Nature：揭示细菌劫持脑膜中的神经元导致脑膜炎的机制

在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院等研究机构的研究人员详细说明了使细菌突破大脑中称为脑膜（meninges）的保护层，并导致大脑感染脑膜炎（meningitis）（一种高度致命的疾病）的逐步级联过程。这项在小鼠身上进行的研究显示细菌利用脑膜中的神经细胞来抑制免疫反应，使感染扩散到大脑中。相关研究结果于2022年3月1日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Bacteria hijack a meningeal neuroimmune axis to facilitate brain invasion”。

论文通讯作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所免疫学副教授Isaac Chiu说，“我们在大脑的保护边界确定了一个神经免疫轴，它被细菌劫持以引起感染。这是一种确保细菌生存并导致广泛疾病的巧妙手法。”

这项新的研究确定了这一系列导致感染的分子事件中的两个核心角色：神经细胞释放的一种化学物和被这种化学物阻断的免疫细胞受体。他们的研究实验表明，阻断其中的任何一个都可以中断这种级联事件，并挫败细菌入侵。

如果通过进一步的研究进行重现，那么这些新发现可能会让这种难以治疗的疾病进行急需的治疗，因为这种疾病往往使那些存活下来的人遭受严重的神经系统损害。这类治疗方法将在细菌扩散到大脑深处之前靶向细菌感染的关键早期步骤。

论文第一作者、Chiu实验室前博士后研究员Felipe Pinho-Ribeiro说，“脑膜是病原体进入大脑前的最后一道组织屏障，因此我们必须将治疗工作集中在这个边界组织发生的事情上。”

一种需要新疗法的顽固疾病

根据美国疾病控制与预防中心（CDC）的数据，全球每年有超过120万例细菌性脑膜炎。如果不加以治疗，每10名感染者中就有7人死亡。治疗可以将死亡率降低到十分之三。然而，在那些活下来的人中，五分之一的人经历了严重的后遗症，包括听力或视力丧失、癫痫发作、慢性头痛和其他神经系统问题。

目前的治疗方法使杀死细菌的抗生素和驯服与感染有关的炎症的类固醇，但可能无法抵御这种疾病的最严重后果，特别是如果由于诊断的延误而延迟治疗。减轻炎症的类固醇往往会抑制免疫反应，进一步削弱保护能力，促进感染扩散。因此，医生们必须取得一种不稳定的平衡：他们必须用类固醇来控制破坏大脑的炎症，同时也要确保这些免疫抑制药物不会进一步削弱身体的防御能力。

由于缺乏通用的脑膜炎疫苗，对新疗法的需求急迫。许多类型的细菌都能引起脑膜炎，为所有可能的病原体设计一种疫苗是不现实的。目前的疫苗只针对一些已知可导致脑膜炎的更常见细菌而制定。科学家们只建议某些被认为是细菌性脑膜炎高风险的人群接种疫苗。此外，疫苗的保护作用在几年后就会减弱。

Chiu及其同事们长期以来一直对细菌与神经和免疫系统之间的相互作用以及神经细胞和免疫细胞之间的交谈如何可能诱发或抵御疾病着迷。以前由Chiu领导的研究已表明神经元和免疫细胞之间的相互作用在某些类型的肺炎和破坏性细菌感染中起着作用。

这一次，Chiu和Pinho-Ribeiro将他们的注意力转向了脑膜炎，他们猜测神经系统和免疫系统之间的关系在其中起了作用。

脑膜是三层相互叠置的膜，包裹着大脑和脊髓，以保护中枢神经系统免受伤害、损害和感染。这三层膜中最外面的一层硬脑膜（dura mater）含有检测信号的疼痛神经元。这类信号可能来自于机械压力撞击产生的钝力或通过血液进入中枢神经系统的毒素。这些作者精确地关注这个最外层，因为它是细菌和保护性边界组织之间最初进行相互作用的场所。

近期的研究已显示硬脑膜还容纳着大量的免疫细胞，而且免疫细胞和神经细胞紧挨着，这条线索吸引了Chiu和Pinho-Ribeiro的注意。

Pinho-Ribeiro说，“当涉及到脑膜炎时，迄今为止的大多数研究都集中在分析大脑的反应上，但脑膜开始发生感染的屏障组织中的反应仍未得到充分研究。”当细菌入侵时，在脑膜中究竟发生了什么？它们如何与驻留在那里的免疫细胞相互作用？这些作者说，这些问题仍然没有得到很好的理解。

