人體第一防線中性粒細胞:蜘蛛俠也會黑化
2020年04月27日09:44

  來源:返樸 ID:fanpu2019

  2020年新年伊始,新型冠狀病毒蔓延中華大地,酒精、84消毒液這些普通消毒用品一度成為緊俏商品。莫慌,我們的身體在幾百萬年前就演化出了一個微型而功能強大的84消毒液工廠,它就是血液里的一類免疫細胞——中性粒細胞。不過,隨著研究的深入,人們發現,如果在錯誤的時間和錯誤的地點被激活,原本保護人類的中心粒細胞也會反噬機體,掀起令人聞之色變的炎症風暴。

  撰文 | 賀文輝(陸軍軍醫大學基礎醫學院生物化學與分子生物學教研室)

  人體里的蜘蛛俠

  中性粒細胞(neutrophil)來源於骨髓,雖然直徑僅約10-20微米,但是數量極為龐大——人體每分鍾大約可以形成8百萬個中性粒細胞。它就像一個不規則的圓球,中心有杆狀或分葉狀的細胞核,葉與葉之間“藕斷絲連”;成熟後還會有一個小的高爾基體、一些線粒體和幾個核糖體或粗糙的內質網,讓其功能更加完備。

中性粒細胞結構圖 |
中性粒細胞結構圖 |

  在中性粒細胞的胞質中,散佈著如滿天星一般既不嗜堿也不嗜酸的中性細顆粒,大小僅為0.2~0.4微米。不要小瞧這些顆粒,這可是中性粒細胞的秘密武器。它們富含多種酶類——初級顆粒中含有髓過氧化物酶(Myeloperoxidase,MPO)、溶菌酶(lysozyme)、彈性蛋白酶、組織蛋白酶B等;次級顆粒中含有溶菌酶、膠原酶和鐵結合蛋白(乳鐵傳遞蛋白)——這些豐富的酶類參與了細胞的吞噬與消化[1]。發現這一秘密的是俄國生物學家埃黎耶·梅契尼可夫 (Élie Metchnikoff),他因此斬獲了1908年的諾貝爾醫學獎。而且,在探索相關酶類的過程中,他意外發現了益生菌,並證實了酸奶中富含的益生菌進入體內後可以促進釋放上述酶類,進而促進細胞吞噬與消化。由此,酸奶在歐洲受到大力推廣,逐漸成為人們日常暢享的飲品之一。

  2004年,德國馬克斯普朗克研究所的Volker Brinkmann等人發現,中性粒細胞竟然如同蜘蛛俠,能夠“吐絲結網”,而且這個網威力無比,不但可以誘捕病原體屏障,限製其播散和炎性介質的擴散,還可以發揮抗菌作用,直接殺滅病原體,並通過自己“網絡交通”促進各種抗菌因子迅速集中在感染部位,有效發揮作用[2]。Brinkmann稱其為中性粒細胞胞外誘捕網NETs(neutrophil extracellular traps)。這一發現開闢了中粒細胞系研究的一個新領域[3]。

NETs螢光顯微鏡圖(40倍鏡)綠色為NETs,藍色為細胞核[19]
NETs螢光顯微鏡圖(40倍鏡)綠色為NETs,藍色為細胞核[19]

  殲滅行動

  中性粒細胞是各類病毒、病菌的殺手,就算令人聞之色變的新冠病毒也無法與之抗衡。那麼中性粒細胞怎麼展開殲滅行動的呢?

  當病原體進入人體後,會被“崗哨”淋巴細胞打上標籤——抗體。注意!有一波神奇的操作:有的標籤還自帶“調味劑”,也就是調理素,能讓病原體相對中性粒細胞口感變得更“美味”,讓後續的吞噬作用更加強大高效。

  衝破崗哨的病原體開始侵染組織,此時,中性粒細胞還在血液中巡視。那麼問題來了,中性粒細胞是如何衝破血管屏障來殲滅病原體的呢?這就要提到標籤的神奇之處了——中性粒細胞一旦偵查到帶有標籤的病原體,就會減速,在粘附分子的輔助下,粘附於病原體所在區域的血管內壁上,然後在其他交聯分子的作用下,穿過細胞之間的緊密連接,浸潤到受感染的組織,與病原體展開正面對決[4]。

  聰明的中性粒細胞絕不給病原體任何逃脫的機會,它用吞噬體的囊泡將病原體團團包裹,接著對其進行嚴格的消毒,消毒的工具就是大家最熟悉的84消毒液。

  我們都知道,84消毒液是一種含氯消毒劑,主要成分是次氯酸鈉 。次氯酸鈉是一種強電解質,遇水則電離成次氯酸根離子(ClO-),次氯酸根可以與病毒外殼或細菌的細胞壁結合,併發生氧化還原作用,使病毒、病菌裂解。次氯酸根離子進一步水解生成次氯酸,而次氯酸由於分子較小,很容易擴散到細菌表面,穿透細胞壁細胞膜,使菌體內的酶類因氧化而失去活性;同時,次氯酸分解產生新生態氧[O],極具氧化性,可以破壞蛋白質的結構,導致機體DNA複製失敗,不能進行繁殖,機體喪失功能,最終失去感染能力[5]。

