2021年1月12日訊/生物谷BIOON/---醫生們早就知道，作為一種會破壞早產兒的腸道內壁的潛在致命性炎症，壞死性小腸結腸炎（necrotizing enterocolitis, NEC）往往與存活的嬰兒出現嚴重的大腦損傷有關。然而，病變的腸道將它的破壞性「傳達」給新生兒大腦的手段在很大程度上仍然是未知的。
如今，在第一項新的研究中，通過研究小鼠，來自美國約翰霍普金斯大學醫學院和瑞士洛桑大學的研究人員鑑定出那個缺失的環節--他們說，免疫系統細胞從腸道遷移到大腦，並攻擊那裡的細胞，而不是像通常那樣保護它們。相關研究結果發表在2021年1月6日的Science Translational Medicine期刊上，論文標題為「Necrotizing enterocolitis induces T lymphocyte–mediated injury in the developing mammalian brain」。
圖片來自Science Translational Medicine, 2021, doi:10.1126/scitranslmed.aay6621。
NEC見於多達12%的出生時體重小於3.5磅的嬰兒，它是一種快速進展的胃腸急症，其中細菌侵入結腸壁並引起炎症，最終會破壞該部位的健康組織。如果有足夠的細胞壞死（死亡），以至於在腸壁上形成了洞，細菌就會進入血液，導致危及生命的敗血症。
在2018年的一項小鼠研究中，約翰霍普金斯大學醫學院和弗雷德-哈欽森癌症研究中心的研究人員就已發現，患有NEC的動物會產生一種名為TLR4（toll-like receptor 4）的蛋白，這種蛋白會與腸道中的細菌結合併促進腸道破壞。他們還確定TLR4同時激活大腦中稱為小膠質細胞的免疫細胞，從而導致白質流失、大腦損傷和認知功能下降。不清楚的是，這兩者之間是如何聯繫起來的。
對於這項新的研究，這些作者推測，CD4+ T淋巴細胞---也被稱為輔助性T細胞的免疫系統細胞---可能就是其中的聯繫。CD4+T細胞之所以被稱為 "輔助性"，是因為它們幫助另一種叫做B淋巴細胞（即B細胞）的免疫細胞對被細菌或病毒等外來入侵者感染的細胞表面上的抗原作出反應。在CD4+ T細胞受到激活的情形下，未成熟的B細胞要麼成為漿細胞，產生抗體來標記被感染的細胞，以便將它們從體內清除，要麼成為記憶細胞，「記住」抗原的生物化學特性，以便對未來的入侵做出更快的反應。
CD4+ T細胞也會釋放出化學信使，將另一種類型的T細胞（即殺傷性T細胞）招募到該區域，以便清除目標受感染細胞。然而，如果這種活動發生在錯誤的地方或錯誤的時間，所釋放出的化學信號可能會無意中引導殺傷性T細胞攻擊健康細胞。
論文共同通訊作者、約翰霍普金斯大學醫學院外科教授、約翰霍普金斯兒童中心外科主治醫生David Hackam博士說，「我們通過比較患有NEC的嬰兒的大腦和死於其他原因的嬰兒的大腦，知道前者有CD4+T細胞的積累，並表現出更多的小膠質細胞活性。我們猜測這些T細胞來自腸道的NEC炎症區域，並開始用新生小鼠作為人類嬰兒的模型來證明這一點。」
在一系列實驗的第一項實驗中，這些作者在幼鼠中誘導了NEC，然後檢查了它們的大腦。正如預期的那樣，大腦組織中CD4+ T細胞顯著增加，以及與小膠質細胞活性增加相關的蛋白水平較高。在後續的測試中，他們發現，患有NEC的小鼠的血腦屏障---通常防止細菌、病毒和其他在血液中循環的有害物質到達中樞神經系統的生物壁---受到削弱。他們推測，這可能解釋了來自腸道的CD4+ T細胞如何能夠前往大腦。
接下來，這些作者確定積累的CD4+ T細胞是NEC所見大腦損傷的原因。他們首先從生物學上阻止這些輔助性T細胞進入大腦，然後在另一項實驗中，通過將這些T細胞與一種特殊設計的抗體結合來中和它們。在這兩種情況下，小膠質細胞的活性都被抑制了，大腦中的白質被保留了下來。
為了進一步確定CD4+ T細胞在大腦損傷中的作用，這些作者從患有NEC的小鼠大腦中收集T細胞，並將其注射到同時缺乏T和B淋巴細胞的小鼠大腦中。與沒有接受任何T細胞的對照組小鼠相比，接受了這些淋巴細胞的小鼠具有更高水平的招募殺傷性T細胞的化學信號。他們還觀察到小膠質細胞的激活、大腦炎症和白質丟失---這些都是大腦損傷的標誌物。
