Protective role of phospholipid oxidation products in endotoxin-induced tissue damage

Bochkov, V. N. et al

Nature, vol 419, 77-81, 2002

學生：王瑞烽

當受到革蘭氏陰性菌感染時，人體可經由細胞上的多種受器與革蘭氏陰性菌的相互作用來引發免疫反應，其中，較廣為人知的就是lipopolysaccharide (LPS) 與toll-like receptor 4 (Tlr4) 之間的作用。LPS是革蘭氏陰性菌外膜的組成物，同時它也被歸類為內毒素的一種，在其誘導免疫反應的步驟上，LPS會先與游離在細胞外的LPS-binding protein結合，接著再與leukocytes或是dendritic cells細胞膜上的CD14反應，最後這一個複合物會與Tlr4作用，並且活化Tlr4在細胞內的下游訊息傳遞路徑¹。在這一個訊息傳遞路徑中，Tlr4會經由nuclear factor κB (NFκB) 與mitogen-activated protein-kinase (MAP-kinase) 活化細胞內的inflammatory genes並促使一些cytokines的產生。Leukocytes所釋放的cytokines除了會讓血管內皮細胞大量表現inflammatory adhesion molecules外，也具有誘導leukocytes匯集到發炎部位的能力。活化的dendritic cells則會向淋巴結或是淋巴器官移動，進而誘發adaptive immune response²。

在感染的初期，主要用來清除病原菌的細胞為neutrophils。Neutrophils會將病原菌吞噬到胞內，接著釋放酵素如：NADPH oxidase以及myeloperoxidase來產生活性氧離子或是過氧化物而達到殺菌的功效³。然而，這些酵素也會使發炎部位的脂質發生過氧化反應 (peroxidation)⁴。根據過去的研究，發現被氧化的磷脂質是造成動脈硬化的原因之一⁵，然而在1999年，有一群研究人員發現氧化的磷脂質能抑制inflammatory adhesion molecules的表現，進而抑制發炎反應⁶。在2002年的這一篇文獻中，作者群們進一步的探討了抑制現象發生的原因。

在人體所含的脂質中，一種不飽和脂肪酸名為1-palmitoyl-2-arachidonoyl-sn-glycero-3-phosphorylcholine (PAPC)特別容易被酵素所氧化。根據以往的研究發現，在PAPC經氧化所得到的產物 (OxPAPC)中，有些成份是會增進內皮細胞表現inflammatroy genes而促進內皮細胞與monocytes的作用，而有些成份卻能抑制neutrophils與內皮細胞的反應，進而減少neutrophils到達發炎部位的數量⁶。

作者們利用LPS直接去促發human umbilical-vein endothelial cells (HUVEC)產生反應，並加入OxPAPC以觀察其抑制發炎反應的現象。由實驗結果得知，OxPAPC能抑制由LPS所誘導的inflammatory adhesion molecules如：E-selectin，ICAM-1，VCAM-1的表現。隨著加入OxPAPC的量增加，其抑制的效果越好。他們也發現加入OxPAPC後能抑制由LPS所誘導的 NFκB、MAPK的活化，以及IκBα的磷酸化，而對於TNFα以及IL-1所促發的反應則沒有影響。

由於LPS以及IL-1所促發的下游訊息傳遞路徑都是經由MyD88這個分子，所以作者們推測OxPAPC所影響的地方應該是在LPS與LPS-binding protein、CD14或是Tlr4之間的相互作用。經實驗發現，OxPAPC能降低LPS與LPS-binding protein以及CD14的結合，進而影響LPS與Tlr4的反應。

作者也利用HPLC的方式去分析OxPAPC的成份，他們進一步證實OxPAPC所含的POVPC具有抑制發炎反應的功效。同時他們也發現了只有被氧化的PAPC即OxPAPC才具有抑制的效果，PAPC或是其他的脂質如：arachidonic acid以及dimyristoylphosphatidylcholine都無法有作用。OxPAPC所具有的抑制效果，在加入antioxidant butylated hydroxytoluene後並不受影響，由此可知OxPAPC的抑制效果與free radicals無關。

在動物實驗中，OxPAPC能有效抑制經由皮下注射LPS所誘導的myeloperoxidase-expressing leukocytes的聚集。在air pouch model中，OxPAPC能抑制neutrophils往注射部位的移動，以及p65 nuclear translocation和內皮細胞表現VCAM-1。在腹腔注射的實驗中，OxPAPC能降低在腹腔壁以及心臟和動脈E-selectin mRNA的表現，同時也抑制了blood borne cells的聚集以及在subserosal layer中水腫的形成。實驗結果也證實，當老鼠被打入致死劑量的LPS後，OxPAPC能增加老鼠的存活率。

在neutrophils殺菌的過程中所得的一個副產物，竟能去抑制人體的免疫反應，而降低sepsis發生的機會，我想，這樣的發現實在是令人感到十分的意外。或許藉由分析OxPAPC的組成及特性，能給科學家一些概念與思想上的衝擊，進而發展出新的抗內毒素的藥物。

References:

1. Medzhitov, R. Toll-like receptors and innate immunity. Nature Rev. Immunol. 1, 135–145 (2001).

2. Beutler, B. Tlr4: central component of the sole mammalian LPS sensor. Curr. Opin. Immunol. 12, 20-26 (2000)

3. Hampton, M. B., Kettle, A. J. & Winterbourn, C. C. Inside the neutrophil phagosome: oxidants, myeloperoxidase, and bacterial killing. Blood 92, 3007–3017 (1998).

4. Zhang, R. et al. Defects in leukocyte-mediated initiation of lipid peroxidation in plasma as studied in myeloperoxidase-deficient subjects: systematic identification of multiple endogenous diffusible substrates for myeloperoxidase in plasma. Blood. 99, 1802-1810 (2002).

5. Lusis, A. J. Atherosclerosis. Nature 407, 233–241 (2000).

6. Leitinger, N. et al. Structurally similar oxidized phospholipids differentially regulate endothelial binding of monocytes and neutrophils. Proc. Natl Acad. Sci. USA96, 12010–12015 (1999).