嗜中性細胞胞外誘捕網與其相關疾病簡介

嗜中性細胞與病菌感染簡介
嗜中性細胞在人體先天免疫系統的功能,主要是負責防禦細菌、真菌或阻絕病毒感染與擴散的細胞。在臨床上已知患者體內嗜中性細胞數目偏低會導致病菌感染不易根治,同時也極容易復發。因此,有關嗜中性細胞在先天免疫病原菌清除、免疫活性的調控,以及在病理學的研究,遂成為基礎以及臨床研究的重要課題。

嗜中性細胞主要藉由吞噬作用、脫粒作用與釋放嗜中性細胞胞外誘捕網(neutrophil extracellular traps, NETs)等三種效用功能防止微生物感染與侵害,其中以嗜中性細胞胞外誘捕網(NETs)功能發現最晚。然而,此種因透過病原成分或微環境中的化學因子誘發嗜中性細胞活化進而釋出其細胞核DNA至胞外環境去捕捉、中和病原菌的作用方式,雖然不會立即裂解細胞,但是因為其有類似細胞程式性死亡的過程,卻又不同於常見的細胞凋亡(apoptosis)或壞死(necrosis),後來就以釋網凋亡(NETosis)命名。

近年來,隨著陸續發現誘發釋網凋亡反應的重要化學訊號,該反應在免疫與感染疾病調控上的重要性也獲得更多的重視。以下將簡單地整理針對此項作用的機制,以及近年來NETs與疾病發生的關聯性,乃至於現今在臨床治療上的重要性。

嗜中性細胞胞外誘捕網(NETosis)現象與調控機制
嗜中性細胞受刺激而產生的NETs可用以對抗多種革蘭氏陽性與陰性菌,甚至人類免疫缺乏病毒HIV-1,以及自2019年造成全球性人類大規模傳染的SARS-CoV-2病毒感染的細胞,也會誘發嗜中性細胞的釋網凋亡。儘管相關研究顯示,生物體適時地誘發嗜中性細胞的釋網凋亡,對於體內感染控制有實質上的助益,但也有研究發現,伴隨著NETs所釋出的細胞毒性蛋白亦會損害宿主的正常細胞,或者活化血小板凝結;同時,亦發現自體免疫患者的抗體也會受參與NETs作用的相關蛋白影響而誘發病症,甚至無菌性發炎反應也與NETs的形成有關。這都顯示「釋網凋亡」是同時具有保護身體、損害身體的雙面刃。因此,更加瞭解此機制而提供疾病控制的新型可行方針,乃是趨吉避凶之道。

1. 嗜中性細胞釋網凋亡(NETosis)現象
第一種途徑稱為典型釋網凋亡(Classical NETosis),起始於細胞核去分葉和核膜分解,隨後染色體在細胞質解濃縮,並在細胞膜破裂後釋出胞外,形成嗜中性細胞胞外誘捕網(NETs)。第二種則為非細胞膜裂解性的釋網凋亡(Non-lytic NETosis)模式,可在短時間內形成並釋出胞外誘捕網。嗜中性細胞在釋放含有顆粒體蛋白的染色質後,無細胞核的細胞仍能繼續進行胞飲作用清除纏繞其上的病原菌,亦有研究顯示巨噬細胞會趨近NETs,協助清除病原菌。

圖1:嗜中性白血球胞外誘捕網(NETs)形成途徑

2. NETs調控病原菌感染的機制
釋網凋亡過程末期所釋出的NETs會造成與其接觸的病原菌損傷,主要原因在於這些由核DNA、粒線體DNA所組成的網狀多分子聚合物,其上所纏繞的酵素可以利用物理性或化學特性限制病原菌活動,達到去活病原菌的結果。近來研究也發現,組蛋白的轉譯後修飾會影響NETs的特性,其中除了常見的乙醯化、甲基化,另一種較少見由PAD4介導的瓜胺酸化修飾,會透過增加染色質的鬆弛化而提升NETs的活性,增加捕捉病原菌的機會。

釋網凋亡看似對於嗜中性細胞控制微生物感染有極重要的角色,但近年來卻陸續發現,在某些結核桿菌或是克雷伯氏肺炎菌感染上規模擴大,病菌大量聚集形成生物膜時,釋網凋亡便無法有效清除該感染。亦有研究發現,金黃葡萄球菌株能釋放核酸酶剪切核酸,幫助其擺脫NETs,該菌甚至進一步釋放腺苷合成酶(adenosine synthase),將由NETs上剪切下的核酸修飾成誘發細胞凋亡的前驅化學分子去氧腺苷(deoxyadenosine),可以造成靠近NETs協助清除該菌的巨噬細胞啟動細胞凋亡機制而死亡。這些發現不但說明及瞭解釋網凋亡詳細機制對於疾病感染控制的重要性,也能透過病原所衍生出逃脫NETs作用的方式,瞭解後續病原控制的策略,以及如何運用至釋網凋亡所造成的正常細胞受損等狀況。

