嚴重病情下如雙面刃的免疫系統:避免細胞激素風暴危及性命,找尋關鍵受體!

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|林承勳、美術編輯|林洵安

免疫系統的過度反應

人體依賴免疫系統對抗病毒,但免疫反應如果過激,反而造成器官損傷或衰竭,直接導致患者死亡。中研院基因體研究中心謝世良特聘研究員長期研究發現,登革病毒會刺激血小板產生胞外囊泡和微泡,進而攻擊白血球,導致發炎病症。研究團隊據此研發抗體,減緩發炎反應,已成功將感染登革病毒的小鼠存活率提升至 90% ,並於 2019 年 6 月刊登於《自然通訊》 (Nature Communications) 。面對新冠病毒等新興傳染病,此種「減緩發炎」為主的創新療法,將有機會大幅降低患者死亡率。

為了維護人體的穩定與和平,免疫系統一旦偵測到外來入侵物,即啟動發炎反應,召喚免疫細胞圍剿入侵者。但發炎反應如果過度,往往會對自身臟器造成嚴重傷害。以登革熱 (dengue fever) 為例,免疫過激會造成「出血性登革熱」,嚴重將造成休克;最近新冠肺炎造成的肺纖維化,也是免疫過激的結果。

若想找出更有效的抗病毒治療策略,必須深入了解病毒與免疫系統的互動機制。

免疫反應宛如雙面刃

當病毒侵入人體,體內免疫細胞會立刻發動攻擊,如本文主角—-巨噬細胞 (macrophage) 與嗜中性白血球 (neutrophil) 兩種白血球。

嗜中性白血球,會吞吃入侵者,如果敵人太多,甚至會「自爆」釋放出自己的網狀遺傳物質 (deoxyribonucleic Acid, DNA) 黏住細菌,再由附著在 DNA 的酶將其殺死、清除,這個過程稱作嗜中性白血球胞外捕捉 (neutrophil extracellular traps, NETs) 。

嗜中性球細胞膜破裂,對病原體噴射大量絲狀染色體,高黏性的染色體會困住病原體。同時嗜中性球體內的免疫蛋隨之釋出,消滅病原體。此時嗜中性球也隨之死亡。
資料來源│NETosis : A Microbicidal Mechanism beyond Cell Death
圖說重製│林任遠、張語辰

巨噬細胞,也會吞噬、分解大量的病原體與受感染細胞。當病原體與細胞表面的受體結合,才能進入巨噬細胞,然後病原體會被分解成碎片排出。這些碎片會被當作抗原,活化其他種類的白血球。另外,巨噬細胞和受感染的細胞還會分泌細胞激素 (cytokine) 引起發炎反應,進一步對抗病毒。

巨噬細胞,也會吞噬大量的病原體,細胞內有酶可分解病原體,再將分解後的廢料排出,同時釋放細胞激素引起發炎反應。
圖說設計│黃曉君、林洵安

細胞激素包括干擾素 (interferon) 、促發炎激素 (proinflammatory cytokine) 、趨化激素 (chemokine) 等等。干擾素,由受傷的細胞產生,用以警告鄰近健康的細胞,趕緊製造可阻止病毒複製的蛋白質,抑制病毒數量。促發炎激素,會增加血管通透性,讓血液中的白血球能輕易通過血管壁趕往目的地。趨化激素,會吸引更多白血球,召來更多援軍。

問題來了!受感染細胞或巨噬細胞分泌細胞激素,或是嗜中性白血球胞外捕捉,本來都是為了擊退病原體。但令人遺憾的是,發炎的副作用與白血球無差別攻擊,有時反而造成器官受損或衰竭,甚至導致患者死亡。

那麼,有沒有一種治療方法,可以抑制過度發炎反應,但又不影響免疫系統消滅病原體?早在 2003 年,謝世良即開始這項大哉問。

創新構想:抑制發炎反應,但不影響免疫力

2003 年, SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome) 疫情爆發,其中重症患者出現肺積水、呼吸困難等症狀,均非肇因於病毒本身,而是免疫過度反應的結果。

當肺部細胞受感染出現發炎反應,促發炎激素讓血管通透性增加、血漿滲入組織中,即會造成肺積水。再加上,蜂擁而來的白血球無差別攻擊受感染或健康肺泡,甚至分泌激素呼喚更多白血球前來,惡性循環之下形成細胞激素風暴 (cytokine storm) ,讓肺泡細胞受到嚴重損害,導致病人呼吸困難、險象環生。

