结核杆菌（也称结核分枝杆菌），是引起结核病的病原体，由德国细菌学家罗伯特·科赫在 1882 年发现并证明为人类结核病的病原菌，它能侵犯全身各个器官，其中以引起肺结核最为多见，而这也是细菌感染性疾病致死的首位原因。
在人类与病原体的长期斗争中，结核杆菌无疑是其中最为“狡猾”的敌人之一，它不仅能在人体肺部大肆繁殖，更具备极强的环境适应能力。当感染者咳嗽时，数以百万计的病菌被抛向空中，在温度骤变、酸碱失衡、化学成分剧变的恶劣环境中，它们依然能保持活性，伺机寻找下一个宿主。
传统研究大多聚焦于病菌在宿主体内的致病机制，而忽视了其在传播过程中的自我保护策略。这种认知盲区导致结核病防控存在短板，虽能抑制患者体内病菌增殖，却难以阻断病菌在人际间的传播感染。
病菌在空气传播过程中的存活能力是其持续感染的关键之一，若是能削弱病菌暴露在空气中的自我保护能力，就能有效阻止其进一步传播扩散。但就目前而言，科学界对这些致命微生物的“超级适应能力”的机制仍然知之甚少。
（来源：MIT News）
近期，麻省理工学院的研究人员及其合作者发现了一组基因，其对于病原体暴露于空气中时的生存能力发挥重要作用，在病菌传播过程中起到保护作用
在此之前，这些基因通常被视为“非必需基因”，因为它们在细菌的体内致病过程中似乎并没有太大的影响。但此次的新研究却改变了这一认知，并揭示出这些基因在传播环节而非增殖环节中的关键作用。
“在结核杆菌的空气传播方面，我们一直存在认知盲区，长期忽视了一个关键科学问题，即当病原体通过空气传播时如何在环境剧烈变化中维持生存能力。” 麻省理工学院流体动力学疾病传播实验室负责人、土木与环境工程及机械工程副教授 Lydia Bourouiba 表示，“现在，通过研究这些基因，我们开始了解到结核杆菌在恶劣环境中保护自身的关键机制。”
（来源：PNAS）
目前，这项研究成果已经发表在PNAS上，有望为结核病的防治开辟全新路径：既阻断传播又治疗感染。值得关注的是，传统抗结核药物主要针对病原体增殖过程，而新发现将药物靶点拓展至病原体的环境适应机制
“设想开发一种针对这些基因产物的药物，不仅能有效清除患者体内的结核杆菌，更重要的是能在治疗过程中阻断病原体传播。”威尔康奈尔医学院微生物学和免疫学系主任 Carl Nathan 教授强调了这一发现的双重价值。
Nathan 和 Bourouiba 是这项研究的共同通讯作者。团队成员还包括麻省理工学院 Xiaoyi Hu、Eric Shen、Robin Jahn、Luc Geurts 等，此外，还有来自威尔康奈尔医学院、加州大学圣地亚哥分校、洛克菲勒大学、华盛顿大学等的研究人员。
另外，这项研究还得到了美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会大流行病扩展分析和预测中心（APPEX）、NASA 空间健康转化研究所等的支持。
揭开结核杆菌的生存密码
在威胁人类健康的众多传染病中，结核病被称作“沉默杀手”，这是一种由结核杆菌引发的呼吸道疾病，虽然主要攻击肺部，但这种病原体却能潜伏在人体多年。当感染者咳嗽或打喷嚏时致病菌会伴随飞沫在空气中扩散传播。
结核病是导致感染性死亡的主要原因之一，即使在没有病毒引发全球流行病的时期也是如此。正如 Nathan 所指出的那样，“在过去的一百多年间，我们经历了 1918 年的流感、1981 年的艾滋病和 2019 年的新冠病毒，这些病原体夺走了无数的生命。”他说道，“然而，随着这些病毒的影响逐渐减弱，我们面对的是一个更为持久的流行病：结核病，每年仍在吞噬数百万人的生命。”
此前，大多数关于结核病的研究都聚焦于其病理生理学，即细菌感染宿主的机制，以及疾病的诊断和治疗方法。
在这项新研究中，Nathan 和 Bourouiba 则另辟蹊径，选择从病菌自身的角度出发，专注研究结核病的传播过程，揭示该病菌可能采用的防御策略以帮助其在恶劣环境中存活和传播。
“这是首次尝试从空气传播的角度来重新审视结核病。”Bourouiba 解释说，“我们的目标是探究在生物物理条件突然变化及极端恶劣环境下，细菌是如何自我保护的。”
要知道，以往的研究大多集中在感染后的病理机制和治疗方法上，而这次的研究重点在其空气传播过程中的生存策略。
（来源：MIT News）
