抗菌天網(wǎng)：免疫系統(tǒng)的“血肉長城”
發(fā)布時間：2015-04-02 08:39:25瀏覽次數(shù)：2776
在人類的免疫系統(tǒng)中，中性粒細(xì)胞們算得上是最“悲壯”的群體之一。它們占人體內(nèi)白細(xì)胞總量的60%左右，在骨髓中生長直至成熟，隨血液流動周游全身。當(dāng)病原微生物侵入體內(nèi)造成感染時，中性粒細(xì)胞會第一時間聚集在感染的發(fā)生部位，試圖驅(qū)趕和殺滅那些進(jìn)入人體的不速之客。在未經(jīng)活化的狀態(tài)下，最多兩三天的時間，這些細(xì)胞就會死亡，然后被免疫系統(tǒng)清除。與此同時，新的中性粒細(xì)胞會從骨髓中分泌而出，代替它們的前輩執(zhí)行監(jiān)察和守衛(wèi)的職責(zé)，死而后已。
最后的殺招：自我犧牲織“天網(wǎng)”
作為保衛(wèi)人體的戰(zhàn)士之一，中性粒細(xì)胞手上有什么“家伙”？與人類的現(xiàn)代戰(zhàn)爭不同，人體內(nèi)的“戰(zhàn)爭”往往以肉搏戰(zhàn)的形式開始。中性粒細(xì)胞通常聚集在病原入侵地點，試圖進(jìn)行吞噬并消化。對它們來說，“吃掉敵人”的打法當(dāng)然是最經(jīng)濟(jì)的選擇——既完成了消滅任務(wù)，又飽餐一頓。
如果肉搏戰(zhàn)役進(jìn)展不順利，中性粒細(xì)胞會進(jìn)行脫粒作用——分泌體內(nèi)包含有殺菌物質(zhì)的顆粒，對細(xì)菌進(jìn)行“遠(yuǎn)程殺傷”。這些物質(zhì)主要包括溶菌酶，水解酶和過氧化物酶類。
早些年，人們認(rèn)為中性粒細(xì)胞主要通過以上兩種方式進(jìn)行殺菌：吞噬病原然后消化，或者分泌抗菌分子。而隨著研究的進(jìn)一步深入，2004年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了中性粒細(xì)胞的充滿悲劇英雄色彩的“終極武器”——中性粒細(xì)胞胞外陷阱（Neutrophil Extracellular Traps，NETs，縮寫意為“網(wǎng)”）。
2004年，《科學(xué)》的一篇封面文章揭示了中性粒細(xì)胞不為人知的“秘密武器”。圖片來源：Science
在特定的情況下，中性粒細(xì)胞會毅然赴死（這一過程被稱為“NETosis”），自我犧牲并釋放體內(nèi)的物質(zhì)，組成一張“天網(wǎng)”擒獲周圍的微生物。這張網(wǎng)可謂是中性粒細(xì)胞的“血肉”筑成的：NETs中包含大量的DNA、組蛋白，以及大量其他蛋白質(zhì)。大量的組蛋白不僅自身具有抗菌作用，還能夠為NETs提供巨大的質(zhì)量，使NETs能更為有效的限制病原菌的活動。其他蛋白質(zhì)中則包含能夠?qū)?xì)菌產(chǎn)生直接殺傷的蛋白酶體以及能夠結(jié)合金屬離子造成細(xì)菌養(yǎng)分不足的金屬結(jié)合蛋白。
在這傾盡一切的最后殺招中，連在正常細(xì)胞中最為重要的遺傳物質(zhì)，也身先士卒上了戰(zhàn)場。今年年初的一項研究指出，在NETs中，DNA可能發(fā)揮著黏附和殺滅兩大作用。目前的觀點更傾向于認(rèn)為，是DNA與NETs上的結(jié)合蛋白一起，構(gòu)成了“天網(wǎng)”殺滅細(xì)菌的最主要力量。
NETs 束縛從外界侵入的“不速之客”。左上：中性粒細(xì)胞；右上：NETs；中：被NETs束縛的弗氏志賀菌；左下：被NETs束縛的金黃色葡萄球菌；右下：被 NETs束縛的白色假絲酵母。圖片來源：Volker Brinkmann & Arturo Zychlinsky，Nature Reviews Microbiology
“自爆”失控，反傷主人
需要指出的是，與許多免疫機(jī)制一樣，NETs的形成也是一把雙刃劍。不能有效形成NETs的人群固然受到更高感染幾率的威脅，但如果NETs的形成缺乏適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，也會引發(fā)災(zāi)難性的后果。所謂“請神容易送神難”，自身免疫疾病是NETs缺乏調(diào)控導(dǎo)致的主要后果。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在全身性紅斑狼瘡患者的體內(nèi)，NETs形成的反應(yīng)略有不同。在發(fā)生免疫反應(yīng)時，全身性紅斑狼瘡患者的中性粒細(xì)胞似乎更“樂意”壯烈犧牲，更多的NETs隨之形成，而對應(yīng)的吞噬作用則被極大的減弱。
