台灣:豈止抗腫瘤!GMI還能抗發炎、保護神經細胞,防治神經退化性疾病有望!

2018年11月21日/中興大學等/International Journal of Molecular Sciences

文/吳亭瑶
 

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不需多說,大家都知道,那些包含帕金森氏症、阿茲海默症、中風在內的「與神經細胞退化或死亡」相關的疾病,對人類健康和生活品質的威脅有多大。其無藥可治,且患病率和死亡率年復一年上升的情況,比起「至少有藥可挑,且死亡率逐年降低」的癌症還要嚴峻。

沒有人能精準預測未來等在自己前方的,是細胞異常增生到影響正常器官運作的癌症,還是神經細胞退化、死亡引發的認知或行動障礙。因此,完美的想像或許是:如果有一個安全如食品的東西,能夠一兼二顧的擊退兩大類疾病,不知該有多好?

2018年尾聲,由中興大學、豐原醫院、台中榮民總醫院、靜宜大學、中山醫學大學、弘光科技大學、中國醫藥大學等台灣多所研究機構聯合發表在《International Journal of Molecular Sciences》的研究報告,為我們帶來了希望:

該研究證明,具有抗腫瘤和免疫調節活性的小孢子靈芝(Ganoderma microsporum)免疫調節蛋白質GMI,可以降低神經組織發炎、保護神經細胞存活,對於治療神經退化性疾病和神經系統損傷相關疾病,深具潛力。

 

小膠質細胞→過度的發炎反應→神經細胞功能退化或死亡

帕金森氏症和控制運動的神經細胞受損有關,阿茲海默症與認知記憶的神經細胞受損有關,還有中風後可能出現的認知功能衰退或行動障礙,這三種疾病表面上看起來症狀不同(損傷的神經細胞掌管的功能不同),病程長短也各有快慢(前二者為慢性病,後者為急症),背後卻有共通的病理機制──不是大量神經細胞功能退化,就是大量神經細胞死亡。

過度的發炎反應被認為是神經細胞功能退化或死亡的源頭。因此,不管發炎反應的誘發因素是什麼,只要能把發炎反應降下來,就能減少神經細胞受到的損傷。

體內許多地方的發炎反應都可能影響神經細胞的功能與存活,但影響最為直接和關鍵的,主要還是與神經細胞長相左右的小膠質細胞(microglia)。

是的。位於中樞神經系統(腦和脊髓)的神經細胞並非單獨存在,而是和一群統稱為「膠質細胞」(glial cell)或「神經膠質細胞」(neuroglial cell)的細胞們相互依存。以人腦來說,這些膠質細胞和神經細胞的比例大約是十比一之多。正因為有它們分工合作提供各種支持、滋養和保護,神經細胞才能發揮正常的功能。

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圖1 中樞神經組織的基本組成:神經細胞和膠質細胞

在中樞神經組織中,神經細胞受到各種不同功能的膠質細胞支持、滋養和保護。這些膠質細胞包括:室管膜細胞、寡突膠質細胞、星形膠質細胞,以及本篇研究報告的主角,和發炎反應最為相關的小膠質細胞。(資料來源/維基共享資源媒體文件資料庫:File:Glial Cell Types.png

 

在這群膠質細胞中,小膠質細胞和發炎反應最相關,因為它就像是免疫系統中的巨噬細胞,負責清除(吞噬)入侵神經系統的病原體和受損的神經細胞。

適度活化的小膠質細胞有助於維持神經系統的衡定,但過度活化的小膠質細胞則會釋放各種不同的促發炎介質,對神經細胞造成損害。

因此,想要讓神經退化性疾病或相關的神經系統損傷獲得妥善的治療,能否有效調控小膠質細胞的發炎反應,就成了重要的標的。

 

GMI減少神經細胞死亡

為了解GMI在這方面的能耐,由中興大學等多所台灣研究機構組成的團隊,直接把大鼠的大腦皮質神經組織取出,與GMI在體外進行一系列的實驗:

研究者先把包含神經細胞與膠質細胞在內的神經組織,與GMI一起培養30分鐘,再加入可以誘發發炎反應的LPS/IFN-γ(脂多醣和干擾素γ的混合液)一起培養48小時。

脂多醣是細菌細胞壁的主要組成,干擾素γ則是動物細胞受到病毒感染後所分泌的具有抗病毒功能的醣蛋白,兩者都有刺激發炎反應的作用,因此大鼠的腦神經組織在經過LPS/IFN-γ作用之後,神經細胞存活的數量會大幅減少,細胞外觀形態和完整性也受到顯著破壞(圖2右上圖)。

反觀事先有GMI保護者,尤其是事先以2 μg/mL劑量的GMI處理過的大鼠腦神經組織,神經細胞受損的災情相對減輕很多(圖2右下圖)。

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圖2  GMI減少神經細胞死亡的數量

〔說明〕實驗方法如上述內文所述。每張圖下方的數字為神經細胞存活的數量。數據右上角標示「*」表示與「未添加LPS/IFN-γ和GMI」的控制組相比有顯著差異,p < 0.05;數據右上角標示「#」表示與「只添加LPS/IFN-γ,未添加GMI(劑量為0)」的組別相比有顯著差異,p < 0.05。右下圖下方的橫槓代表60 μm。

 

