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中研院基因体研究中心的谢世良特聘研究员与团队研究发现,嗜中性白血球、巨噬细胞表面的CLEC5A(C型凝集素5A)受器,不仅能辨识入侵体内的病原体,也能调控发炎反应,维持免疫系统正常运作、清除病原体。未来有机会发展以抑制发炎取代直接对抗病毒细菌的疗法。
登革热、禽流感等病毒疾病对人体杀伤力强大,它们的症状不是由「病毒的复制」直接造成,而是免疫系统的发炎反应过于激烈,使得免疫系统尚未消灭病毒就严重伤害人体。此外,自体免疫疾病,例如红斑性狼疮、肠道炎症,也是由于免疫系统的反应过久、过强。
一、过激反应
除了某些基因缺陷造成的症状,几乎所有人类疾病都是因为过度激烈的发炎。人体发炎反应的啓动因素,是传染性因子、外来抗原、自体抗原等分子,它们会结合并激发免疫细胞表面的先天免疫受体。若想建立更有效的治疗策略,就必须更了解各种抗原分子与人体免疫系统的互动机制。
人体的免疫系统可以概略分为两道防线,初步由专一性较低的先天性免疫(InnateImmunity)侦测并分解侵入的病原体,同时透过细胞素(Cytokine)等分子引起发炎反应、召集免疫细胞,集中火力清除外患。先天免疫相关的白血球包括:巨噬细胞、嗜中性白血球等等。
免疫反应就像人体的防线,各种免疫细胞就是其中各有功能的士兵。面对多数病源,这两道免疫防线可提供人体良好的保护效果。不过,以发炎反应增强防御时,人体也遭遇风险。若无法有效消灭外来抗原,或是有内源性抗原持续刺激免疫系统,会导致激烈发炎及炎症性疾病。
激烈发炎及炎症性疾病,令患者不仅痛苦,更可能留下不可恢复的伤害、甚至死亡。面对过度发炎引起的疾病,除了以疫苗预防,临床上通常以药物抑制发炎反应、并提供照护协助人体恢复。但药物也可能干扰患者的免疫系统,甚至使病原产生抗药性,因此患者与医疗人员经常陷于两难。
二、CLEC5A
谢世良团队在患者过度发炎的难关中另辟蹊径,找到了调控发炎反应的免疫细胞受器分子CLEC5A(C-Lectin-5A,C型凝集素5A)。团队发现,剔除CLEC5A基因的小鼠,对病毒、细菌的过度发炎反应大幅减弱,未来可以针对此细胞受器发展疗法,保护患者免于过度免疫反应。
嗜中性白血球,是免疫系统对抗细菌感染的第一道防线前锋。它们在感染情况严重,无法将细菌完全吞噬掉时,会膨胀自身染色体,从裂开的细胞膜将其释出。嗜中性白血球自身会因此死亡。而被释出的染色体,具有强大黏性并呈长条状,犹如渔网将细菌捕获,随染色体释出的免疫蛋白质也能直接杀死细菌、或抑制其生长。
嗜中性球细胞外捕捉(NET)虽然可以清除病原,却也产生大量干扰素,造成过度免疫反应。例如红斑性狼疮(SystemicLupusErythematosus,SLE)因为免疫系统的失调,产生自体抗体,其中有些引起细胞损伤、有些形成免疫复合体,造成过度发炎反应。
患者在发病前经常有发炎感染纪录;而自体免疫症状出现时,也可以检测到患者体内的嗜中性白血球大量减少、干扰素浓度极高,表示此时有过量的嗜中性球细胞外捕捉效果在影响人体。
嗜中性球细胞外捕捉机制,除了在红斑性狼疮患者体内会发生,当体内遇到格兰氏阳性菌、登革病毒、禽流感病毒等病原入侵,也会启动自体免疫反应。然而要避免过度免疫反应,谢世良团队发现嗜中性白血球、巨噬细胞上的CLEC5A受器是重要的调控枢纽。
过往的免疫学理论普遍认为,格兰氏阳性菌感染时,先天免疫细胞的TLR-2(Toll-LikeReceptor-2)是最关键的受器,但谢世良团队根据临床经验与知识,做出不同于过往文献的判断,并针对CLEC5A进行实验。CLEC5A受器,不仅会与过往最受重视TLR-2受器协同作用,而且是对抗病毒、细菌感染时更为重要的角色。
谢世良说明:嗜中性球是对抗细菌入侵时最重要的第一防线,而我们发现CLEC5A在嗜中性球上的表现量甚至高于巨噬细胞,所以大胆假设:CLEC5A与侦测格兰氏阳性菌有关。于是谢世良团队花费1年多进行实验与培育,得到了剔除CLEC5A基因、剔除TLR-2基因、以及同时剔除两者的珍贵实验小鼠品系。
小鼠感染实验的结果,不同于既有文献理论,却符合谢世良的预估:相较TLR-2基因剔除鼠,CLEC5A基因剔除鼠对格兰氏阳性菌感染更加敏感、致死率更高。而两个基因皆剔除的小鼠,感染致死率又高于剔除单一基因的小鼠,显示这两个基因会协同进行免疫反应。
