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shRNA表达克隆

电刺激激活免疫系统疗法

May 22, 2017 No Comments

电刺激激活免疫系统疗法1SetPoint Medical公司的植入式电刺激器可以对迷走神经施加电刺激。不过该电刺激器还未在人体上进行试验。

 

一项研究揭示了神经和免疫系统之间的联系。这会引起医学领域的革命吗?

每一天,Katrin每隔一段时间就会从口袋里取出一小块磁铁,然后把它放贴在锁骨的皮肤上。之后,她会受到60秒钟的电刺激,她的喉咙能感受到轻微的震动。如果她这时说话,就会有颤音。过一会儿,这种感觉会消失。Katrin每天要进行六次这样的电刺激。

这块小磁体的作用是启动植入她体内的一个设备,使之发射一系列幅度在毫安级别的电脉冲——这和常见助听器中的电流是一样的。这些脉冲能刺激她的迷走神经——一系列连接着脑干和身体几大器官,包括心脏和肠道的神经纤维。

自20世纪90年代起,迷走神经刺激技术被广泛用于治疗癫痫,并且自20世纪20年代初期曾被用于治疗抑郁症。Katrin是阿姆斯特丹的一名健身教练,今年70岁,她的名字可能会出现在电刺激治疗的历史记录中。因为Katrin用电刺激来控制类风湿关节炎——一种损害关节和周围组织软骨的自身免疫性疾病,并且获得了很大改善。5年前,她加入了一项临床试验。该试验是首个探索电刺激在治疗自身免疫性疾病的临床潜力的试验。同时,它代表着20年来研究神经和免疫系统之间关系的鼎峰时期。

该临床试验的负责人是纽约费恩斯坦医学研究所(Feinstein Institute for Medical Research)的神经外科医师Kevin Tracey。Tracey认为,迷走神经是神经—免疫系统联系的主要组成部分。他指出,电刺激在红斑狼疮、克罗恩病等自身免疫性疾病上,可能比药物更有效。

几家制药公司都投资了“电刺激疗法(可调节神经的设备)”市场,试图利用植入式电刺激仪器来治疗心血管和代谢疾病。如果Tracey的理论是对的,那么使用电刺激调控免疫系统将会是免疫学领域的重大突破。

俄亥俄州肯特州立大学(Kent State University)神经科学家Dianne Lorton表示,很多人都在研究神经和免疫之间的关联,而Tracey是先锋。Lorton花了30年来研究深入免疫器官(如淋巴结和脾脏)的神经的作用。但她和其他研究者警告说,目前神经回路的抗炎机制还不明确。

Tracey同意这一观点,但他仍然觉得电刺激具有巨大潜力,并指出,有生之年,我们将会看到某些仪器会替代掉药物。Tracey认为,对迷走神经或其它周围神经施加电刺激可以治疗许多疾病,包括糖尿病、高血压和出血。这开启了一个新的领域。

 

有意义的电刺激

Tracey研究神经免疫其实纯属偶然。1998年,他正在研究一种名为CNI-1493的实验药物,其通过降低一种免疫蛋白——肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的水平来遏制动物炎症。CNI-1493通常被用于静脉注射,但有一天,Tracey决定将其注射入大鼠的大脑。他想看看脑卒中是否会降低TNF-α的水平。但接下来发生的事情让他大为惊讶。

往大脑注射CNI-1493减少了整个大鼠体内TNF-α的产生。其它实验表明,往大脑注射药物,比往静脉注射有效得多,前者的效力是后者的10万倍。Tracey推测,CNI-1493作用于神经信号。

后续实验支持了这一想法。他将CNI-1493注入大脑几分钟后,观察到大鼠的迷走神经被激活。迷走神经调节了一些非自主功能,包括心率、呼吸和肠道推动食物的肌肉收缩。Tracey认为,迷走神经或许可以控制炎症。他切断迷走神经后,CNI-1493的作用消失了。Tracey指出,这个发现很可能会改变整个领域。这个发现意味着,或许不需要药物就能刺激迷走神经。

接着,他尝试了一个关键性的实验。他给大鼠注射了致命剂量的内毒素——细菌细胞壁的一部分,可引起动物的炎症、器官衰竭,甚至死亡。内毒素的作用大致模拟了人类的败血性休克。然后,Tracey使用电极刺激动物的迷走神经。治疗组血液中的TNF-α含量为对照组的四分之一,并且没有发生休克。

Tracey立刻意识到,迷走神经刺激在阻止TNF-α和其它炎症分子的激增上具有巨大潜力。并且当时已有公司在销售植入式电极,以治疗癫痫。但是,为了在炎症上应用电刺激,Tracey需要更清晰地了解电刺激对免疫系统的作用机制和可能的副作用。

