顛覆血液運輸! 白血球可經由秘密通道到大腦!

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科學家總是認為身體的免疫細胞只能藉由血液才能輸送到受損的大腦組織,但近日由美國哈佛醫學院和麻省總醫院組成的研究團隊發表於《Nature Neuroscience》的一篇研究成果,完全顛覆了人們的認知。

他們發現在人類和小鼠的頭骨骨髓和大腦內層之間存在著一個秘密通道,在中風(stroke)或其他疾病引起的腦部損傷,免疫細胞會經由該通道快速進入受傷組織,引起相關發炎反應。他們也解釋,骨髓是人們大部分骨骼內的海綿組織,會產生紅血球和免疫細胞,因此大腦受傷時,免疫細胞能夠透過此秘密通道到達感染和傷害的區域。

該研究團隊先鎖定嗜中性白血球(neutrophils)進行觀察,因為它們是最先到達損傷部位的免疫細胞。接著,他們使用光譜解析(spectrally resolved)顯微鏡和細胞特異性染料來觀察腦中風或腦膜炎(meningitis)小鼠的腦組織損傷處的嗜中性白血球是來自於來自頭骨或脛骨、大腿骨的骨髓。結果顯示,在小鼠中風期間,頭骨比脛骨更容易向受損組織供應嗜中性白血球。然而,在小鼠心臟病發作後,頭骨和脛骨向心臟提供了相似數量的嗜中性白血球。他們還觀察到,中風後 6 小時,頭骨骨髓中的嗜中性白血球少於脛骨骨髓中的中性粒細胞,顯示頭骨骨髓向損傷部位釋放了更多的細胞。

嗜中性白血球在身體各骨髓的動態變化,能幫助受傷或感染的組織,因此該研究團隊也推測,受損的大腦和頭骨骨髓可能以某種方式“交流”,導致鄰近白血球的直接反應。他們進一步發現基質細胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor-1, SDF-1)可能是造成發炎期骨髓嗜中性白血球活動差異的主因,因為 SDF-1 能將嗜中性白血球保持在骨髓中,當 SDF-1 表現降低時,嗜中性白血球從骨髓中釋放出來。接著,他們還觀察到小鼠中風後6小時的 SDF-1 表現下降,但僅在頭骨骨髓中,而不是在脛骨中。因此,SDF-1 表現降低可能是對局部組織損傷的反應和警報,並且僅會動員最接近發炎部位的骨髓中的白血球前來救援。

接下來,該研究團隊希望了解嗜中性白血球是如何到達受傷組織的。因此,他們藉由共聚焦顯微鏡(confocal microscopy),開始非常仔細地檢查頭骨,從各個角度看它,然後觀察到血液通常從頭骨內部通過通道流向骨髓,但在中風後,可見嗜中性白血球向相反方向移動以到達受損組織。他們也更進一步藉由從手術獲得的人類頭骨樣品的詳細成像,發現人類頭骨的內層和外層中,也有相同的通道,證明了該通道的存在。此外,與小鼠頭骨中的通道相比,人類頭骨中的通道直徑大五倍。

最後,他們未來將研究其他免疫細胞或細胞通過該通道的情況,以及它們如何影響健康或疾病的人體。該研究除了幫助人們更深入地了解中風或腦膜炎導致腦部發炎的機制,也提供了一個新的研究方向,例如免疫系統是否透過該通道錯誤地攻擊人們的大腦,進而導致意識喪失、癲癇發作甚至死亡。

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參考資料:
1. Nature Neuroscience, 2018; DOI: 10.1038/s41593-018-0213-2
2. https://www.nih.gov/news-events/news-releases/researchers-unearth-secret-tunnels-between-skull-brain

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