中性粒細胞的“致命殺招”

文｜S.西爾維希耶

作者系微生物學博士生。

在迎戰病原微生物的過程中，人體內的中性粒細胞會前赴后繼地英勇抗敵，直至戰死

在人體免疫系統中，有一群如同斯巴達三百勇士般英勇的“死士”——中性粒細胞。

電影《斯巴達三百勇士》描述了人類史上最殘酷、最悲壯的戰爭之一。影片中，斯巴達國王列奧尼達率領300精兵浴血抵抗波斯5萬大軍的輪番進攻，最終全部壯烈犧牲。在人體免疫系統中，同樣也有著這樣一群悲壯的“死士”——中性粒細胞，它們占人體內白細胞總量的60%左右，在骨髓中生長直至成熟，隨血液流動周游全身。當病原微生物侵入體內造成感染時，中性粒細胞會第一時間聚集在感染的發生部位，試圖驅趕和殺滅那些進入人體的不速之客。

在未經活化的狀態下，最多兩三天的時間，中性粒細胞“戰士”們就會英勇戰死，然后被免疫系統清除。與此同時，新的中性粒細胞會從骨髓中分泌而出，前赴后繼地繼續戰斗，直到壯烈犧牲。

殺身成仁，血肉筑“天網”

與人類的現代戰爭不同，人體內的“戰爭”往往以肉搏戰的形式開始。中性粒細胞通常聚集在病原入侵地點，試圖進行吞噬并消化。對它們來說，“吃掉敵人”當然是最經濟的打法——既完成了消滅任務，又飽餐了一頓。

如果肉搏戰役進展不順利，中性粒細胞會進行脫粒作用——分泌體內包含有殺菌物質的顆粒，對細菌進行“遠程殺傷”。這些物質主要包括溶菌酶、水解酶和過氧化物酶類。

早些年，人們認為中性粒細胞主要通過以上兩種方式進行殺菌：吞噬病原然后消化，或者分泌抗菌分子。而隨著研究的進一步深入，2004年，科學家們發現了中性粒細胞一大充滿悲劇英雄色彩的“終極武器”——中性粒細胞胞外陷阱（簡稱NETs，意為“網”）。、

在特定情況下，中性粒細胞會毅然赴死（這一過程被稱為“NETosis”），并釋放體內的物質，組成一張“天網”擒獲周圍的微生物。這張網可謂是用中性粒細胞的“血肉”筑成的：NETs中包含了大量DNA、組蛋白以及其他蛋白質。

NETs中的組蛋白，不僅自身具有抗菌作用，還能為NETs提供巨大的質量，使它能更有效地限制病原菌的活動。其他蛋白質中則包含能對細菌產生直接殺傷的蛋白酶體及能結合金屬離子造成細菌養分不足的金屬結合蛋白。

在這傾盡一切的最后殺招中，連在正常細胞中最為重要的遺傳物質，也身先士卒上了戰場。2015年年初的一項研究指出，在NETs中，DNA可能發揮著黏附和殺滅兩大作用。目前的觀點更傾向于認為，是DNA與NETs上的結合蛋白一起，構成了“天網”中殺滅細菌的最主要力量。

“自爆”失控，反傷主人

需要指出的是，與許多免疫機制一樣，NETs的形成也是一把雙刃劍。不能有效形成NETs的人群固然受到更高感染幾率的威脅，但如果NETs的形成缺乏適當的調控，也會引發災難性的后果。

所謂“請神容易送神難”，自身免疫疾病是NETs缺乏調控導致的主要后果?？茖W家發現，在全身性紅斑狼瘡患者體內，NETs形成的反應略有不同。在發生免疫反應時，全身性紅斑狼瘡患者的中性粒細胞似乎更“樂意”壯烈犧牲，更多的NETs隨之形成，而對應的吞噬作用則被極大削弱。

此外，在對這些患者體內NETs進行檢測后，研究人員發現，它所具有的各類抗菌物質濃度都更高。更致命的是，30%的全身性紅斑狼瘡患者體內，DNA水解酶DNAse I活性都因為太低導致NETs無法降解，這樣，大量存在的NETs在清理完既定目標后，反而會對患者的細胞和組織進行殺傷。

