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2016年11月3日 星期四

蚊子叮為什麼要癢?

埃及斑蚊(Aedes aegypti)。圖片來源:Wiki

筆者從小被蚊子叮了以後,就會腫一大包,還會很癢。之前曾遇到被蚊子咬不會水腫也不會發癢的人,讓筆者超羨慕的!

其實被蚊子叮會發癢是因為,蚊子注入的唾液會使我們產生發炎反應;而蚊子的唾液中含有能使血管擴張的成分,加上叮咬會使血管破裂,於是就造成了水腫。

但是,讓我們發癢、水腫顯然對蚊子沒有什麼好處。有許多次筆者因為覺得癢癢的而決定去檢視發癢的部位,然後就當場活逮蚊子一隻--於是他就被消滅了。顯然對蚊子來說,引發發炎反應、讓我們發癢沒有什麼好處!

雖然這個發癢的反應,對我們好像有一絲絲的好處,不過任何事總有個理由吧!到底為什麼被蚊子叮要發癢呢?能給誰帶來什麼好處呢?

利茲大學的研究團隊,為了要了解發癢的目的是什麼,他們用屈公病病毒(chikungunya virus)的近親:森林腦炎病毒(Semliki Forest virus,SFV)在小鼠身上做了研究。

首先,他們把病毒以皮下注射的方式注入小鼠,同時伴隨著蚊子叮咬或沒有蚊子叮。

接著研究團隊便觀察病毒複製的狀況,以及病毒感染擴散的情形。

結果非常有意思。研究團隊發現,如果只有皮下注射病毒,雖然感染一開始擴散得很快,但是病毒的效價(titer)並不高;但是若伴隨著蚊子叮咬時,一開始看似感染擴散得較慢,但最後病毒在血中的效價,卻比沒有蚊子叮的組別高了十倍!當研究團隊用毒性較高的森林腦炎病毒第六型(SFV6)感染小鼠時,有蚊子叮咬的組別,比沒有蚊子叮咬的組別要提早陣亡,換用另一個病毒(Bunyamwera virus)也是如此。

研究團隊同時也發現,被蚊子叮咬的組別,在感染後3小時內,可能是由於傷口發生水腫,造成病毒無法散播?!但是到了24小時後,病毒的RNA反而大幅增加了。

所以,究竟中間發生了什麼事呢?

研究團隊比較只有被蚊子叮與沒有被蚊子叮、但是被皮下注射病毒的兩組小鼠的64個與先天免疫反應相關的基因的表現。結果發現:在被蚊子叮咬了以後,與吸引嗜中性球(neutrophil)相關的細胞因子(cytokine)、以及吸引單核球的細胞因子、還有白細胞介素IL-1β與IL-6的基因表現都上昇了;這些現象,在只有皮下注射病毒的小鼠中,並沒有觀察到。

而且,有蚊子叮咬的組別,傷口處很明顯的有大量的嗜中性球聚集。到底嗜中性球是不是引發感染擴大的因素之一呢?

於是研究團隊試著將嗜中性球去除掉,觀察在蚊子叮咬後傷口若沒有嗜中性球聚集,會發生什麼事。結果發現,去掉嗜中性球,會使得傷口水腫的狀況減輕許多,同時上面提到的那些與先天免疫反應相關的基因的表現也跟著下降。有意思的是,研究團隊觀察到去掉嗜中性球會使得病毒RNA減少了五倍,病毒在血中的效價降低了十倍,而且,很類似於先前在沒有蚊子叮咬的組別所看到的,去掉嗜中性球的組別,病毒較早擴散到淋巴結中。

到底這些反應是蚊子咬專屬,還是就只是因為被蚊子咬所引發的發炎反應所產生呢?研究團隊用了幾個可以引發先天免疫反應的藥劑,結果發現這些藥劑一樣可以把嗜中性球召喚過來,也會使病毒的複製上昇與加快感染擴散的速度。

不過,雖然在蚊子叮咬後再去除掉嗜中性球可以減輕傷口水腫、降低病毒複製的速度,但如果事先把嗜中性球去掉,卻會使得小鼠的存活率大幅下降。也就是說,嗜中性球對於宿主的保護還是不可或缺。

因此,研究團隊認為,當蚊子叮咬我們的時候,在我們身上所發生的事情是:發炎反應會將嗜中性球與骨髓細胞(myeloid cell,即單核球的一種)吸引到傷口,然後部分的嗜中性球與骨髓細胞就被病毒感染了。接著,感染便隨著嗜中性球與骨髓細胞,擴散到其他的組織(如淋巴結、腦)去了。相對的,在沒有蚊子叮咬的狀況下,由於嗜中性球與骨髓細胞在傷口附近數目不多,病毒感染也無法成功擴散。

也就是說,嗜中性球與骨髓細胞本來是去幫忙消滅病毒,但很不幸的,就像許多僵屍電影裡面的情節一樣:趕去打僵屍的村民,有一部份也被僵屍給侵襲,成了僵屍大軍的一部份,並且四散去感染更多活人!

