#NEWS 揭開水腦症與脈絡叢的新面紗—腦脊髓液分泌失調與免疫系統的愛恨情仇

脈絡叢（Choroid Plexus，ChP）分布於四個充滿腦脊隨液（Cerebrospinal fluid， CSF）的腦室中，由負責分泌 CSF 的上皮細胞層所組成，其中充滿免疫及間質型態的細胞。除了分泌 CSF，ChP 還扮演了血液及腦脊隨液的屏障，可以在組織發生感染或損傷時允許免疫細胞的進入以抵抗外來宿敵。

水腦（Hydrocephalus）以腦室腫大（ventriculomegaly）為常見的徵象，其中以感染（post-infectious hydrocephalus, PIH）及出血（post-hemorrhagic hydrocephalus, PHH）所引發的的水腦為最典型的兩種型態，此兩種型態都會促成 CSF 的回收效率下降，現行的治療皆以外科手術為主要策略，研究團隊認為藉由了解 PIH 及 PHH之下 ChP 的免疫及分泌機制可以幫助神經免疫方面疾病的治療策略發展。

過去的研究結果顯示，會表現脂多糖（Lipopolysaccharides， LPS）的細菌，例如：大腸桿菌（Escherichia coli，E. coli）以及出血後產生的血紅素（hemoglobin）都是會刺激免疫反應的典型病原型態，均會活化第四型類鐸受體（Toll-like receptor-4，TLR4）[1-3]，因此團隊提出感染與出血所致的水腦由相似的病生理機制造成 ChP 分泌 CSF 與免疫功能失調。研究團隊創造了 E.Coli 致PIH的小鼠模型，分別為不同小鼠的腦室內-注射一般的 E. coli （E. coli 含 LPS，以 E. coli+LPS 表示）和基因工程改造的E. coli （E. coli 不含 LPS,以 E. coli-LPS 表示），並將全部鼠腦都注入滅菌的人工CSF（sterile artificial CSF），結果顯示被 E. coli+LPS 感染 72 小時後的小鼠側腦室體積是控制組的3倍。另外，研究團隊對於 CSF 的恆定機制感到好奇，急性腦室腫大被認為是因大腦導水管（Cerebral aqueduct）阻塞而影響 CSF 的流動因而造成 CSF 的流出遭到破壞，為了探討CSF的流出情形，研究團隊注射染劑至 PIH 72 小時鼠腦的側腦室（Lateral venticle），結果顯示CSF的流動並未受阻（圖一）。

圖一： a：建立 PIH 動物模式示意圖；b：被含LPS的 E.coli 感染的鼠腦與控制組相比之下有顯著腦室腫大的現象，單純含 LPS 一組也有相似的結果。圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.017

研究團隊接著探討 LPS 和 CSF 分泌速率的關係，結果顯示注入 LPS 及 E. coli +LPS 感染的鼠腦 CSF 的分泌速率比控制組快上 2.5倍，而 E. coli-LPS 組卻無顯著上的差距，而以 Bumetanide（抑制ChP分泌 CSF 的製劑）可以有效降低分泌速率。另外，團隊將 Tlr4 基因剔除後發現可以有效緩解腦室腫大及 CSF 過度分泌的問題（圖二）。

圖二：A：老鼠注射 E coli+LPS（24、48 或 72 小時）、E. coli-LPS、單純處理 LPS（72 小時）或 LPS + Bumetanide（72 小時），對 CSF 分泌速率的影響；B-D：Tlr4基因剔除與否和腦室腫大及 CSF 分泌息息相關。圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.017

為了更深入了解 ChP 過度分泌 CSF 的秘辛，研究團隊以轉錄體（Transcriptomics）及蛋白質體（Proteomics）的角度予以分析，研究團隊整合大量的綜合資訊並比對單一細胞及核酸的序列找到和 PIH 相關的免疫細胞基因模組，也進而發現 LPS 鼠腦中許多免疫相關的傳訊、趨化因子，如 tumor necrosis factor-alpha （Tnfa）、 Il-1ß、 Il-6、干擾素等，相對控制組都有明顯上升的現象，意即 PIH 的鼠腦是處於發炎前期的狀態。另外，團隊發現 LPS 所致 PIH 的老鼠，位於面向 CSF 側的 ChP 表層細胞的 Iba+ 巨噬細胞有增生、積累的現象，其中特定具指標性的巨噬細胞（CD8/ED1）也具有吞噬作用的活性，而這些現象能藉由剔除 Tlr4 基因來減弱（圖三），故研究團隊認為 TLR4 相關的周邊免疫細胞的積累和活化與 PIH 具有密不可分的關係。

