超抗原是一类由细菌、病毒等产生的具有强丝裂原活性的外毒素，与主要组织相容性复合体Ⅱ结合，刺激T细胞产生并释放大量的促炎细胞因子，在极低浓度下即可刺激机体产生超强免疫应答，是迄今发现的最有效的T细胞丝裂原。链球菌超抗原在链球菌感染致病过程中发挥重要作用，可促进链球菌的定植、增殖和传播。深入研究链球菌超抗原生物学特性对了解链球菌致病机制、预防和治疗链球菌感染具有重要意义。本文主要探讨链球菌超抗原的分类及特点、致病机制与开发应用等相关研究进展，为临床认识和深入研究相关疾病提供参考。
版权归中华医学会所有。
未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
除非特别声明，本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。
1989年Philippa Marrack等首次提出超抗原(superantigens，SAgs)的概念，指一类由部分细菌、病毒、支原体分泌的具有强丝裂原(mitogen，诱导细胞发生有丝分裂的物质)活性的外毒素，在极低浓度下即可刺激机体产生超强免疫应答，是迄今发现的最有效的T细胞丝裂原[1]。与普通抗原相比，SAgs无需抗原呈递细胞(antigen presenting cell，APC)的加工处理，可直接与主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex，MHC)Ⅱ结合，刺激T细胞释放大量的促炎细胞因子，从而诱发细胞因子风暴，造成机体损伤。目前研究发现可产SAgs的细菌主要有链球菌，如化脓性链球菌(Streptococcus pyogenes，通常又称A族链球菌，即Group A Streptococcus，GAS)、停乳链球菌(S.dysgalactiae，Group C Streptococcus，GCS)、马链球菌(S.equi，Group G Streptococcus，GGS)以及金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)等[2]。金黄色葡萄球菌产生的一种蛋白质抗原起初名为金黄色葡萄球菌外毒素样蛋白，因其与SAgs具有高度相似的序列和结构从而被重新命名超抗原样蛋白(staphylococcal superantigen－like proteins，SSL)，与SAgs属于同一家族[3]。但SSL与SAgs在生物学功能上存在明显差异，SSL不与T细胞受体(T cell receptor，TCR)和MHC Ⅱ结合，主要作用于宿主的先天免疫系统，在病原免疫逃逸中发挥作用[3,4]。
近年来随着研究深入，科学研究者在链球菌SAgs种类、生物学功能及其在疾病中的作用等方面取得了一些重要进展。本文主要针对链球菌SAgs，综述其生物学特性及其致病机制等方面的研究进展，为临床认识和深入研究相关疾病提供参考。
通常认为，1924年Dick及其同事分离出的猩红热毒素是最早在链球菌中发现的SAgs[1]。此后，外毒素B(toxin B)、外毒素C(toxin C)分别于1934年和1960年被相继发现[2]。这3种毒素因强烈的致热效应分别命名为致热外毒素A(streptococcal pyrogenic exotoxins A，SPE-A)、致热外毒素B(SPE-B)和致热外毒素C(SPE-C)[2]。但其后研究发现，高纯度的SPE-B没有明显促进淋巴细胞增殖的SAgs活性，因此目前普遍认为SPE-B不是SAgs[1,2]。除致热外毒素外，Mollick等[5]在GAS的Weller株中发现了链球菌超级抗原(streptococcal superantigen，SSA)，与SPE-A和SPE-B相比，SSA与葡萄球菌肠毒素B、C1、C3的基因序列相似性更高。从GAS菌株M1/T1培养液中可分离提取获得另一种名为链球菌促有丝分裂外毒素(streptococcal mitogenic exotoxin Z，SMEZ)的SAgs[6]。SMEZ可促进T细胞应答重要协同刺激分子CD28/B7的突触形成，进而诱导炎症细胞因子表达[7]。
迄今在GAS中发现的SAgs有12种，分别为SPE-A、SPE-C、SPE-G、SPE-H、SPE-I、SPE-J、SPE-K、SPE-L、SPE-M、SSA、SMEZ1、SMEZ2 [1,2]。这12种SAgs部分由细菌染色体基因编码，部分由细菌内的噬菌体或转座子编码[8]。三维结构研究显示，SAgs由2个球状的结构域组成，即N端的β-折叠桶结构域和C端的β-卷曲结构域，分子量在23 kDa~28 kDa之间。N端向C端伸展形成α螺旋，形成TCR的结合位点且使蛋白结构更加稳定[3]。