所以,我們被蚊子叮了以後會癢,真的是個天大的壞消息呢!

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

Marieke Pingen et. al., 2016. Host Inflammatory Response to Mosquito Bites Enhances the Severity of Arbovirus Infection. Immunity. doi:10.1016/j.immuni.2016.06.002

2015年7月27日 星期一

鼠疫桿菌如何致命

鼠疫桿菌。圖片來源:wiki
生活在二十ㄧ世紀的我們,聽到SARS、MERS、Ebola就如臨大敵,卻不知道十四世紀橫掃歐洲的鼠疫才是真正可怕的疾病:發病後4-7天死亡,致死率可達100%。

過去,鼠疫桿菌(Yersinia pestis)總共在歐洲引發三次大瘟疫,包括奪走兩千五百萬到五千萬條性命的查士丁尼瘟疫(541-542年在拜占庭帝國)、1347-1353年的黑死病(七千五百萬到一億兩千萬,約為歐洲三分之一人口)、以及1855年的第三次瘟疫(一千兩百萬人喪生)。因此,也一直有恐怖組織試圖要開發鼠疫桿菌做為生化武器。鼠疫的病原體直到1894年才被發現,而詳細的致病機轉,直到最近這幾年,才被大致釐清。

十四世紀中葉歐洲黑死病的蔓延。圖片來源:wiki

鼠疫桿菌的感染分為兩期。初期是所謂的前發炎期(pre-inflammatory phase),這時候細菌在肺中快速繁殖,宿主的先天免疫反應(innate immune response)卻沒有啟動;接著就是促炎期(pro-inflammatory phase),這時候嗜中性球(neutrophil)大量湧入,大量的促炎細胞因子(pro-inflammatory cytokine)分泌,肺部組織出現損傷。

在2013年,北卡羅萊納州立大學的研究團隊發現,原來鼠疫桿菌利用它的第三型分泌系統(type III secretion system,T3SS)將鼠疫蛋白Yops帶到目標細胞,巨噬細胞(macrophage)與嗜中性球(neutrophil)。

研究團隊發現,在感染後6小時,肺部受感染的細胞主要是肺泡巨噬細胞(alveolar macrophage),其次是嗜中性球。但是六小時後(感染後12小時),主要的宿主成了嗜中性球(70%),肺泡巨噬細胞降到10%以下。到了感染後24小時,90%受感染的細胞都是嗜中性球,而且大部分(超過60%)都有Yop蛋白。

由於肺泡巨噬細胞與嗜中性球,似乎是鼠疫桿菌的主要目標,研究團隊便設法把其中之一除去,觀察「二缺一」時宿主的種類以及疾病的進程是否有變化。當他們除去92%的肺泡巨噬細胞時,感染後6小時的主要宿主變為嗜中性球,而受到感染的細胞數下降了1.7倍;但是,當他們除去了99%的嗜中性球時,即使在感染後24小時,受到感染的細胞數還是只有控制組的十分之一,但主要的宿主還是嗜中性球。

令研究團隊十分驚訝的是,除去肺泡巨噬細胞,對於病程的進行並沒有影響;但是除去嗜中性球後,小鼠在感染後48小時仍未出現病徵(此時控制組已出現病徵),而且小鼠晚了7小時才陣亡。觀察肺泡組織發現,控制組在感染後48小時肺泡結構開始消失,但除去嗜中性球的小鼠的肺泡結構卻依然完整。

嗜中性球。圖片來源:wiki

由這些發現,研究團隊認為,鼠疫桿菌之所以致命,主要就是因為嗜中性球受到鼠疫桿菌感染後,不僅失去了吞噬能力,反而還造成被感染者(宿主)的肺部產生嚴重的壞死性肺炎,造成宿主死亡。這些發現,可以提供鼠疫治療更多思考的面向:除了抑制細菌增生之外,如何防止嗜中性球對肺泡造成破壞,也是鼠疫治療的重要課題。

參考文獻:

William E. Goldman et. al., 2013. Early Host Cell Targets of Yersinia pestis during Primary Pneumonic Plague. PLOS Pathogens. DOI: 10.1371/journal.ppat.1003679