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另一條對抗新冠病毒的路:減緩發炎讓免疫力發揮正常效益的創新研究

2022-01-16 10:07時報出版 作者/中央研究院研之有物編輯群

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,便會立即啟動發炎反應,召...
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,便會立即啟動發炎反應,召喚免疫細胞圍剿入侵者。但一旦發炎反應過度,反而會對自身臟器造成嚴重傷害。 圖/ingimage
人體依賴免疫系統對抗病毒,但如果免疫反應過激,反而會造成器官損傷或衰竭,讓患者死亡。中央研究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)。面對新冠肺炎等新興傳染病,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。

▌宛如雙面刃的免疫反應

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,便會立即啟動發炎反應,召喚免疫細胞圍剿入侵者。但一旦發炎反應過度,反而會對自身臟器造成嚴重傷害。登革熱(dengue fever)為例,免疫過激可能造成「出血性登革熱」,嚴重時將引發休克;而新冠肺炎引致的肺纖維化,也是免疫過激的結果。有鑑於此,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。

本文主角──巨噬細胞(macrophage)與嗜中性白血球(neutrophil)──即為人體免疫系統對抗病毒入侵的兩種重要白血球。

嗜中性白血球,不僅會吞噬入侵者,如果敵人太多,甚至能以「自爆」釋放出網狀遺傳物質(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)。

嗜中性白血球胞外捕捉(NET)嗜中性白血球細胞膜破裂,對病原體噴射大量絲狀染...
嗜中性白血球胞外捕捉(NET)
嗜中性白血球細胞膜破裂,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。此時嗜中性白血球會釋出體內的免疫蛋白質消滅病原體,並且隨之一同死亡。(資料來源:NETosis : A Microbicidal Mechanism beyond Cell Death)
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

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,而後病原體則被分解成碎片排出。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。

巨噬細胞吞噬病原體、釋放細胞激素巨噬細胞也會吞噬大量的病原體,細胞內有酶可分...
巨噬細胞吞噬病原體、釋放細胞激素
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。
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

細胞激素包括干擾素(interferon)、促發炎激素(proinflammatory cytokine)、趨化激素(chemokine)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,讓血液中的白血球可輕易通過血管壁趕往目的地。趨化激素,則吸引更多白血球,召來更多援軍。

問題來了!當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,原先是為了擊退病原體,但由於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。

是否有一種治療方法,可以抑制過度發炎反應,但又不影響免疫系統消滅病原體?2003年起,謝世良開始投入研究,試圖解答這項大哉問。

▌創新構想:抑制發炎反應,但不影響免疫力

2003年,嚴重急性呼吸道症候群(Severe Acute Respira-tory Syndrome, SARS)疫情入侵台灣,其中重症患者出現的肺積水、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,可能形成細胞激素風暴(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)迄今仍沒有特效藥和疫苗,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,提出一項創新的治療觀念:

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,而且若要完全抑制發炎,也不能沒有細胞激素,因為我們還是需要依靠免疫細胞來對付病原體。」

謝世良進一步分析,在細胞分泌的激素裡,促發炎激素跟趨化激素是造成細胞激素風暴的主因;但干擾素不會引起發炎,只抑制病毒複製。因此,研究團隊的具體任務是:如何在抑制促發炎激素及趨化激素的同時,又不至於影響干擾素分泌,藉以避免削弱患者的抵抗力。

▌登革出血熱,也源自細胞激素風暴

正當謝世良著手啟動研究時,台灣的SARS疫情宣告結束,於是他將戰力火速轉移到同樣會讓免疫系統過度活化的登革病毒(dengue virus)

登革病毒登革病毒,也會引起免疫系統的過度活化。(圖片來源:維基共享資源) 取...
登革病毒
登革病毒,也會引起免疫系統的過度活化。(圖片來源:維基共享資源)
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

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。若是無法同時刺激人體產生對抗四型病毒的抗體,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進入巨噬細胞內增值擴散,其他巨噬細胞又分泌更多細胞激素,循環之下引發的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。

▌細胞激素風暴的關鍵受體:CLEC5A(2008)

面對棘手的免疫難題,該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:找出病毒是與巨噬細胞表面何種受體結合,才導致細胞激素風暴。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,讓這些抗體搶先占據巨噬細胞的CLEC5A受體位置,阻斷登革病毒感染細胞的路徑。

實驗發現,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。實驗組的小鼠被注射抗體後,發炎反應則比較緩和,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機制可正常運作,不受抗體影響。

登革病毒與CLEC5A 拮抗性抗體(資料來源:謝世良提供)對照組(未施打抗體...
登革病毒與CLEC5A 拮抗性抗體(資料來源:謝世良提供)
對照組(未施打抗體)
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」,導致小鼠過度發炎、血管通透性暴增,血漿滲出血管外,出現登革出血熱症狀。
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供
登革病毒與CLEC5A 拮抗性抗體(資料來源:謝世良提供)實驗組(施打抗體)...
登革病毒與CLEC5A 拮抗性抗體(資料來源:謝世良提供)
實驗組(施打抗體)
被施打CLEC5A 拮抗性抗體(圖中粉紫色抗體)後,巨噬細胞上的CLEC5A 受器被抗體占據,不會與登革病毒結合。巨噬細胞因此不會產生過量細胞素、引發細胞素風暴,但依然能持續產生干擾素消滅病毒。在抗體保護下,小鼠得以保持正常的血管通透性,避免登革出血熱症狀。
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