对于GCS和GGS，尽管很早就发现了其临床分离株培养液中的促有丝分裂活性，但分离确认其产生SAgs的时间晚于GAS。2002年Timoney研究团队才首次报道了GGS中产生的SePE-H和SePE-I，分子量分别为23.6 kDa和25.7 kDa，二者与GAS产生的SAgs中的SPE-H、SPE-I具有高度同源性[9]。此外，GGS产生的SPE-LSe、SPE-MSe(分子量27.4 kDa和26.2 kDa)编码基因分别与GAS中的SPE-K、SPE-L编码基因具有99%和98%的相似性[10]；GCS中产生的停乳链球菌衍生有丝分裂原(streptococcus dysgalactiae－derived mitogen，SDM)、SPE-Gdys(分子量25.0 kDa和24.4 kDa)与GAS中的SPE-M、SPE-G具有99%和86%的氨基酸相似性[11,12]。GGS和GCS可能从GAS菌株中获得SAgs基因，毒力得以增强[1]。
传统抗原必须经APC的加工，后提呈到特异的MHC Ⅱ抗原结合凹槽，从而与高度特异性TCR相互作用，激活T细胞[8]。而SAgs无需APC的加工和提呈，可同时与MHC Ⅱ和TCR结合形成三元复合物。且SAgs不受MHC Ⅱ多态性的限制，能以完整分子形式高亲和力地结合在MHC Ⅱ抗原肽结合凹槽外侧。此外，SAgs与TCR的Vβ链可变区域结合，极低浓度的SAgs(<0.1 ng/L)便可广泛激活T细胞[2,13]。人类T细胞库中不同TCR β链的数量通常在50个以下，其中大约有25种Vβ类型，SAgs可结合多个特定的Vβ区域，因此可激活多达25%的T细胞群，与传统抗原只能激活1/(105~106) T细胞形成鲜明对比，是迄今为止发现的最有效的T细胞有丝分裂原[2]。
SAgs的这种生物学特性，可使激活的T细胞和APC释放大量的白细胞介素-2(IL-2)、γ干扰素(IFN-γ)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等细胞因子[14]。这种不受控制的炎症因子大量释放是导致链球菌中毒性休克综合征(streptococcal toxic shock syndrome，STSS)的重要原因[15]。Brosnahan和Schlievert[16]揭示的SAgs致病机制表明，当链球菌溶血素O损伤上皮细胞后，SPE-A进入黏膜下层，刺激上皮细胞分泌趋化因子，将淋巴细胞募集到感染部位，成为SAgs的激活目标；SAgs刺激T细胞分泌的Th1细胞因子以及APC共同扰乱了宿主免疫应答；炎症因子大量释放导致STSS。此外，SAgs靶向T细胞的同时，招募并破坏效应细胞活性，可造成宿主免疫功能失调，阻碍宿主抗感染能力，增加病原体存活的机会[17,18]。Davies等[19]研究表明，人扁桃体细胞培养物中的B细胞自第4天起逐渐产生IgG、IgA等免疫球蛋白，而暴露于SAgs可使B细胞凋亡、免疫球蛋白合成显著减少。Kasper等[20]发现，野生型C57BL/6(B6)小鼠可快速清除GAS，而GAS在表达人MHC Ⅱ的B6小鼠中感染力增强10 000倍，GAS在鼻咽部的急性感染依赖SAgs和宿主MHC-Ⅱ分子，SAgs可促进GAS在人源化小鼠模型鼻咽部的定植。
SAgs在链球菌感染致病过程中发挥重要作用。SAgs不仅激活大量T细胞产生极强免疫应答，释放大量促炎细胞因子造成机体损伤，还可促进链球菌的定植、增殖和传播。SAgs引发的链球菌感染相关疾病主要有STSS、猩红热、川崎病等。
中毒性休克综合征(toxic shock syndrome，TSS)的病原主要是金黄色葡萄球菌，但也可由链球菌引起，称为STSS。STSS可由SAgs引发，多为GAS感染引起，少数为GBS和猪链球菌感染引起。超抗原刺激T细胞后，不受控制的炎症因子大量释放是导致STSS的重要原因[15]。临床上通常采用静脉注射免疫球蛋白、阻断或失活SAgs、及时进行重症监护以防止多器官衰竭、手术控制感染源等方式治疗STSS[21,22]。