那么，如何開發出一種藥物，去抑制NETs失控帶來的危害呢？在這點上，人們恐怕要好好向自己的“敵人”——病原菌們進行學習。為了打進人體，獲得寶貴的營養和繁殖環境，病原微生物在漫長的年月中演化出了無數精妙的“戰術”來摧毀人類的免疫防線。即便是看上去多么英勇剛烈無人能擋的中性粒細胞，在一些病原菌眼中，都只不過是大軍前進的車輪前一支小小的螳臂。

病原菌的破網之計

細菌的策略其實很簡單，無非3種：摧毀，偽裝和早期抑制。

偽裝是細菌侵入宿主的過程中最常用的手段。它簡單經濟高效實用，還能給自己創造一種“萌萌噠”的神秘感——只有暴徒會動輒舞刀弄槍，作為一個優雅的病原菌，如春雨入夜一樣無痕潛入才符合自己的身份。

肺炎鏈球菌是此類病原菌的典型。正如大名鼎鼎的格里菲斯實驗中所描繪的一樣，肺炎鏈球菌穿著由厚厚的多糖莢膜構成的“隱身衣”，繞開中性粒細胞的監視，即使遇到了已經形成的NETs，這層多糖仍有助于降低NETs對細菌的親和力——被莢膜掩護的細菌就好像在籃球場上滿身大汗的赤膊男一樣，每當你試圖抓到他，卻總是會被滑溜溜的表面一把甩開。

當然了，在偽裝進行得不順利時，病原菌也是會訴諸暴力的。最常用的武器是上面提到過的DNA水解酶（DNAse）。體外實驗證實，這些酶類能夠直接作用于NETs并將之摧毀。化膿鏈球菌能夠分泌水解酶Sda1對NETs發起攻擊，與此同時又通過另一種可以使Sda1失去活性的蛋白——SpeB來調節前者的活性。研究人員發現，具有更高毒性的化膿鏈球菌SpeB基因發生了突變，表達量大大減少。這樣的化膿鏈球菌具有更強的DNA水解酶活性，在與NETs的戰斗中，它們顯得更加勇不可當。

中性粒細胞的3D模型。（來源：blausen）

有趣的是，DNAse的存在并未能使雙方的角力演變成一場單方面的屠殺。這些看起來無堅不摧的水解酶，有一個重大的弱點：它們的活性需要陽離子的參與。沖著這一點，NETs中的鈣離子和鋅離子螯合蛋白就派上用場了——在感染出現的區域，這些蛋白的濃度急劇升高，有效降低了DNAse獲得金屬離子發揮活性的概率，進而使本該致命的水解酶不再致命。戰斗至此，病原菌和宿主的戰爭，也從攻堅戰變成了資源戰。

對于病原菌來說，進攻的“奧義”在于從自己開始圖謀不軌的時候，就堅決不讓NETs形成。盡管目前來說并沒有直接的證據證實細菌確實能采用這樣的早期抑制手段，但有一些現成的事實可能會支持這個行為，包括：體外實驗證明過氧化物酶能夠抑制NETs的形成；幾乎不存在具有毒性且過氧化物酶被突變喪失酶活的金黃色葡萄球菌；將野生型金黃色葡萄球菌中過氧化物酶突變后，其對小鼠的感染能力降低。

雖然如此，也有學者認為，并不能據此推斷金黃色葡萄球菌中的過氧化物酶是為了針對NETs的主動防御而存在的。在病原菌與宿主的相互作用中，活性氧常常被細胞用來作為防御手段。因此，他們認為過氧化物酶的主要功能是應對時不時爆發一下的活性氧，順帶也解決了擋在入侵門口的“血肉天網”NETs。這似乎是更合乎邏輯的判斷。畢竟，盡管中性粒細胞防線的陷落對于人們來說也許是一件萬般不愿的事情，但對于決心直插戰略腹地的病原菌來說，這只不過是大戰前的小小熱身而已。