接下来15年里,Tracey的团队进行了一系列动物实验,以确定迷走神经刺激的作用位置和机制。他们试图在不同的地方切断神经,并使用阻断特异性神经递质的药物。这些实验似乎表明,当迷走神经被刺激时,信号将传导到腹部,然后通过第二神经进入脾脏。

脾脏作为免疫中转站,循环免疫细胞会定期在这里停留一段时间,然后返回血液。Tracey团队发现,进入脾脏的神经会释放一种名为去甲肾上腺素的神经递质,作用于脾脏中的T细胞。Tracey指出,神经和T细胞之间的联系实际上和两个神经细胞之间的突触非常类似,而T细胞的行为也和神经元非常类似。T细胞被激活后,会释放另一种乙酰胆碱的神经递质,然后乙酰胆碱与脾脏中的巨噬细胞结合。当往动物体内注射内毒素后,这些免疫细胞通常会释放TNF-α到血液中。但巨噬细胞在乙酰胆碱作用下,会减少炎性蛋白的产生(图:作用于免疫系统的电刺激)。

 

电刺激激活免疫系统疗法2

 

Tracey的发现为数十年来的一些研究提供了合理的解释。20世纪80年代和90年代,当时任职于纽约州罗切斯特大学(University of Rochester)的神经解剖学家David Felten对各种动物解剖拍照,从中发现了神经元-T细胞突触的微观图像。这种突触不仅存在于脾脏中,还存在于淋巴结、肠道和胸腺中。这些神经元属于交感神经系统,负责调节对某些压力源的机体响应。正如Tracey在脾脏中发现的那样,Felten观察到,这些交感神经元通过分泌去甲肾上腺素刺激T细胞——通常这种刺激有助于阻止炎症。

2014年,日本大阪大学(Osaka University)的神经免疫学家Akiko Nakai报道证实,交感神经刺激T细胞限制了它们离开淋巴结并进入循环,从而抑制这些T细胞进入身体其他部位,及其引起的炎症。但是在许多自身免疫性疾病中,这种神经信号被阻断。

Lorton和她的孪生姐妹,加州洛马琳达大学(Loma Linda University)的神经学家Denise Bellinger发现,自身免疫性疾病大鼠模型中的交感神经通路存在突变。人类也是如此。由于交感神经过度释放去甲肾上腺素,并因此受损,从而导致这些交感神经不再深入免疫系统,失去对炎症的抑制作用。随着疾病的进展,这些神经再次回到免疫系统——但是这一次它们并不调控T细胞,而是与其它免疫细胞亚群形成联系。这些重新排列的神经通路实际上会促进炎症,而非抑制炎症。 Bellinger指出,这种异常的神经回路通常发生在脾脏、淋巴结和关节处,并引起疾病。

但Bellinger、Lorton和其他人都对Tracey发现的通过迷走神经刺激降低炎症的通路持怀疑态度。澳大利亚墨尔本大学(University of Melbourne)的神经科学家Robin McAllen就试图寻找迷走神经与刺激脾脏T细胞的神经之间的关系——但到目前为止,他并没有找到任何关联。

Bellinger认为,迷走神经“间接地”通过其它神经作用于脾脏T细胞。在电刺激免疫疗法进入临床之前,搞清楚其中的具体回路非常重要。因为“解剖结构很大程度上决定了副作用的类型和强度。

然而,这些怀疑者也不得不承认Tracey方法的潜力。Bellinger指出,在许多自身免疫性疾病中,交感神经重排后变得过度活跃,同时作用与其相反的迷走神经会变得不活跃。迷走神经刺激可能部分恢复这两种神经系统之间的平衡。这只是第一步。Tracey相信,迷走神经电刺激法可以进入临床,并且具有显著疗效。

 

前路漫漫

癫痫病人或抑郁症病人接受迷走神经电刺激后,往往会发生一些副作用,例如喉咙疼痛和紧张,或嗓音发颤,正如Katrin所经历的那样。刺激迷走神经也可以产生降低心率或增加胃酸等作用。

在这方面,Tracey并不需要过分担忧。人类迷走神经包含约100,000个单独的神经纤维,其分支到达各种器官。但是,每种神经纤维被激活时需要的电量不同,差异可达50倍。

Tracey的前研究生Yaakov Levine发现,参与减少炎症的神经纤维的活化阈值较低,只需要250万分之一安培(常用的抑制癫痫的电流的八分之一)就可以激活这些纤维。虽然治疗癫痫每天需要长达几个小时的电刺激,但动物实验表明,单次短暂的电刺激就足以长时间控制炎症了。Levine指出,在乙酰胆碱的调控下,巨噬细胞在24小时内都无法产生TNF-α。Levine现在就职于SetPoint医疗公司,该公司的主营业务是将迷走神经刺激疗法商业化。

