大腦受到獨特的保護,可以抵禦入侵的細菌和病毒,但是其防禦機制長期以來一直是個謎。現在,一項在小鼠試驗中確認,也在人體樣本中證實的發現,在保護大腦方面具有令人驚訝的盟友:腸道。

可以說,大腦是人體中最重要的器官,因為它控制著大多數其他人體系統,推理,智力和情感皆要靠腦。人類已經開發出各種保護措施來防止對大腦的物理傷害:它位於堅固的骨殼-頭骨中,並包裹在三層稱為腦膜的防水組織中。

尚不清楚的是身體如何保護大腦免受感染。在人體的其他地方,如果細菌或病毒進入血液,我們的免疫系統就會啟動,並帶有針對並消除入侵者的免疫細胞和抗體。但是,腦膜形成了不可滲透的屏障,阻止了這些免疫細胞進入大腦。

英國《自然》雜誌上發表的一項研究中,由英國劍橋大學和美國國立衛生研究院的科學家領導的研究小組發現,腦膜是稱為抗體的免疫細胞(漿細胞, plasma cells)的所在地。這些細胞專門位於腦膜內的大血管旁,使它們能夠分泌抗體“衛兵”來捍衛大腦周圍。當研究人員查看這些細胞產生的特定抗體類型時,他們感到驚訝-他們觀察到的抗體通常是在腸道中發現的類型。

漿細胞衍生自稱為B細胞的特定類型的免疫細胞。每個B細胞的表面都具有該細胞特有的抗體。如果抗原(觸發免疫免應的細菌或病毒的一部分)與該表面抗體結合,則B細胞被活化:它將分裂產生新的後代,後者也識別相同的抗原。

在分裂過程中,B細胞將突變引入抗體基因,從而改變了一個氨基酸,其結合特性略有不同。這些B細胞中的部分將產生能夠更好地與繼續擴增和繁殖的病原體結合的抗體;抗體結合比較不好的B細胞會自行凋亡。這有助於確保人體產生最佳抗體,來瞄準和破壞特定抗原。

通常,血液中發現的抗體是一種稱為免疫球蛋白G(IgG)的類型,這些在脾臟和骨髓中產生的抗體保護體內。但是,在腦膜中發現的抗體是免疫球蛋白A(IgA),通常在腸道內膜或鼻子或肺部內膜中產生-這些抗體可保護粘膜表面以及與外界環境接觸的表面。

該團隊能夠對腸道和腦膜的B細胞和漿細胞中的抗體基因進行測序,並證明它們是相關的。換句話說,最終進入腦膜的細胞是已經在腸道中選擇性擴增的細胞,它們已經在其中識別出特定的病原體。

首席科學家說:“大腦保護自己免受感染的確切方法,早已超出腦膜的生理性保護範圍,長期以來一直披上了神秘的面紗,但是發現來自於腸道重要的防禦連線是令人驚訝的,”來自劍橋大學和惠康桑格研究所醫學與CITIID系的Menna Clatworthy教授。

“但是,實際上,這是完全有道理的:即使輕微地破壞腸道屏障也會使干擾物進入血液,如果它們能夠擴散到大腦中,則會造成毀滅性後果。在腦膜上廣植能產生抗體的細胞,這些被選用的免疫細胞可以識別腸道微生物,確保防禦最可能的入侵者。”

該團隊使用老鼠進行了這項發現,老鼠通常被用來研究生理學,因為它們具有許多與人體相似的特徵。他們發現,當小鼠的腸道中沒有細菌時,腦膜中就不會存在產生IgA的細胞,說明這些細胞實際上起源於腸道,在那裡它們被選中以識別腸道微生物,然後再停留於腦膜中。當研究人員去除腦膜中的漿細胞時-因此沒有IgA可以捕獲入侵的病原-也就是微生物能夠從血流傳播到大腦。

該團隊通過分析在手術期間取出的樣本證實了人類腦膜中IgA細胞的存在,證實該防禦系統可能在保護人類免受中樞神經系統(腦膜炎和腦炎)感染中發揮重要作用。

參考文獻:

Fitzpatrick, Z et al. Gut-educated IgA plasma cells defend the meningeal venous sinusesNature, 2020 DOI: 10.1038/s41586-020-2886-4

 

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