生物进入宿主细胞，而它们在某些情况下也似乎与宿主免疫系统沟通，甚至阻碍免疫反应。

“与其他细菌相比，结核分枝杆菌的细胞包膜结构非常复杂，含有许多不同的糖胺聚糖，”Smelyansky说。“一个常常被低估的事实是，这些糖胺聚糖也可以与我们的宿主细胞相互作用。当我们的免疫细胞识别这些糖胺聚糖时，发出的可能不是危险信号，而是相反的信息，表示没有危险。”

糖胺聚糖被认为很难标记，因为它们与蛋白质或DNA不同，没有独特的序列或化学反应性可供靶向。而且与蛋白质不同，它们不是基因编码的，因此无法通过基因工程使细胞产生带有荧光标签（例如绿色荧光蛋白）的糖类。

在结核分枝杆菌中一个关键的糖胺聚糖，称为ManLAM，含有一种罕见的糖称为MTX，这种糖的特殊之处在于它具有硫醚——一个硫原子夹在两个碳原子之间。这种化学集团提供了使用小分子标签的机会，该标签之前已开发用于标记含有类似集团的氨基酸美克氨酸。

研究人员显示，他们可以使用这种标签，称为噁唑啉，来标记结核分枝杆菌中的ManLAM。研究人员将噁唑啉与荧光探针连接，并显示在结核分枝杆菌中，该标签在细胞壁的外层中出现。当研究人员将标签暴露于包涵分枝杆菌（一种无害且不引起疾病的相关细菌）时，他们没有看到荧光信号。

“这是第一种真正选择性地允许我们可视化特定糖的方式，”Smelyansky说。

更好的诊断

研究人员还显示，在结核分枝杆菌细胞中标记ManLAM后，他们能够跟踪这些细胞如何感染被称为巨噬细胞的免疫细胞。一些结核病研究人员曾假设，细菌细胞在宿主细胞内会脱落ManLAM，而这些游离的糖胺聚糖随后会与宿主免疫系统相互作用。然而，麻省理工学院团队发现，糖胺聚糖似乎在感染的最初几天内仍保留在细菌细胞壁中。

“细菌仍然与细胞壁相连。因此，可能会释放某些糖胺聚糖，但大部分仍保留在细菌细胞表面，这一点以前从未被证明，”Smelyansky说。

研究人员现在计划利用这种方法研究不同抗生素治疗后或对巨噬细胞进行免疫刺激后细菌发生了什么。它还可以用于更详细地研究细菌细胞壁的组装方式，以及ManLAM如何帮助细菌进入巨噬细胞和其他细胞。

“拥有一个可追踪细菌的手段非常有价值，它将使您能够可视化以前不可见的过程，无论是在细胞还是在动物模型中，”Kiessling说。

她还希望利用这种方法创建新的结核病诊断。目前有一种正在开发中的诊断方法，使用抗体检测尿样中的ManLAM。然而，这种测试只在结核病非常活跃的患者中有效，尤其是因HIV或其他病症而免疫抑制的人群。

麻省理工学院团队希望使用他们的小分子传感器而不是抗体，开发出一种更灵敏的测试，即使在尿液中只有少量ManLAM存在时也能够检测到。

该研究获得了国家过敏和传染病研究所、国立卫生研究院、国家科学基金会和Croucher Fellowship的资助。