與NETosis相關的疾病
因由細胞釋放結合於NETs的許多酵素蛋白並無作用標的專一的嚴格控制性,使得發生釋網凋亡的部位容易引發對體內非病原菌的細胞或組織造成發炎的反應,導致病變,是疾病發生與控制的雙面刃。以下將簡略整理幾個常見的病理現象,同時亦可參考圖2之簡要說明。

1. 組織傷口細菌性發炎
組織受傷倘若伴隨著病原菌感染,當嗜中性細胞透過釋網凋亡清除病原菌感染時,上皮與內皮細胞也會受其所釋放出來的眾多化學物質造成連帶性損傷,輕則拖延傷口癒合時間,重則像菌血症造成的全身性影響,最後嚴重影響肝臟細胞而形成肝衰竭。另外,對於第一型糖尿病患者而言,糖尿病型足潰瘍引起的相關併發症組織內可測得較高量的NETs,研究指出,較高葡萄糖濃度會加速釋網凋亡進程,使糖尿病患者的傷口不易癒合。
2. 心血管疾病
倘若釋網凋亡發生在血管,嚴重的話會損害血管壁細胞而形成血管炎(vasculitis),如果此現象涉及紅血球、血小板,極可能造成血栓,嚴重影響健康。
3. 自體免疫疾病
釋網凋亡過程中產生的顆粒體蛋白、染色質上的DNA與組蛋白等,極易刺激自身抗體生成,進而惡化為自體免疫疾病。目前已知包括:系統性紅斑性狼瘡、類風濕性關節炎等,皆與釋網凋亡有關。
4. 癌症
有研究觀察到路易斯氏肺癌(Lewis lung carcinoma)與伊文氏肉瘤(Ewing sarcoma)之病理組織中,有釋網凋亡後死亡的嗜中性細胞存在,顯示NETs可能會促使腫瘤細胞增長;其他研究亦發現,伴隨著循環系統游移的癌細胞會被嗜中性細胞的NETs攔阻,而成功在特定區域增生進而完成遠端轉移。因此,針對腫瘤附近NETs的控制也是癌症治療可行的方式之一。

圖2:嗜中性細胞釋網凋亡現象引起的相關病理症狀

NETs概念在臨床上的應用
由前述介紹可知,釋網凋亡機制啟動時機與啟動數量的過與不及,可能導致病原菌感染失控或引發如圖2所述的病理症狀。追根究底,掌握控制釋網凋亡表現的方式將具有臨床上的應用性。以下簡略介紹目前以釋網凋亡機制為標的發展之可能臨床應用。

第一種是仰賴NETs具有能夠限制病菌遷移、在局部進行病原去活的特性:擴增與活化嗜中性細胞以激發釋網凋亡對抗病原菌感染之應用。目前已發現多種因子能夠驅動嗜中性細胞釋網凋亡,惟如何適當地應用於臨床以啟動適量的嗜中性細胞釋網凋亡進而控制感染疾病,依然是方興未艾的研究課題。

第二種應用則建立在近期有越來越多的證據顯示,生物體或血清中可測得的NETs含量可能與疾病的發展階段、嚴重程度與預後狀況皆有所關聯性,因此可針對NETs開發能特定辨識並進行相關活性定量的檢測,作為疾病判讀與治療的參考指標。

第三種應用則多為在面對由釋網凋亡影響的疾病治療時,藉由能夠有效而專一地對NETs活性進行調控的適當藥劑或是方法,例如:抑制釋網凋亡啟動,或者減阻釋網凋亡的影響,以達成疾病的管理目標。目前,這些治療標的多著重在因為太高強度的NETs所誘發之自體免疫、高度免疫發炎、代謝異常等疾病。

結語
直至今日的研究已知,除了嗜中性細胞之外,嗜酸性細胞、肥大細胞、嗜鹼性細胞、單核球細胞,乃至於吞噬細胞等免疫細胞也都有能夠進行釋網凋亡作用的相關報導。而除了動物利用釋網凋亡作用清除與控制病原外,近年也發現鬆解染色質的過程在單細胞真核生物以及植物中也具有防護病原侵害的效用,這些資訊提供科學家重新思考真核生物利用染色質對抗病原菌在演化上的意義,以及釋網凋亡作用在疾病控制上的重要性。然而,絕大多數與NETs相關的研究都是利用細胞進行活體外分析或在老鼠模式試驗而得的結果,釋網凋亡在生物體內的調控機轉以及該作用與疾病發生乃至於疾病治療運用的關聯性,仍然所知有限,有待科學家更多的努力才能窺得究竟。

(摘錄自《感染控制雜誌》第三十二卷二期:DOI: 10.6526/ICJ.202204_32(2).0006)

 

文/圖:感染症與疫苗研究所許素菁副研究員實驗室團隊、國立清華大學生物資訊與結構生物研究所博士生楊育韶整理

Comments are closed.