GMI抑制小膠質細胞增生

再者,LPS/IFN-γ會刺激小膠質細胞增生(如圖3右上圖),而當小膠質細胞數量愈多,發炎反應也將更加劇烈。但如果事先以GMI處理大鼠的神經組織,則小膠質細胞增生的情況會受到顯著的抑制(如圖3右下圖)。

相較之下,同樣是屬於膠質細胞家族的星形膠質細胞(其功能很多,包括:提供神經細胞所需的營養,引導神經細胞去到他們應該到達的地方,支持和固定神經細胞的位置,形成血腦障壁等等),其存活數量和細胞完整性則不受LPS/IFN-γ或GMI影響。

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圖3  GMI抑制小膠質細胞增生

〔說明〕與圖2同。

 

GMI抑制發炎介質生成

進一步檢測大鼠腦神經組織(包含神經細胞與膠質細胞)在經過LPS/IFN-γ刺激24小時後所分泌的發炎介質。結果發現,事先以2 μg/mL GMI處理的神經組織,不論是NO(一氧化氮)、TNF-α(腫瘤壞死因子)、IL-1β(介白素1-β)和PGE2(前列腺素E2),分泌量都顯著減少(如圖4)。

這表示GMI能降低神經組織的發炎反應,而且可以用2 μg/mL的極微小劑量,發揮足以媲美10 μM Genistein(金雀異黃酮)的效果(如圖4)。

Genistein是大豆裡的其中一種異黃酮化合物,被認為具有抗氧化和抗發炎活性,因此實驗以此物質做比較,可以評估GMI的抗發炎能耐到底如何。以「1 μM=2.54*10μg/mL」公式換算10 μM的Genistein,不難想像其有效劑量與GMI的差距有多大。當所需的有效劑量愈小,未來在應用上當然愈具經濟效益。

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圖4  GMI降低發炎介質的分泌量

〔說明〕標示「*」者表示數據與「未添加LPS/IFN-γ、GMI和Genistein」的控制組相比有顯著差異,p < 0.05;標示「#」者表示數據與「只添加LPS/IFN-γ,未添加GMI或Genistein」相比有顯著差異,p < 0.05。

 

GMI直接調控小膠質細胞內的分子,抗發炎也抗氧化

前面呈現的都是「從外面世界看細胞」的實驗結果,至於「細胞內部的微觀世界」又有哪些變化呢?研究者透過細胞分子層次的分析有了以下發現:

首先,經過GMI處理的小膠質細胞比較不易被LPS/IFN-γ活化──這也是為什麼GMI可以抑制小膠質細胞增生的原因之一。

與此同時,小膠質細胞內一系列和發炎相關的轉錄因子(NF-kB、AP-1、CREB、Stat1),以及許多參與發炎反應訊息傳遞的蛋白分子(ERK、JNK、p38、Akt、Jak、Src、COX-2、NF-kB),也都因為GMI的緣故而不易被LPS/IFN-γ激活。

反倒是會因為LPS/IFN-γ而降低活性的蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase)和絲胺酸/蘇胺酸磷酸酶(serine/threonine phosphatase),可以在GMI的保護下維持既有的活性。由於這些酶類有助於穩定小膠質細胞內和發炎反應訊息傳遞相關的蛋白分子,因此GMI在這方面的作用,可被視為是GMI抑制小膠質細胞發炎反應的重要機制之一。

看到這裡,不知你有否發現,GMI就是有辦法逆轉LPS/IFN-γ對於發炎反應的煽風點火。其實實驗也觀察到,連容易因LPS/IFN-γ刺激而升高的氧化壓力,也會受到GMI壓制。由於氧化壓力不僅會助長發炎反應的氣焰,還會致神經細胞於死地,因此GMI的抗氧化作用對於神經細胞的保護極具意義。

 

GMI防治「慢性神經退化疾病」或「急性神經系統損傷」的應用,值得進一步探究

GMI從發現到近幾年應用於臨床輔助腫瘤治療,已經將近二十年了。這個由111個胺基酸組成、分子量在一萬出頭的小分子蛋白,已被證實可以通過胃酸和腸液等消化酵素考驗,以口服方式進到體內發揮調節免疫和抗腫瘤等作用。如今,其對神經細胞保護作用的再獲證實,無疑為GMI應用在維護人類健康的可能性再添一筆。

事實上已有研究證明,光是緩和周邊血液裡的發炎反應,就能對神經細胞功能退化或神經細胞死亡造成的疾病有所助益。這點對GMI來說不成問題,倒是它在進入血液循環之後,是否也能直接對大腦神經組織中的小膠質細胞進行調控,則須進一步以動物體內實驗加以驗證。

根據過去的醫學認知,大腦和血管之間有道「血腦障壁(或稱血腦屏障)」會像圍牆般會選擇性的阻止血液裡的某些物質進入大腦;然而近幾年通過更精密的儀器檢測則發現,血腦障壁並非死板板的銅牆鐵壁一塊,而是不斷在「活動」的──有細胞在血管與大腦之間互相溝通和穿梭的。(參考文章:打開血腦障壁,科學人雜誌,2013)

讓我們一起期待進一步的實驗結果。也許擊退帕金森氏症、阿滋海默症,乃至中風引發的認知退化或行動障礙等各種和神經細胞功能退化或死亡相關疾病的希望,就在這個「也能擊退腫瘤」的GMI裡。

〔資料來源〕Chen WY, et al. Anti-inflammatory and Neuroprotective Effects of Fungal Immunomodulatory Protein Involving Microglial Inhibition. Int J Mol Sci. 2018 Nov 21; 19 (11).