然而, SARS 冠狀病毒 (SARS-CoV) 從始至終沒有特效藥、疫苗,只能將重症患者安置在負壓隔離加護病房,施以「支持性療法」,期盼患者能在良好的照護下,熬過自身的細胞激素風暴,等待自己的免疫系統清除病毒。

當時醫學背景出身的謝世良,從深厚的臨床與研究經驗出發,提出創新治療觀念:

設法研發一種藥物,可減緩細胞激素風暴,將發炎反應控制在不致命的程度,又不干擾免疫系統清除病毒,將有效降低感染者的死亡率。

「現有的類固醇消炎效果很好,但有抗藥性的問題,而且完全抑制發炎、沒有細胞激素也不行,因為病原體還是需要免疫細胞來對付。」謝世良進一步分析,細胞分泌的激素裡,促發炎激素跟趨化激素是造成細胞激素風暴的主因;但干擾素不引起發炎只抑制病毒複製。因此具體任務是:如何在抑制促發炎激素及趨化激素的同時,不會影響干擾素分泌,以避免削弱患者抵抗力。

登革熱出血熱,也源自細胞激素風暴

正當謝世良著手開始研究時, SARS 疫情宣告結束,於是他將戰力火速轉移到也會讓免疫系統過度活化的登革病毒 (dengue virus) 。

登革病毒,也會引起免疫系統的過度活化。
圖片來源│iStock

登革病毒分四種血清型別,患者感染過某一血清型的病毒,雖然能對這型病毒終身免疫,對於其他型卻只有短暫免疫力。時間一過,抗體甚至會結合成「病毒-抗體免疫複合體」 (virus-antibody immune complexes) ,讓病毒更容易結合巨噬細胞表面的受體 (receptor) ,進入細胞內部。

這種抗體反過來協助病毒入侵的現象,稱作抗體依賴性增強反應 (Antibody dependent enhancement, ADE) ,正是登革熱疫苗研發困難的原因。因為,若是無法同時刺激人體產生對抗四型病毒的抗體,病毒跑到巨噬細胞內增值擴散,其他巨噬細胞又分泌更多細胞激素,循環之下引發細胞激素風暴,將導致高致死率的登革出血熱或休克症候群。

痊癒者體內的單一血清型登革病毒抗體,反倒會接應其他血清型病毒,引發細胞激素風暴。

細胞激素風暴的關鍵受體:CLEC5A (2008)

那麼,如何減緩登革病毒引起的細胞激素風暴?謝世良的第一步是:尋找病毒是與巨噬細胞表面哪種受體結合,導致細胞激素風暴。在他著手研究後,注意到一種受體: C 型凝集素 5A (C-type lectin member 5A, CLEC5A) 。

「CLEC5A 在生化實驗中已證明具有傳遞訊息的功能。因此我推測, CLEC5A 很可能跟後續細胞激素分泌有關。」謝世良解釋。

第二步,備製 CLEC5A 的拮抗性單株抗體 (antagonistic anti-CLEC5A monoclonal antibody) ,打在小鼠身上,讓這些抗體搶先佔據巨噬細胞的 CLEC5 受體位置,阻斷登革病毒感染細胞的路徑。

結果發現,沒有打入這種抗體的對照組小鼠,登革病毒果真引起細胞激素風暴,在發炎、血管通透性增加的情況下,出現嚴重的皮下、腸道出血症狀而死亡。實驗組的小鼠在注射抗體後,發炎反應比較緩和,出血症狀明顯受到抑制。更重要的是,小鼠體內干擾素的分泌正常運作,不受抗體影響。

登革病毒結合巨噬細胞表面的 CLEC5A 受器,促使巨噬細胞分泌大量促進發炎的細胞激素。大量細胞激素造成更多巨噬細胞聚集,形成「細胞激素風暴」,促使小鼠過度發炎、血管通透性暴增,血漿滲出血管外,出現登革出血熱症狀。
資料來源│謝世良
圖說重製│林任遠、張語辰

被施打 CLEC5A 拮抗性抗體 (圖中粉紫色抗體)後,巨噬細胞上的 CLEC5A 受器被抗體佔據,不會與登革病毒結合。巨噬細胞因此不會產生過量細胞素、導致細胞素風暴,卻能持續產生干擾素消滅病毒。在抗體保護下,小鼠保持正常的血管通透性,不會產生登革出血熱症狀。
資料來源│謝世良
圖說重製│林任遠、張語辰