而被剔除CLEC5A的小鼠遭感染后,因为协同作用被阻断,嗜中性白血球不会产生NET机制的各项指标,巨噬细胞也不会活化引起肠道发炎的免疫细胞IL-17γδ-Tcell。因此,谢世良认为:CLEC5A不仅能辨识病原体,若阻断这个路径,也能调控过度免疫反应,可望成为治疗自体免疫疾病的新道路。
三、登革病毒
阻断CLEC5A功能:SARS、登革热、禽流感的可能新疗法。除了格兰氏阳性菌,谢世良对病毒引起发炎机制的好奇心,源于年SARS风暴,他说:一个全新的病毒出现在世界上,居然可以被人体侦测、产生细胞素和强烈的发炎反应!这种现象非常奇特,我们实在忍不住要探究原因。
登革病毒每年造成全球两万人死亡,是因为患者重复感染不同型登革病毒,导致原先的抗体失去保护作用,反而结合病毒形成病毒-抗体免疫复合体,使病毒更容易以表面多糖分子结合巨噬细胞的CLEC5A受器,迅速进入巨噬细胞。当病毒感染量增加、巨噬细胞受到大量刺激,就产生更多细胞素促进发炎反应。
细胞素风暴就此展开:免疫系统连续受到错乱的细胞素讯息刺激,促进发炎且召唤巨噬细胞聚集,让巨噬细胞们更容易受到病毒感染、并加速分泌细胞素。因此,免疫反应遭到细胞素过度刺激的循环,患者开始自发性出血、血压下降、甚至休克,缺少良好医疗照护者可能致死。
谢世良团队在年,尝试用CLEC5A的拮抗性抗(AntagonisticAntibody)及阻扰性RNA(shRNA),阻断小鼠的免疫细胞CLEC5A受器与登革病毒结合,预防发炎反应。发现此种抗体可以大幅减轻登革热症状,且能维持小鼠正常免疫功能,大多数小鼠在此种疗法下皆有效清除病毒。
登革病毒结合巨噬细胞表面的CLEC5A受器,促使巨噬细胞分泌大量促进发炎的细胞素(Proinflammatorycytokines)。大量细胞素造成更多巨噬细胞聚集,形成细胞素风暴,促使小鼠过度发炎、血管通透性暴增,血浆渗出血管外,出现登革出血热症状。
接续登革病毒的研究,谢世良团队也发现免疫细胞的CLEC5A受器会和H5N1禽流感病毒结合,进而引发人体严重发炎。若阻断这个路径,将大幅减轻发炎症状,让免疫系统持续有效清除病毒。
在既有的研究基础上,谢世良受巴斯德研究中心邀请合作,探究CLEC5A是否能与H5N1禽流感病毒结合。他将团队精心培育的基因剔除鼠送到香港繁殖、进行实验。结果发现,剔除CLEC5A基因的小鼠,因为阻断了其与病毒结合的路径,受H5N1病毒感染后的发炎症状相对轻微许多。
抑制发炎相关的免疫因子,可以避免过度发炎反应,同时保持免疫系统正常运作以清除病毒,但不必担心病毒产生抗药性,也不会造成固醇类药物的副作用。谢世良说明,透过调控免疫细胞CLEC5A受器与病毒的结合,能发展以抑制发炎取代直接对抗病毒的疗法。
比传统疗法更顺应自然、不易产生抗药性。他说,此研究的主要收获在于:近期有H4N1患者对抗病毒药物产生抗药性,原来的药物不再能抑制病毒,使得治疗效果下降。但我们这个机制,不一定要靠药物抑制病毒复制才能减轻症状。
病毒引起发炎反应的双重路径。谢世良认为,H5N1研究的第二层重要意义,在于揭露病毒刺激人体发炎的双重路径之普遍性。病毒可以透过核酸以外的构造引起人体发炎,这种双重路径是过去我们比较不重视,但与人体疾病关联更紧密的部分。
他说,学界投注很多心力研究免疫系统如何对病毒的核酸产生反应。但是,病毒能否透过其他机制,由核酸以外的构造刺激细胞上的其他受体、引起发炎?这方面的研究相对欠缺,但是与人类疾病的相关性却更高。从登革热、日本脑炎到禽流感,谢世良都观察到病毒以核酸、多糖分子引起发炎的双重路径现象。
四、总结
他说,透过双重路径引起人体发炎的机制,并不止于引发日本脑炎、登革热的黄病毒属,可能是存在于多数病毒的普遍机制。基于这个观念,我们将继续寻找潜在的重要受器,若发现强力的病毒或细菌引起发炎的机制,就可以发展有效抑制发炎反应的疗法。多数的研究起源,都来自观察到有趣的现象,并保持强烈的好奇心。
好的研究题材,可能来自对疾病的日常观察、或尚未解答的基础问题。更重要的,是如何透过既有的知识与设备,逐步接近问题的核心。谢世良建议学生,实验设计务必按部就班,任何假说都要以控制组进行严格比对验证,绝对不能为了节省实验时间而省略。