  巧的是,中性粒細胞內有一種超級高效的“84消毒液”——次氯酸工廠。在這個小小的工廠中,髓過氧化物酶與過氧化氫(H2O2)共同與氯離子發生氧化反應,產生次氯酸。其中,髓過氧化物酶來源於中性粒細胞,過氧化氫是細胞吸收的氧(O2)通過線粒體膜結合酶(NADPH酶)轉換而來的氯離子則是由體內物質代謝產生的。而它們的產品次氯酸則是一種毒性最強、丰度最高的氧化劑,可迅速攻擊人體內多種生理學相關的分子,包括氨基酸、核苷酸、多烯酸、抗壞血酸、硫醇、硫醚和胺類等。這個超級迷你版的消毒工廠生產規模極為驚人,科學家做了一個定量分析,在2小時的孵育時間內,106個活化的中性粒細胞可以產生約 2×10-7 mol 次氯酸,這些次氯酸足以在幾毫秒內破壞 1.5 億個大腸杆菌[6]!

  那麼這種消毒液到底能否殺滅這次疫情的幕後黑凶新型冠狀病毒呢?答案當然是肯定的,新冠病毒外形看似複雜,但其實與其他病毒結構相似,主要由兩部分構成:外層是由蛋白質組成的衣殼包被,內層主要是遺傳物質(核酸)。因此,次氯酸對其有極強的殺傷作用,也是中性粒細胞能抗衡新冠病毒的製勝法寶。

  不過,新冠病毒在體內複製能力極強,給中性粒細胞造成了超負荷的工作量,漏網的新冠病毒就會趁機轉移到組織繼續增殖,攻擊我們的器官。此外,新冠病毒還會引起機體體內細胞因子不受控地大量釋放,導致系統性炎症,出現過度免疫現象,即“細胞因子風暴(cytokine storm)”。因此我們需要給病人使用抗感染藥物。

冠狀病毒結構圖 | 圖片來自Wikipedia@scientificanimations
冠狀病毒結構圖 | 圖片來自Wikipedia@scientificanimations

  提到了84消毒液,不得不提起它的發現者,法國化學家貝托萊伯爵(Claude Louis Berthollet,1748-1822)。不過,最初他的發現並不是用於消毒殺菌,而是用於工業漂白。1820年,法國工業促進會開出1500法郎的高額賞金,懸賞既可以避免屍體腐爛又可以分離動物腹膜的人。化學家拉巴拉克(Antoine-Germain Labarraque,1777-1850)在貝托萊伯爵研發的次氯酸鉀溶液基礎上,將原本的鉀堿液替換成廉價的氫氧化鈉,生成了次氯酸鈉,既可以除臭又可以防腐,並將其命名為拉巴拉克水 (Eau de Labarraque),最終拿到了這筆豐厚的獎金。不過令他聲名大噪的事件是1824年法國國王路易十八因死於壞疽病,死後屍體發臭,拉巴拉克用浸泡氯化水的床單成功去除了臭味,獲得了法國科學院的大獎。而在1832年的巴黎霍亂瘟疫中,拉巴拉克水第一次在人類瘟疫史上發揮了關鍵作用。

  言歸正傳,經過一番消毒後,病原體已經元氣大傷,此時,中性粒細胞迅速激活其膜上NADPH 氧化酶產生大量氧自由基(如超氧陰離子)、羥自由基,並通過脫顆粒作用釋放秘密武器——多種蛋白酶,同時分泌各種趨化因子,誘導其它免疫細胞進入感染部位集中殲滅病原體,整個過程快、準、穩,一氣嗬成[7]。戰爭過後,戰場上一片狼藉,如果我們發現傷口化膿,那就是中性粒細胞殺傷病原體留下的痕跡。當然,由於中性粒細胞占白細胞比例不同,其殲滅能力也有差異,比如成年人的正常比例是50%-70%,而6歲以下兒童則為20%-40%,這也就是兒童抵抗病毒的能力低於成年人的原因之一。另外,不同的物種中性粒細胞的佔比也不同,比如馬大約50%,牛、綿羊、實驗性囓齒動物僅20~30%。

  疫情緩和,援鄂的醫療工作者凱旋了。然而,完成殲滅行動的中性粒細胞並沒有這樣的幸運,由於儲存的能量有限,既不能再補充也不能再分裂,因此,中性粒細胞的壽命很短,在結締組織僅能存活2~3天。殺死病原體後,中性粒細胞慢慢變得偏平,粘附於基質,靜待最後的綻放。此刻胞內顆粒如星星之火開始激活,細胞核染色質去濃縮化,分葉核消失,顆粒膜與核膜融合,顆粒內蛋白和染色質混合,最後,細胞膜破裂,附著顆粒蛋白的染色質纖維被釋放到胞外[8]。猶如煙火般悲壯,華美似蜘蛛俠吐出的絲網。這絲網威力無比,能捕捉未來過路的病原體——這就是本文開頭介紹的中性粒細胞胞外誘捕網NETs。