CLEC5A 拮抗性單株抗體,成功減緩小鼠登革出血熱症狀,又不影響干擾素分泌。

謝世良團隊研發的 CLEC5A 拮抗性抗體,將染病小鼠存活率一舉提高到五成,效果比其他免疫治療用的抗體顯著得多。2008 年,這項研究因著揭開 CLEC5A 是登革病毒引發細胞激素風暴的關鍵,以及成功製造出有效抗體等重大貢獻,登上科學期刊《自然》 (Nature) ,並獲多國新聞媒體報導。

其後,謝世良又發現這個機制普遍存在病毒引發人體的發炎反應中,面對日本腦炎、 H1N1 、 H5N1 等流行性感冒病毒, CLEC5A 拮抗性單株抗體均能成功提升小鼠的存活率。 2017 年,他將研究觸角擴及 CLEC5A 在對抗細菌的角色,發現受體  CLEC5A 是比過去研究焦點「類鐸受體 (Toll-like receptor 2- TLR2) 」更重要的防衛因子,論文也登上《自然通訊》 ( Nature Communications) 期刊。

登革病毒侵略人體的關鍵細胞:血小板 (2019)

雖然 2008 年的研究中,小鼠的登革出血熱已獲得緩和,但五成的存活率彷彿是謝世良難以突破的魔咒,讓他強烈懷疑還有其他免疫細胞或受體參與其中。

歷經十餘年的研究, 2019 年,謝世良與陽明大學臨床醫學所博士生宋佩珊終於解開謎底:登革病毒進入人體後,會去激活血小板表面的受體 C 型凝集素 2 (C-type lectin member 2, CLEC2) ,促使血小板分泌胞外囊泡 (extracellular vesicles) :直徑小於一兩百奈米的胞外體 (exosomes) ,以及較大、直徑數百到一千 奈米的微泡 (microvesicles) 。

其後,這些胞外囊泡分別會再跟巨噬細胞、嗜中性白血球表面的 CLEC5A 與 TLR2 結合。結合後才是災難的開始!巨噬細胞會大量分泌細胞激素,引起細胞激素風暴;嗜中性白血球則會出現胞外捕捉,釋放出酶跟顆粒,損害周圍細胞。

資料來源│謝世良
圖說原作│宋佩珊
圖說重製│林洵安

找到機制後,怎麼阻斷呢?謝世良團隊利用 CLEC5A 基因剔除鼠施打抗 TLR2 抗體,同時阻斷體外囊泡與 CLEC5A 以及  TLR2 受體結合,成功壓制登革病毒引起的免疫過激症狀,小鼠存活率也從 50% 奇蹟似的提升至 90% 。本次研究不但揭發登革病毒完整入侵途徑,並成功找出治療方法的研究成果,在 2019 年再度登上《自然通訊》 (Nature Communications) 期刊。第一作者宋珮珊博士生的研究論文獲得相當高的引用, 2020 年《免疫學趨勢》 (Trends in Immunology) 並以專文推薦這項研究揭開「嗜中性白血球的胞外捕捉乃登革熱感染機制的關鍵」,在在顯示此項成果具有突破性的意義。

目前謝世良團隊正積極發展針對 CLEC5A 以及 TLR2 的雙特異性抗體 (CLEC5A/TLR2 Bispecific antibody) ,可望於近期驗證阻斷 CLEC5A 及 TLR2 受體之效果。

同時阻斷 CLEC5 與 TLR2 兩個受體,可以有效壓抑病毒引起的過度免疫反應。

新冠病毒來襲,減緩發炎或可扭轉戰局

未來謝世良計畫將 CLEC5A/TLR2 雙特異性抗體,擴及其他病毒感染引起之急性發炎,以及自體免疫疾病,像是紅斑性狼瘡或類風溼性關節炎。如今新型冠狀病毒疫情 (COVID-19) 來襲,除了抗病毒藥物、疫苗,此種減緩發炎反應的治療,可能是更及時的救命解方。

目前,謝世量實驗室已將過去十餘年研究建立的平台,包括基因工程製造的巨噬細胞表面受體、細胞融合瘤技術生產的  CLEC5A 的拮抗性單株抗體、基因抑制小鼠等等,全力轉向 COVID-19 的研究。

謝世良指出,病毒基因瞬息萬變,可能很快就會產生抗藥性;但找出共同的致病機制就不一樣了。雖然不同種類的病毒侵入細胞的途徑不盡相同,但觸發免疫細胞的訊息傳遞路程卻大致相同。因此,找出抗體以阻斷病毒與免疫細胞結合,雖然比較耗時耗力,卻有機會一勞永逸,對抗不斷推陳出新的病毒。