然後，這些作者試圖更好地確定不斷積累的CD4+ T細胞如何破壞白質---實際上是一種叫做髓磷脂的脂肪，它覆蓋和保護大腦中的神經元，並促進它們之間的交流。為此，他們使用了大腦類器官，即實驗室中生長的小鼠腦細胞用於模擬整個大腦。將患有NEC的小鼠的腦源性CD4+ T細胞添加到這些實驗室的大腦類器官中，然後在數周中進行檢查。
Hackam和他的同事們發現，隨著髓磷脂數量的減少，來自這些T細胞的一種特殊的化學信號---一種稱為幹擾素-γ（IFN-γ）的細胞因子（炎性蛋白）---在大腦類器官中增加。這種活性未見於添加來自無NEC小鼠的CD4+ T細胞的大腦類器官中。
在將IFN-γ單獨添加到大腦類器官中後，這些作者觀察到他們在NEC小鼠中觀察到的相同增加水平的炎症和髓磷脂減少。當他們加入IFN-γ中和抗體後，這種細胞因子的產生明顯減少，炎症得到抑制，白質得到部分恢復。
這些作者得出結論：IFN-γ指導了導致NEC相關大腦損傷的過程。當對患有NEC的小鼠的大腦組織進行檢查時，發現IFN-γ的水平高於沒有患病的小鼠的大腦組織時，他們的發現得到了證實。接下來，這些作者研究了CD4+ T細胞是否能從腸道遷移到NEC小鼠的大腦中。為此，他們從有NEC和無NEC的幼鼠腸道中獲得了CD4+ T細胞。這兩種類型的T細胞都被注射到兩組幼鼠的大腦中---一組幼鼠能產生蛋白Rag1，另一組不能產生這種蛋白。Rag1缺失的小鼠沒有成熟的T或B淋巴細胞。
Rag1缺失小鼠接受了來自NEC小鼠的腸源性輔助性T細胞，表現出與之前實驗中觀察到的相同大腦損傷特徵。來自有NEC和沒有NEC的小鼠的T細胞都沒有引起含有Rag1的小鼠的大腦損傷，來自沒有NEC的小鼠的T細胞也沒有引起Rag1缺失小鼠的大腦損傷。這表明，來自NEC小鼠的腸源性輔助性T細胞是唯一能引起大腦損傷的細胞。
在第二項實驗中，將來自有NEC和沒有NEC的小鼠的腸源性T細胞注射到Rag1缺失小鼠的腹膜中。只有來自NEC小鼠的腸道T細胞導致大腦損傷。
這一發現通過對NEC小鼠的腦源性和腸源性T淋巴細胞的相同部分進行基因測序得到了證實。有NEC小鼠的腦源性和腸源性輔助性T細胞序列平均有25%的基因相似性，而沒有NEC小鼠的腦源性和腸源性輔助性T細胞序列平均只有2%的基因相似性。
在最後一項實驗中，這些作者單獨阻斷了IFN-γ。這對患有重症NEC的小鼠的大腦損傷發生具有顯著的保護作用。這些作者說，這表明一種治療方法可能使患有這種疾病的早產兒受益。
Hackam說，「來自NEC引起炎症的腸道的輔助性T細胞可以遷移到大腦並造成損傷。我們的研究中的小鼠模型之前已經顯示出與人類患者中發生的情況非常吻合，因此我們相信這是早產兒NEC相關大腦損傷產生的可能機制。」
基於這些發現，Hackam表示，預防這種類型的大腦損傷的幹預措施，包括阻斷IFN-γ作用的療法，是有可能的。
參考資料：
1.Qinjie Zhou et al. Necrotizing enterocolitis induces T lymphocyte–mediated injury in the developing mammalian brain. Science Translational Medicine, 2021, doi:10.1126/scitranslmed.aay6621.
2.Diego F. Niño et al. Cognitive impairments induced by necrotizing enterocolitis can be prevented by inhibiting microglial activation in mouse brain. Science Translational Medicine, 2018, doi:10.1126/scitranslmed.aan0237.
3.Mouse Study Finds Link Between Gut Disease and Brain Injury in Premature Infants
https://www.hopkinsmedicine.org/news/newsroom/news-releases/mouse-study-finds-link-between-gut-disease-and-brain-injury-in-premature-infants