  隨著對NETs的深入研究,人們發現,NETs參與了多種疾病的病理進程,且幾乎在腫瘤發展與進展的每一個階段中都發揮了關鍵作用。有科學家認為,NETs是一把雙刃劍——它的功能不僅限於捕捉病原體——已有的實驗證據表明:NETs形成和清除失衡是誘發自身免疫性疾病的原因之一,包括系統性紅斑狼瘡、類風濕性關節炎、白塞氏病等[9-10]。另外有報導NETs細胞外DNA具有細胞毒性和血栓形成效應,是炎症和血栓形成的橋樑[11]。不過,對NETs在免疫、炎症、血栓、癌症中的病理生理作用的認知,為針對NETs的靶向抑製物研製以及相關疾病的治療提供了一個嶄新的方向。

  小體積,大潛能

  隨著人類對中性粒細胞的認知不斷加深,科學家發現中性粒細胞不僅是一個“鋼鐵直男”,而且是一個“大暖男”:它可以與T細胞相互作用,促進血管生長,確保胎盤的正常發育,嗬護著每個孕媽媽。遺憾的是,患有先兆子癇的女性的中性粒細胞則不能與T細胞相互作用,孕期會出現頭痛、眼花、噁心、嘔吐、上腹不適等症狀[12]。倫敦大學瑪麗皇后學院的Nadkarni等人通過相關研究證實,中性粒細胞有望成為一種妊娠併發症的潛在治療靶點[13]。

  對過敏性鼻炎、過敏性哮喘的患者來說,中性粒細胞也是重要的救兵。在一項新的研究中,來自英國帝國理工學院、蘇格蘭格拉斯哥大學、西班牙瓦倫西亞大學和比森癌症研究所的研究人員以HDM(屋塵蟎)誘導的過敏性氣道疾病為模型,證實當中性粒細胞耗竭後,會誘發輔助性T細胞2型(Th2)炎症,導致上皮重塑,加劇氣道阻力,併發現中性粒細胞在限製TH2過敏性氣道炎症中發揮著意想不到的調節作用[14]。

  遺憾的是,如果中性粒細胞在錯誤的地方或錯誤的時間被激活,就會變成“黑蜘蛛”。原本用來消滅入侵病原體的機製同樣會破壞健康的組織,比如中性粒細胞會通過誘導平滑肌細胞死亡進而加重動脈粥樣硬化[15]。此外,在急性主動脈夾層發生後,中性粒細胞會大量增殖,釋放IL-6(白介素6)和女生P-9(基質金屬蛋白酶9),促進急性主動脈夾層發生之後的外膜炎症反應進程,最終導致夾層的擴展和破裂[16]。

  隨著疫情全球蔓延暴發,多國家、多領域的科學家都投入新型冠狀病毒的研究,來自武漢大學中南醫院的最新研究結果首次披露了死亡患者的病程特徵,發現死亡患者的中性粒細胞計數持續增加,提示病毒誘導的細胞因子風暴引起嗜中性粒細胞的增多,相關研究於2月7日在線發表在JAMA雜誌上[17]。還有很多一線專家通過分析新冠肺炎患者的臨床特徵,一致發現肺炎患者,特別是重症肺炎患者,他們的眾多炎症因子(如IL-6、TNF等)顯著增高[18] 。也就是說, 這些因子的急劇增多引發的細胞因子風暴始終是冠狀病毒及其他嚴重感染患者疾病進展及死亡的重要推手之一,其中免疫細胞(T細胞、巨噬細胞和NK細胞)快速增殖並高度活化是主要的原因,而中性粒細胞也參與了這些因子的釋放與發生過程,但具體的機製還需要進一步深入的研究。

細胞因子風暴發生過程[20]
細胞因子風暴發生過程[20]

  不過,西班牙馬德里國立心血管病研究中心 (CNIC) 的科學家們最近發現,中性粒細胞擁有一種特殊的修復系統,可以逐漸降低它們發動毒性攻擊的能力。另外,隨著年齡的增長,中性粒細胞會在損害健康組織之前通過這一修復系統消除顆粒中的有毒物質,使攻擊性能力喪失,堪比一場“紅與黑蜘蛛俠”的較量。

Spider-Man 3 | http://www.impawards.com/2007/spider_man_three_ver4.html
Spider-Man 3 | http://www.impawards.com/2007/spider_man_three_ver4.html

  I’ll Chase “COVID-19” Away

  中性粒細胞作為人類最豐富的循環免疫細胞,當病原體威脅我們機體時,它們如同蜘蛛俠,第一個到達感染或炎症的“一線”,消除問題根源,並竭盡一生守住人體的第一道防禦線,就像歌里唱的那樣:

  Dear my host:

  I see your monsters, I see your pain。

  I know your problems,I‘ll chase them away

  I‘ll be your lighthouse I’ll make it okay

  And I‘ll be here like you were for me

  So just trust me,let me in!

  You‘ve got the chance to see the light

  I am neutrophil。

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