【電子文庫-SHS生命科學專題】2011 諾貝爾生醫獎–揭開免疫系統的神祕網絡

科博文says:過去一個月裡,這世界或多或少都有了些改變-世界科技偉人- Steve Jobs 的殞落,讓不少人留下無限感嘆。然而,一直以來不遺餘力改寫世界科學的偉人也陸續獲得肯定。特此,今日推出2011年的科學盛事 -【解讀2011諾貝爾生醫獎】一文,期待你我在11月裡都能有所收穫。

撰文作者|Vita chen(科文計畫特約編輯/國立臺灣大學植物科學研究所畢)

2011年諾貝爾生理暨醫學獎於十月三日揭曉,美國的包特勒(左起)、法國的霍夫曼及加拿大的史丹曼三位科學家共同獲獎。(圖片引述出處:http://tw.myblog.yahoo.com/khwang_99/)

免疫學的肯定

今年諾貝爾生理暨醫學獎得主於 10 月正式出爐,分別由三位免疫學家共同獲得:美國的包特勒 (Bruce Beutler),盧森堡出生的科學家霍夫曼(Jules Hoffmann)以及加拿大的史坦曼(Ralph Steinman )。該獎項肯定了三位科學家長期致力於人類免疫系統機制的研究成果,同時也意味著人類在預防和治療「感染、癌症和發炎」上將會有長足的進步。但較讓人遺憾的是,史坦曼於頒獎前三天不幸逝世,而諾貝爾委員會更是破例依照預定名單受獎予史坦曼,肯定他對人類醫療科學的貢獻。

先天免疫系統(Innate immunity )是一系列較早產生的機體防禦機制,主要是可藉由非專一性的方式偵測和抵抗外來病原菌的感染,在動植物、真菌、昆蟲和比較原始的多細胞生物中都是不可或缺之一環。然而,先天免疫系統並不會提供持久的保護性免疫,其最主要功用是作為一種迅速的抗感染作用,在專一性後天免疫系統尚未啟動之前,扮演普及型防護傘的角色。

發現人類先天性免疫系統受體】

1996年,霍夫曼利用果蠅實驗,發現一種名為 Toll 的基因若突變或缺失,就會使蠅無法抵抗外來細菌或黴菌的感染,並認為該基因在先天免疫系統(innate immune system) 的啟動與否應扮演著關鍵性角色。事隔兩年,包特勒在1998年以老鼠作為試驗對象,發現能辨識革蘭式陰性菌表面產物- 脂多醣 (lipopolysaccharides,簡稱LPS) 的受體。由於該受體與上述Toll的基因的接受體相似,活化後都能引起發炎反應,故稱之為「類 Toll 接受體 (Toll-like receptor,簡稱 TLR)」。截至目前,人類身上已陸續發現超過 10 種以上 TLR 的存在。對此,霍夫曼與包特勒的實驗,不但發現人類先天性免疫系統的受體,另一方面,亦間接說明了人類和果蠅可能共同使用著類似分子進而活化先天性免疫系統,對現今科學研究無疑是一劑強心針。

當入侵者沒有被上述的非專一性方式(先天性免疫)摧毀時,這時後天性免疫機制就會啟動。後天性免疫系統主要是藉由專一性辨認系統機制達到清除異己之效。以脊椎動物反應為例,它能夠區分外來蛋白質和生物體自身的蛋白質。生物將外來物質 (或者是外來物質的一部份) 視為抗原 (antigen, Ag)。通常抗原一但暴露在動物的血液中,後天性免疫就會透過淋巴細胞、主要組織相容複合體(major histocompatibility complex,簡稱 MHC) 和抗體等多種複雜訊號傳遞過程,將抗原予以清除。其中淋巴細胞參與的成員即有大家較為熟知的B 淋巴球和 T 淋巴球。

(圖片來源:聯合報)

【樹突細胞的貢獻】

另一名獲獎者-史坦曼,其主要貢獻即是揭露另一種名為樹突細胞(dendritic cell,簡稱DC) 的白血球功能,並說明這種系統是如何扮演溝通先天免疫跟後天免疫這兩個免疫系統的角色。樹突細胞因外形如神經細胞樹突般突起而得名,而最早發現樹突細胞的其實是德國學者蘭格漢(Paul Langerhans),但由史坦曼1973年始予以正式命名。藉由不斷分析樹狀細胞的各種特性後,史坦曼於1978年發現,少量的樹狀細胞即可活化T細胞,並可將含外來抗原的宿主細胞破壞,且其刺激免疫細胞分裂的能力更勝於B 淋巴球、T 淋巴球和巨噬細胞。幾年後,史坦曼於1985年接著進一步證明:藉由注射已受抗原挑戰過的樹狀細胞至老鼠體內,能活化動物體內對此抗原專一的T細胞,進而啟動起強烈的免疫反應。

樹突細胞雖然數目極少,約佔血液中白血球的0.2%,但卻是目前被認為是免疫系統中最具抗原呈獻能力的細胞。臨床方面,也已有人藉由攜有腫瘤抗原之樹突細胞作為疫苗,進行惡性癌症之人體臨床試驗。目前許多臨床試驗結果均顯示,這種治療方式對部分病人頗具有治療效果,且其副作用及毒性亦低。因此,以樹突細胞為基礎之免疫治療,似乎已被認為是頗具發展潛力之治療法。

樹突細胞是一種存在於哺乳動物的一種白血球。它存在於血液和暴露於環境中的組織中,如皮膚和鼻子、肺、胃和小腸的上皮組織。作用是調節對當前環境刺激的先天和後天免疫反應,能將抗原處理後展示給免疫系統的其他白細胞,故是一種抗原提示細胞。他們被活化時,會移至淋巴組織中與T細胞與B細胞互相作用,以刺激與控制適當的免疫反應。

【未來挑戰】

三位學者不遺餘力地研究,終使揭開人類免疫系統複雜網絡的神秘面紗,也使得人類得以對活化先天及後天免疫系統,能有更深入的了解。對此,無論在未來治療癌症、自體免疫或過敏等疾病上,都打開了未來醫學治療的新方向。

>>延伸閱讀:
Banchereau, J., and R. M. Steinman. Dendritic cells and the control of immunity. Nature 392, 245-252 (1998).
Lematre, B. et al. The Dorsoventral Regulatory Gene Cassette spätzle/Toll/cactus Controls the Potent Antifungal Response in Drosophila Adults. Science 86, 973-983 (1996).
Poltorak, A. et al. Defective LPS Signaling in C3H/HeJ and C57BL/10ScCr Mice: Mutations in Tlr4 Gene. Science 282, 2085-2088 (1998).

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