圖三：剔除 Tlr4 基因後，免疫細胞在ChP上皮細胞上的的活化及徵招情形有顯著的下降。圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.017

研究發現急性 CSF 過度分泌的反應致病機轉和鈉-鉀-氯共同轉運蛋白（Na+-K+-2Cl- cotransporter，NKCC1）協同運輸有所牽連，而 NKCC1 的活化磷酸化需要 SPAK 激酶（SPAK kinase）的幫助 [4]，故研究團隊假設 SPAK 會藉由提升磷酸化 NKCC1 來傳導 TLR4 相關的發炎前期訊號到 ChP 上皮細胞，並藉此使 CSF 過度分泌，實驗結果顯示 PIH 中 SPAK 和 NKCC1 的磷酸化在 ChP 的膜上受到正調控，然而剔除 Tlr4 基因者則沒有這樣的現象，而剔除 Spak 基因會間接影響 ChP中 SPAK及 NKCC1 的活化調控，綜合結果而言，SPAK kinase 是 ChP 中TLR4 相關的免疫細胞活化及 NKCC1 活化 CSF 分泌的中間橋梁。知道 NKCC1 是 SPAK 的典型目標後，研究團隊也想探討是否有其他離子通道和 SPAK 相關的 CSF 過度分泌有關，團隊利用免疫沉澱及基因表現序列分析方法找到許多在 ChP 上皮細胞表現的基因，且在 PIH 鼠中和 SPAK 共同表現的表現量有上升的趨勢。

依據過去研究顯示 PIH 致病的因子和 PHH 致病的血紅素所引起的免疫反應過程是類似的，因此研究團隊針對這個現象假設 PIH 和 PHH 會以相似的反應機制影響 ChP 的分泌過程，他們一樣以多體學的方式進行分析探討，結果顯示，PIH 及 PHH 模型中在 ChP 中無論是巨噬細胞的型態或T細胞都有相似的上升趨勢（圖四），腦室腫大的過程中一樣都和 TLR4 及 SPAK 的活化相關。

圖四：PIH 及 PHH 可以相似的過程活化免疫反應。圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.017

最後，研究團隊探討治療面的問題，現行並沒有針對 TLR4 或 SPAK 的核准標靶藥物，為此團隊將多體學資料及現行治療藥物標的進行比對，他們發現 PI3K-Akt-mTOR 此一傳訊途徑和免疫細胞的徵招及 SPAK 活化最相關，經過更深入的探討後團隊發現無論 PIH 或 PHH ，mTOR 途徑的活化能使鼠腦中 ChP 內的免疫細胞數量明顯上升。預處理 Rapamycin（mTOR的免疫抑制劑）2~3小時再誘導 LPS 或腦室出血引發的水腦症，能有效減少 ChP 相關免疫細胞 (Iba1+ 、ED1+等細胞) 的數量，且能緩解 LPS 或出血誘導的 CD45+ 湧入，並能減少腦室腫大的情形和 CSF 的分泌量。

在此篇研究中，團隊深入探討腦部感染及出血後共同引起周邊免疫細胞被徵招到ChP上皮細胞附近，並引發免疫細胞 TLR4 活化，進而在 CSF 中引發細胞激素風暴，使得促發炎因子表現增加。這些促發炎因子透過 mTOR 與 SPAK 訊息途徑，活化了 ChP 上皮細胞表面與 CSF 分泌相關的離子轉運蛋白或離子通道，最終導致 CSF 過度分泌（圖五），此篇研究讓我們認識 ChP 上皮細胞在神經免疫上是重要的橋梁，此結果為神經免疫學帶來新的觀點，也對於未來許多腦部感染、出血及神經免疫學疾病得藥物開發提供一條嶄新的道路！

圖五：感染及出血所致水腦症的病生理機制示意圖。圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.017

Main Article: Robert, S. M., Reeves, B. C., Kiziltug, E., Duy, P. Q., Karimy, J. K., Mansuri, M. S., Marlier, A., Allington, G., Greenberg, A. B. W., DeSpenza, T., Jr, Singh, A. K., Zeng, X., Mekbib, K. Y., Kundishora, A. J., Nelson-Williams, C., Hao, L. T., Zhang, J., Lam, T. T., Wilson, R., Butler, W. E., … Kahle, K. T. (2023). The choroid plexus links innate immunity to CSF dysregulation in hydrocephalus. Cell, 186(4), 764–785.e21. https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.01.017

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