2011年,由于动物研究大获成功,且已经最优化了电刺激条件,外加获得了SetPoint的资金支持,Tracey开始开展人体试验。第一次临床试验的监督者是阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam)的风湿病专家Paul-Peter Tak。在过去几年中,有18位类风湿关节炎患者,其中包括Katrin,接受了电刺激器体内移植。

6周内,她和另外11名参与者的症状得到了改善。实验室检查显示,这12名患者血液中的TNF-α和白细胞介素-6等炎症分子水平有所降低。刺激后14天,疗效消失,再次电刺激,则又会有所改善。

自那以后,Katrin继续使用电刺激的同时,仍然需要每周注射抗风湿药物甲氨蝶呤,以及每日服用一次名为双氯芬酸的消炎丸,但她停止了服用高剂量的免疫抑制类固醇。Katrin的关节状况有了很大改善,最后得以重返工作岗位。这项试验的结果于去年7月被发表于美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)。

无独有偶,另一项迷走神经刺激试验的结果也同年发表。法国格勒诺布尔大学医学院(University Hospital in Grenoble)胃肠病学家Bruno Bonaz为7名克罗恩病患者植入了电刺激器。6个月里,其中5人报告症状较少,肠内窥镜检验显示组织损伤减少。目前SetPoint开展的一项通过使用迷走神经刺激来治疗克罗恩病的临床试验正在开展中。

除了Tracey和Bonaz,还有很多研究者希望利用神经回路治疗炎症。加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的创伤外科医生Raul Coimbra正在研究利用电刺激治疗脓毒性休克(一种每年导致数十万人死亡的疾病)。死于脓毒性休克的病人体内发生了一种无可逆转的病变:肠道内皮迅速恶化,从而释放细菌到身体里,引发炎症,损害肾和肺等器官。

与Tracey一样,Coimbra通过电流或一种试验药物CPSI-121刺激迷走神经,成功地抑制了脓毒性休克中的机体炎症。Coimbra希望基于此开展临床试验。但他的研究还发现了迷走神经刺激疗法必须克服的另一个重大挑战:与大鼠不同,一些人可能对该技术有抵抗力。

人类基因组编码了其它动物中未被发现的、额外的、不起作用的乙酰胆碱受体蛋白。Coimbra在加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的合作者Todd Costantini发现,如果这种异常受体获得大量合成,就会破坏信号通路,并使巨噬细胞对乙酰胆碱无响应。这意味着,这些巨噬细胞在迷走神经刺激的情况下,仍然可以继续释放TNF-α。Costantini指出,这种蛋白质的合成量非常高,可达到正常蛋白的200倍。他计划测试是否高水平的乙酰胆碱受体蛋白真的可以阻止迷走神经刺激的抗炎作用。一些案例表明,可能真的是这样。

到目前为止的小型临床试验已经显示,有些人对迷走神经刺激没有反应。因此,检测患者是否携带这种突变,有利于判断患者是否应该接受电刺激器植入疗法。

然而,尽管存在不确定性,但电刺激疗法风头正劲。去年10月,美国国家卫生研究院(NIH)宣布了在之后7年投入2.38亿美金,以支持一项名为“刺激周边神经治疗疾病”(Stimulating Peripheral Activity to Relieve Conditions, SPARC)的计划。该计划旨在绘制胸腔和腹腔神经回路。

英国制药巨头葛兰素史克(GlaxoSmithKline, GSK)也对电刺激疗法很感兴趣。GSK已投资SetPoint,并于去年宣布与Google合资组建公司Galvani Bioelectronics。该公司将开发针对各种疾病(包括炎性疾病)的治疗方案。Setpoint类风湿关节炎试验的负责人Tak于2016年加入GSK。

迷走神经刺激是否能达到预期效果仍有待观察。迄今为止,已接受电刺激治疗的人数很少——两次已完成的试验中,只有25人接受了试验。毕竟,疗法在早期试验中效果良好,但在后续的大规模试验里表现不佳是经常发生的事情。

但自身免疫性疾病的患者对电刺激疗法非常期待。目前,类风湿关节炎和克罗恩病的治疗有一定的风险,且并非对每个人都有效。Katrin参与的那项试验报名人数超过1000。她表示,她没有其他选择,所以想试试看。

 


原文检索:
Douglas Fox. (2017) The shock tactics set to shake up immunology. Nature, 545(1038): 20-22.
张洁/编译

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