猩红热是一种GAS引起、由SAgs介导的疾病，临床主要表现为发热、咽部红肿、疼痛、皮肤弥漫性红色皮疹和疹退后脱屑等。引起猩红热暴发流行的GAS常为可产生SPE-A、SPE-C等SAgs组合的菌株，这些毒素具有影响IgG的产生、影响网状内皮组织的清除功能、刺激T细胞增殖、增加皮肤炎症反应的作用[23]。有学者认为，可将脱毒的SAgs纳入GAS多组分疫苗中预防猩红热的传播和复发[18]。
又称皮肤黏膜淋巴结综合征，是以全身性血管炎为主要病变的儿童急性发热性疾病。研究表明，GAS、金黄色葡萄球菌等产生的SAgs参与了川崎病的发病，川崎病患者的临床症状与超抗原引起的疾病表现相似[24]。对患有川崎病的婴儿十二指肠黏膜进行活检，发现有抗原入侵激活了宿主免疫系统，推测GAS和金黄色葡萄球菌产生的SAgs刺激T细胞从而导致了该病发生[24]。
此外，SAgs还参与了GAS引起丹毒、侵袭性感染、暴发性紫癜等临床疾病的致病过程[17]。目前针对SAgs的主要干预措施有：抗生素抗感染和静脉用免疫球蛋白等支持性治疗，使机体清除细菌，减少和消除SAgs的持续刺激，针对SAgs进行疫苗接种等[17]。
基于SAgs超强激活T细胞的生物学特性，近年来，其在肿瘤治疗、疫苗和药物研发等领域的作用也得到了广泛关注。
SAgs在临床上已被用作治疗肿瘤的免疫调节剂[25]。研究发现，SAgs葡萄球菌肠毒素B(staphylococcal enterotoxin B，SEB)是有效的肿瘤免疫反应激活剂，可以根除肿瘤的生长并抑制肿瘤转移[26]。将葡萄球菌肠毒素C2(staphylococcal enterotoxin C2，SEC2)用His标记(SEC2-His)，经口服给药后可在大鼠血液中检测到，并且SEC2-His能引起肿瘤组织周围大量的细胞因子释放和免疫细胞富集，可作为静脉注射蛋白药物发挥抗肿瘤作用[27]。
其次，SAgs可用于疫苗和药物研发。在灵长类动物恒河猴咽部感染模型中，含GAS保守蛋白抗原(非M蛋白)的候选疫苗Combo5可刺激抗体反应，与对照组相比能降低咽炎和扁桃体炎指征[28]；SPE-C突变体Y15A/N38D、Y15A/H35A/N38D对兔脾细胞和人外周血单个核细胞无致畸性，在兔STSS模型中具有高度免疫原性[29]。Bashraheel等[30]研究证实葡萄球菌肠毒素A(staphylococcal enterotoxin A，SEA)和SPE-A 2种重组SAgs具有直接的血管舒张作用，根据SPE-A的功能区域设计合成20个重叠肽，其中3种重叠肽具有成为新型降压药物的潜力。
同时，SAgs还具有免疫佐剂和提升白细胞数量的作用。Dominguez－Medina等[31]研究发现，SpeS有作为马腺疫疫苗佐剂的潜力，SpeSY39I与表面蛋白融合体可将疫苗中的抗原引导至体内的APC，具有增强抗原呈递和改善免疫反应的能力。注射4 ng/mL以上的SAgs可使小鼠体内白细胞显著升高，5 ng/mL以上的SAgs可促进小鼠脾脏细胞及人外周血淋巴细胞的高度增殖，并且SAgs可提升放、化疗肿瘤患者外周血的白细胞数量[32]。
然而，SAgs诱导机体产生大量的炎症细胞因子容易导致TSS的发生，对严重不良反应的担心可能会限制SAgs的临床研究和应用[25]。降低SAgs毒性反应的策略之一便是减少其对T细胞的过度刺激[33]。例如，Golob－Urbanc等[34]将SEA分成2个无活性功能的片段连接到单链抗体，当2个片段接近时可重新组装形成有活性的SAgs，导致T细胞的选择性活化。另一种方法便是利用超抗原样蛋白代替SAgs[33]。例如，葡萄球菌肠毒素(staphylococcal enterotoxins，SEs)在临床上表现出良好的抗肿瘤活性，但不可避免的发热、呕吐等不良反应严重限制了其在恶性肿瘤治疗中的应用。然而，葡萄球菌类肠毒素(staphylococcal enterotoxin－like toxins，SEls)与SEs虽有较高的氨基酸相似性，却表现出低催吐活性。SElQ可以显著激活小鼠和人源性淋巴细胞活性，每只小鼠给予30 μg SElQ后可抑制30%肿瘤细胞生长且无明显不良反应[35]。
SAgs在宿主-病原相互作用中发挥重要作用，可以从不同角度认识和研究其生物学作用。一方面，SAgs可促进细菌的定植、增殖和传播，造成机体损伤；另一方面，SAgs在极低浓度即可产生超强免疫应答的作用特点又可用于肿瘤治疗、疫苗和药物研发等。尽管对于链球菌SAgs的研究已有几十年，但SAgs在细菌生理代谢中发挥的作用在很大程度上仍未完全明了[2]。继续深入开展针对SAgs的研究对于了解链球菌致病机制、预防和治疗链球菌感染具有重要意义。
所有作者均声明不存在利益冲突