细菌如何突破大脑的保护层

在这项新的研究中，这些作者专注于肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）和无乳链球菌（Streptococcus agalactiae）两种病原体，它们是人类细菌性脑膜炎的主要原因。在一系列实验中，他们发现，当细菌到达脑膜时，它们会引发一连串的事件，最终导致传播性感染。

图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05753-x。

首先，他们发现细菌释放出一种毒素来激活脑膜中的疼痛神经元。他们指出，细菌毒素对疼痛神经元的激活可能解释严重、强烈的头痛，这是脑膜炎的一个特征。接下来，这些受到激活的疼痛神经元会释放一种叫做CGRP的信号化学物。CGRP附着在一种叫做RAMP1的免疫细胞受体上。RAMP1在称为巨噬细胞的免疫细胞表面上特别丰富。

一旦这种信号化学物与RAMP1结合，免疫细胞就会有效地失效。在正常情况下，一旦巨噬细胞检测到细菌的存在，它们就会立即行动起来，攻击、摧毁和吞噬它们。巨噬细胞还向其他免疫细胞发送求救信号，以提供第二道防线。他们的实验表明，当CGRP被释放并附着在巨噬细胞的RAMP1受体上时，它阻止了这些免疫细胞从其他免疫细胞中招募帮助。结果是，细菌增殖并造成广泛的感染。

为了证实细菌诱导的疼痛神经元激活是使大脑失去防御能力的关键第一步，这些作者研究了缺乏疼痛神经元的受感染小鼠会发生什么。缺乏疼痛神经元的小鼠在感染了这两种已知会导致脑膜炎的细菌后，发生了不太严重的大脑感染。他们的实验表明，这些小鼠的脑膜有高水平的免疫细胞来对抗细菌。相比之下，具有完整疼痛神经元的小鼠的脑膜显示出微弱的免疫反应和少得多的活化免疫细胞，这表明神经元被细菌劫持以破坏免疫保护。

为了证实CGRP确实是这种激活信号，这些作者比较了具有完整疼痛神经元的受感染小鼠脑膜组织和缺乏疼痛神经元的小鼠脑膜组织中的CGRP水平。缺乏疼痛神经元的小鼠的脑膜细胞几乎检测不到CGRP的水平，而且几乎没有细菌存在的迹象。相比之下，具有完整疼痛神经元的受感染小鼠的脑膜细胞显示出明显升高的CGRP水平和更多的细菌。

在另一项实验中，这些作者使用一种化学物来阻断RAMP1受体，防止它与CGRP（即一种由激活的疼痛神经元释放的化学物）进行交流。RAMP1阻断剂既可作为感染前的预防性治疗，也可作为感染发生后的治疗。

用RAMP1阻断剂预处理的小鼠显示脑膜中的细菌减少。同样，在感染几小时后接受RAMP1阻断剂的小鼠，以及此后定期接受RAMP1阻断剂的小鼠，与未接受治疗的小鼠相比症状较轻，而且更有能力清除细菌。

通往新疗法的道路

这些实验表明，阻断CGRP或RAMP1的药物可以让免疫细胞正常发挥作用，增加大脑的边界防御能力。在广泛使用的治疗偏头痛的药物中发现了阻断CGRP和RAMP1的化合物，偏头痛被认为起源于硬脑膜。这些化合物能否成为治疗脑膜炎的新药的基础？这些作者说，这是一个值得进一步研究的问题。

未来研究的一个方向是研究CGRP和RAMP1阻断剂是否可以与抗生素一起使用来治疗脑膜炎并增强保护。

Pinho-Ribeiro说，“在疾病升级和扩散之前，我们的发现可能影响脑膜炎感染早期阶段的治疗，可能有助于降低死亡率或尽量减少后续损害。”

更广泛地说，脑膜中的免疫细胞和神经细胞之间的直接物理接触提供了诱人的新研究途径。Chiu说，“巨噬细胞和疼痛神经元如此紧密地呆在一起，一定有进化的原因。通过我们的研究，我们获得了在细菌感染环境下发生的情况，但除此之外，在病毒感染、肿瘤细胞存在或脑损伤环境下，它们是如何相互作用的？这些都是重要的、令人关注的未来问题。”

参考资料：

Felipe A. Pinho-Ribeiro et al. Bacteria hijack a meningeal neuroimmune axis to facilitate brain invasion. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05753-x.