對前線的醫護來說,當務之急絕對是趕緊找到能抑制病毒的特效藥;研究人員的功課,則是想辦法揭開致病原理,找到一勞永逸的解方。

一場演講邀約,催生驚人研究成果

謝世良十餘年的研究成果,源自於十七年前的一場演講邀請。

當時, SARS 疫情延燒,時任衛生署疾病管制局長的蘇益仁,致電邀請謝世良為民眾帶來一場演講,解說病毒如何引起人體的細胞激素風暴。原本只是為演講做準備的謝世良,找資料時意外發現:當時科學界對細胞激素了解甚少,反倒讓自己一頭栽入此未知領域。「一通偶然的電話,一個『錯誤』的決定,促成今天的成果。」謝世良打趣地說。

但從一個新穎的構想到具體的成果,箇中辛苦不足為外人道。謝世良表示:「一個概念只用一句話或半分鐘講完,卻要花上幾年的時間來完成。」基因工程製造巨噬細胞表面受體、細胞融合瘤技術生產 CLEC5A 的拮抗性單株抗體,皆動輒耗時數年、耗費百萬。

另外,實驗中不可或缺的 STAT1 與 CLEC2 基因抑制小鼠,必須從英國進口胚胎,研究員充當奶爸照顧幼鼠,長大後再讓小鼠交配,才能在實驗中使用,光是備至小鼠就要近一年的時間。謝世良苦笑地提到:「英國不給成鼠只賣胚胎,但胚胎必須低溫運送,第一批因為器材漏氣死亡;第二批在機場差點被海關打開檢查,險些因溫度上升導致胚胎受損,還好有貴人幫忙度過危機。」

因想法創新,實驗器材必須自己想辦法,研究路也走得格外辛苦;但也因為走在最前端,才能有驚人發現。

要當第一,去做從來沒有人嘗試過的事,這的確很累人,但流淚灑種才能歡呼收割。

「創新的想法,要透過嚴格的實驗來證實,雖然過程極具挑戰性,但反而不用擔心:『一覺醒來,自己的研究題目已經被別人發表了!』」謝世良團隊研究過程的辛苦與喜樂,盡在這句話中。
圖片來源│謝世良

延伸閱讀

  1. 謝世良的個人網頁
  2. 中研院107年2月份知識饗宴「細胞激素風暴:失控的免疫反應」
  3. CLEC5A 是嗜中性白血球對抗細菌的關鍵
  4. Chen ST, Chen JW, Wu WC, Chou TY, Yang CY, Hsieh SL*, 2017, “CLEC5A is a critical receptor in innate immunity against Listeria infection”, NATURE COMMUNICATIONS, 8(1):299.
  5. Teng, O, Chen, ST, Hsu TL, Sia SF, Cole S, Valkenburg SA, Hsu TY, Zheng JT, Tu W, Bruzzone R, Peiris JSM, Hsieh SL*, Yen HL*, 2017, “CLEC5A-mediated enhancement of the inflammatory response in myeloid cells contributes to influenza pathogenicity in vivo.”, JOURNAL OF VIROLOGY, 91, e01813.
  6. Wu MF, Chen ST, Yang AH, Lin WW, Lin YL, Chen NJ, Tsai IS, Li L, Hsieh SL*, 2013, “CLEC5A is critical for dengue virus-induced inflammasome activation in human macrophages”, BLOOD, 121(1), 95-106.
  7. Chen ST, Liu RS, Wu MF, Lin YL, Chen SY, Tan DT, Chou TY, Tsai IS, Li L, Hsieh SL*, 2012, “CLEC5A regulates Japanese encephalitis virus-induced neuroinflammation and lethality.”, PLoS Pathogens, 8(4), e1002655.
  8. Chen ST, Lin YL, Huang MT, Wu MF, Cheng SC, Lei HY, Lee CK, Chiou TW, Wong CH, Hsieh SL*. CLEC5A is critical for dengue virus-induced lethal disease. Nature 2008; 453: 672-5.
  9. Sung PS, Hsieh SL*. CLEC2 and CLEC5A: pathogenic host factor during acute viral infections. Front. Immunol., 06 December 2019
  10. Sung PS, Huang DF, Hsieh SL*. Extracellular vesicles from CLEC2-activated platelets enhance dengue virus-induced lethality via CLEC5A/TLR2. Nature Communications 2019DOI:10.1038/s41467-019-10360-4.

編按:CLEC2 基因抑制小鼠誤植為 CLEC5A,2020/5/19 勘誤修改。

 

 


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關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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