謝世良團隊研發的CLEC5A拮抗性抗體,成功減緩小鼠登革出血熱症狀,又不影響干擾素分泌,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,基於揭開CLEC5A為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,這項研究成果登上科學期刊《自然》,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於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在對抗細菌時的角色,發現比起過去研究焦點「類鐸受體」(Toll-like receptor 2, TLR2),受體CLEC5A是更重要的防衛因子,發表的論文也登上了《自然通訊》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魔咒,難以再突破,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,到了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,會活化血小板表面的受體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!巨噬細胞大量分泌細胞激素,引起細胞激素風暴;嗜中性白血球則出現胞外捕捉,釋放出酶跟顆粒,損害周圍細胞。

登革熱病毒活化血小板(資料來源:謝世良提供、圖說原作:宋佩珊) 取自《研之有物:...
登革熱病毒活化血小板(資料來源:謝世良提供、圖說原作:宋佩珊)
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

找到登革病毒活化血小板的機制後,接下來該如何阻斷呢?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%奇蹟似地提升至90%。本次研究不但揭發登革病毒完整的入侵途徑,並成功找出治療方法,研究成果於2019年再度登上《自然通訊》期刊。第一作者宋珮珊博士生的研究論文獲得相當多的引用次數,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」,在在顯示其突破性意義。

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。因為同時阻斷CLEC5與TLR2兩個受體,能夠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

謝世良提到,實驗室計畫將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,例如紅斑性狼瘡或類風溼性關節炎。如今新冠肺炎(COVID-19)來襲,除了抗病毒藥物和疫苗,此種減緩發炎反應的治療可能是更及時的救命解方。

謝世良實驗室現階段已將過去十餘年所建立的研究平台──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,以及基因抑制小鼠等等──全力轉向COVID-19的研究。

謝世良指出,病毒基因瞬息萬變,可能很快產生抗藥性;但若找出共同的致病機制,情況就會不一樣了。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類似。因此,找出抗體以阻斷病毒與免疫細胞結合,雖然耗時耗力,卻有機會一勞永逸地解決不斷推陳出新的病毒。

對前線的醫護來說,當務之急或許是找到能抑制病毒的特效藥;但研究人員的功課,則是想辦法揭開致病原理,尋找一勞永逸的解方。

▌一場演講邀約,催生驚人研究成果

謝世良多年來的研究成果,源自於18年前的一場演講邀約。

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,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,於是反倒讓自己從此一頭栽入這塊未知領域。

「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。

但從新穎的構想一路走到擁有具體成果,箇中辛苦不足為外人道。謝世良表示:「只用一句話或半分鐘就能講完的概念,卻要花上好幾年的時間來研發。」像是基因工程製造巨噬細胞表面受體、細胞融合瘤技術生產CLEC5A的拮抗性單株抗體等技術,皆動輒耗時數年、耗費百萬才得以完成。

另外,實驗中不可或缺的CLEC2基因抑制小鼠,必須從英國進口胚胎,由研究員充當奶爸照顧幼鼠,長大後再讓小鼠交配,最後才能在實驗中使用。光是備妥足夠的小鼠,就要花上將近一年的時間。謝世良苦笑道:「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,幸好有貴人相助,幫忙度過危機。」

因想法創新,實驗器材必須獨力想辦法,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,但流淚撒種、努力耕耘,最後才能歡呼收割。

「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...
「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:謝世良提供)
取自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》 圖/時報出版提供

延伸閱讀

Chen, S. T., Lin, Y. L., Huang, M. T., Wu, M. F., Cheng, S. C., Lei, H. Y., Lee, C. K., Chiou, T. W., Wong, C. H., & Hsieh, S. L. (2008). CLEC5A is critical for dengue-virus-induced lethal disease. Nature, 453(7195), 672–676.

Sung, P. S., & Hsieh, S. L. (2019). CLEC2 and CLEC5A: Pathogenic Host Factors in Acute Viral Infections. Frontiers in Immunology, 10.

Sung, P. S., Huang, T. F., & Hsieh, S. L. (2019). Extracellular vesicles from CLEC2-activated platelets enhance dengue virus-induced lethality via CLEC5A/TLR2. Nature Communications, 10(1).

Wu, M. F., Chen, S. T., Yang, A. H., Lin, W. W., Lin, Y. L., Chen, N. J., Tsai, I. S., Li, L., & Hsieh, S. L. (2013). CLEC5A is critical for dengue virus–induced inflammasome activation in human macrophages. Blood, 121(1), 95–106.

※ 本文摘自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》。


《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》

作者:中央研究院研之有物編輯群

出版社:時報出版

出版日期:2021/12/21

圖/時報出版提供 《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》書封
圖/時報出版提供 《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》書封

新冠肺炎
登革熱
SARS
免疫細胞

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