通过模拟人类咳嗽后的气流湍流，并观察细菌在这种环境下的行为模式，研究人员希望揭示结核杆菌在空气传播过程中所依赖的关键基因和机制，这不仅有助于开发新的治疗药物，还可以为防止疾病传播提供新的思路和方法。
关键防御机制
在麻省理工学院，Bourouiba 教授专注于流体物理学的研究，特别是液滴在传播颗粒和病原体过程中的动态行为。最近，她与专注于结核病研究的 Nathan 合作，共同探讨了细菌在其整个生命周期中依赖的关键基因。
为了更好地理解结核病菌如何在空气中存活并传播，研究人员需要创建一个实验环境，尽可能准确地模拟这些微生物在自然条件下经历的变化。
首先，研究团队需要制备一种液体，其粘度和液滴尺寸与人们在咳嗽或打喷嚏时释放出的液体相似，这一步对于确保实验条件的真实性至关重要。
“以往对结核病的研究通常使用实验室培养细菌时所采用的培养基，但我们发现，这种培养基的化学组成与结核病患者实际咳嗽、打喷嚏时喷出的液体差异很大。”Bourouiba 指出。
此外，她还提到，从结核病患者那里收集到的样本主要是咳出的痰液，主要用于诊断测试。“虽然痰液非常粘稠，并且被广泛认为能够反映患者体内的状况，但在实际传播过程中，由于过于浓稠难以分解成可吸入的飞沫小液滴，因此它的传播效率实际上很低。”她补充说。
基于 Bourouiba 在流体力学及液滴物理学领域的专业知识，研究团队成功确定了空气传播结核杆菌所需的微滴的最佳粘度和大小，使实验条件更接近真实情况，这为进一步探究和阻断结核病的传播提供了新的视角。
（来源：MIT News）
研究团队围绕临床样本展开多维度检测，通过病理切片和生物化学分析系统解析了患者肺部病灶的组成特征，随后，他们制备出一种新型“仿生培养液”。
这种液体在物理和化学性质上，包括溶质比例、流动粘性及界面张力等方面都模拟了人体呼吸道分泌物在自然环境下的状态，同时，该液体形成的液滴粒径大小也与实际咳嗽飞沫极为相似。
接下来，研究人员以单个微小液滴的形式将各种液体混合物放置于培养板上，并对其蒸发过程进行了详细记录，包括蒸发后留下的内部结构变化。
他们观察到，在液滴蒸发的过程中，相较于传统培养液中的细菌，新制备的液体能保护细菌避免暴露于空气中，从而提高了生存率，同时还能保持更高的水含量。
为进一步探究基因对细菌生存的影响，他们还向每个液滴中添加了带有不同基因缺失的菌株，以此来观察特定基因的缺失是否会影响细菌在液滴蒸发过程中的存活情况。
通过这种方法，研究团队评估了 4,000 多个结核病基因的活性，识别出一个由数百个基因组成的家族。这些基因似乎在帮助结核杆菌适应空气传播环境中扮演着重要角色。例如，一些基因负责修复因氧化损伤的蛋白质，而另一些则参与清除无法修复的受损蛋白质。
正如 Nathan 所言，“我们的研究揭示了大量的潜在关键基因，其中一部分特别值得注意，因为它们可能在促进结核病菌通过空气进行传播方面发挥着至关重要的作用。”
（来源：MIT News）
研究团队也意识到，现有的实验手段并不能完全复现细菌在自然环境中的传播过程。具体来说，结核病菌主要通过飞沫进行传播，这些微小的液滴在空气中漂浮并逐渐蒸发。
然而，为了便于进行基因分析，研究人员不得不使用静置于培养板上的液滴样本。尽管这种方法存在局限性，但为了尽可能模拟现实情况，他们将培养板置于一个极度干燥的环境中，以加快液滴的蒸发速度。
在此基础上，研究团队下一步着手探索不同的实验平台，以便在不同条件下进一步观察和分析悬浮状态下的液滴行为。目的是在更贴近实际情况的环境下深入探究新发现的这个基因家族，并验证这些基因是否确实在结核病菌的空气传播过程中发挥了保护作用。如果这一假设得到证实，那么这将为开发抑制结核病菌传播的新策略提供可能。
“仅仅依靠对已确诊的结核病患者进行治疗来控制疾病扩散的做法是远远不够的。”Nathan 说道，“事实上，许多携带并释放结核杆菌的患者尚未被诊断出来，因此我们必须找到有效的方法来切断传播链。目前我们面临的挑战在于如何精确地干预传播过程，但随着新研究成果的出现，预示着我们正朝着正确的方向迈进。”
https://news.mit.edu/2025/study-tuberculosis-protective-genes-during-airborne-transmission-0310