此外，在對這些患者體內(nèi)NETs進(jìn)行檢測后，研究人員發(fā)現(xiàn)，它所具有的各類抗菌物質(zhì)濃度都更高。更致命的是，30%的全身性紅斑狼瘡患者體內(nèi)，DNA水解酶DNAse I活性都因為太低導(dǎo)致NETs無法降解，這樣，大量存在的NETs在清理完既定目標(biāo)后，反而會對患者的細(xì)胞和組織進(jìn)行殺傷。
如何開發(fā)一種藥物，去抑制NETs失控帶來的危害呢？在這點上，人們恐怕要好好和自己的“敵人”——病原菌們進(jìn)行學(xué)習(xí)。為了打進(jìn)人體，獲得寶貴的營養(yǎng)和繁殖環(huán)境，病原微生物在漫長的年月中演化出了無數(shù)精妙的“戰(zhàn)術(shù)”來摧毀人類的免疫防線。即便是看上去多么英勇剛烈無人能擋的中性粒細(xì)胞，在一些病原菌眼中，都只不過是大軍前進(jìn)的車輪前一支小小的螳臂。
病原菌的破網(wǎng)之計
細(xì)菌的策略也很簡單，無非3種：摧毀，偽裝和早期抑制。
偽裝是細(xì)菌侵入宿主的過程中最常用的手段。它簡單經(jīng)濟(jì)高效實用，還能給自己帶來一種“萌萌噠”的神秘感——只有暴徒才會動輒舞刀弄槍，作為一個優(yōu)雅的病原菌，如春雨入夜一樣無痕潛入才符合自己的身份。肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）是此類病原菌的典型。正如大名鼎鼎的格里菲斯實驗中所描繪的一樣，肺炎鏈球菌穿著由厚厚的多糖莢膜構(gòu)成的“隱身衣”，繞開中性粒細(xì)胞的監(jiān)視。即使遇到了已經(jīng)形成的NETs，這層多糖仍有助于降低NETs對細(xì)菌的親和力——被莢膜掩護(hù)的細(xì)菌就好像在籃球場上滿身大汗的赤膊男一樣，每當(dāng)你試圖抓到他，卻總是會被滑溜溜的表面一把甩開。
肺炎鏈球菌的莢膜可能降低細(xì)菌被“天網(wǎng)”捕捉的風(fēng)險。圖片來源：ppdictionary.com
當(dāng)然了，在偽裝進(jìn)行的不順利時，病原菌也是會訴諸暴力的。最常用的武器是上面提到過的DNA水解酶（DNAse）。體外實驗證實，這些酶類能夠直接作用于NETs并將之摧毀?；撴溓蚓⊿treptococcus pyogenes）能夠分泌水解酶Sda1對NETs發(fā)起攻擊，與此同時又通過另一可以使Sda1失去活性的蛋白——SpeB來調(diào)節(jié)前者的活性。研究人員發(fā)現(xiàn)，具有更高毒性的化膿鏈球菌SpeB基因發(fā)生了突變，表達(dá)量大大減少。這樣的化膿鏈球菌具有更強(qiáng)的DNA水解酶活性，在與NETs的戰(zhàn)斗中，它們顯得更加勇不可當(dāng)。
有趣的是，DNAse的存在并未能使雙方的角力演變成一場單方面的屠殺。這些看起來無堅不摧的水解酶，有一個重大的弱點：它們的活性需要陽離子的參與。沖著這一點，NETs中的鈣離子和鋅離子螯合蛋白就派上用場了——在感染出現(xiàn)的區(qū)域，這些蛋白的濃度急劇升高，有效降低了DNAse獲得金屬離子發(fā)揮活性的概率，進(jìn)而導(dǎo)致本該致命的水解酶不再致命。戰(zhàn)斗至此，病原菌和宿主的戰(zhàn)爭，也從攻堅戰(zhàn)變成了資源戰(zhàn)。
對于病原菌來說，進(jìn)攻的“奧義”在于從自己開始圖謀不軌的時候，就堅決不讓NETs形成。盡管目前來說并沒有直接的證據(jù)證實細(xì)菌確實能采用這樣的早期抑制手段，但有一些現(xiàn)成的事實可能會支持這個行為，其中包括：
1.體外實驗證明過氧化物酶能夠抑制NETs的形成；
2.幾乎不存在具有毒性且過氧化物酶被突變喪失酶活的金黃色葡萄球菌；
3.將野生型金黃色葡萄球菌中過氧化物酶突變后，其對小鼠的感染能力降低；
雖然如此，也有學(xué)者認(rèn)為，并不能據(jù)此推斷金黃色葡萄球菌中的過氧化物酶是為了針對NETs的主動防御而存在的。在病原菌與宿主的相互作用中，活性氧常常被細(xì)胞用來作為防御手段。因此，他們認(rèn)為過氧化物酶的主要功能是應(yīng)對時不時爆發(fā)一下的活性氧，順帶也解決了擋在入侵門口的“血肉天網(wǎng)”NETs。這似乎是更合乎邏輯的判斷。畢竟，盡管中性粒細(xì)胞防線的陷落對于人們來說是一件“不要不要不要”的事情，但對于決心直插戰(zhàn)略腹地的病原菌來說，這只不過是大戰(zhàn)前的小小熱身而已
