松村 潔 教授

大阪工業大学工业大学工学部生物技术系

病原菌增殖抑制和免疫活性化
生物防御发热的重要作用

FLOW No.92

松村 潔
Profile
松村清于1978年毕业于广岛大学工学部电子工学系。1981年,他于大阪大学医学研究生院获得医学硕士学位。之后,他先后担任大阪大学医学部助理教授、讲师、大阪生命科学研究所副所长、京都大学信息学研究生院副教授。2005年,他成为大阪工业大学信息学部信息科学系教授。2011年,他成为大阪工業大学工业大学工学部生物技术系教授。他的研究领域是环境生理学。他拥有大阪大学医学博士学位。他出生于广岛县。

脳の血管内皮細胞が発熱信号を中継



新型コロナウイルスによるパンデミックでマスク、消毒薬とともに社会の必須アイテムとなったのが体温計です。公共施設や店の入り口に非接触型の体温センサーは珍しくなくなり、ほとんどの人がいつの間にか日常的に自分の体温を気にするようになりました。発熱が新型コロナウイルス感染の大きな特徴の1つだからです。風邪で発熱するとそれを下げようと解熱剤などを服用するのが当たり前のようになっていますが、発熱には生体防御という重要な役目もあるようです。なぜ発熱するのか、どんな仕組みで発熱するのか、などが分かってきたのは意外にも近年のことだと言います。発熱の仕組みを研究してきた大阪工大生命工学科の松村潔教授に聞きました。

更改体温设置温度

希腊时代的描述中仍然存在发烧是“对生物体有益的证据,表明疾病状况恢复的可能性”。此外,早在公元前就已知柳树皮提取物具有解热和镇痛的作用,其成分在19世纪被合成为阿司匹林。然而,真正的科学之光照射到发烧上是在分子生物学发展的20世纪后半期。

发热包括病毒或细菌感染引起的发热、脑出血等脑血管障碍引起的发热、心因性发热。顺便说一下,中暑等也会引起体温上升,但那是被动的,不属于发烧。发热是指基于大脑指令的主动体温上升。例如,如果将其与房间的室温升高进行比较,则发热是通过加热对应于大脑的空调来提高室温,并且即使空调是空调,外部温度也太高并且室温升高。

体温由脑的下丘脑控制,维持在一定的设定温度。这是“设置点”的想法。在大脑的下丘脑中,有像恒温器一样的神经细胞,它们根据温度打开和关闭体温调节开关。当患有某种疾病时,认为设置点随着大脑指令而上升 (改变设定温度),从而引起发烧。跟空调的温度变更相似。在体温升高期间,实际体温低于设置点,导致寒战,颤抖,汗腺关闭,皮肤血管收缩。肌肉颤抖的话会产生热量,血管收缩等会抑制热量的扩散。都是增加体内热量的反应。当体温达到设置点时,这些反应消失。相反,当疾病等原因消失或服用退热剂时,设置点恢复到正常值,因此感觉热并寻求凉爽,通过出汗和皮肤血管扩张增加热辐射,体温也降低到正常值。

提高存活率的高温饲养

那么,为什么感冒等会导致积分上升,引起发烧呢?那是因为发热有利于保护身体的生物体防御。

有使用蜥蜴的著名研究(Kluger et al.=1975)。在实验中,将细菌注射到蜥蜴中,在不同的室温下培养五组中的每一组,并比较存活率。结果显示,室温较高 (42°C) 的饲养组存活率最高 (第7天为75%),存活率随着室温降低而降低。在最低室温 (34°C) 下饲养的组,4天内全部死亡。蜥蜴是变温动物,体温取决于室温。在高温下饲养的话,体温也会变高。换句话说,高体温提高了生物防御功能。其理由可以认为有以下2点:
(1) 温度高于适合病原菌繁殖的温度,抑制其繁殖
(2) 高体温激活白血球等生物体的免疫功能
。疲劳,食欲不振,关节疼痛等症状也是合理的,以便将身体的能量集中在免疫系统上。

但是,如果发烧有提高生物防御机能的意义,为什么服用这么多退烧药呢?许多动物实验和人类临床数据表明,退烧药不利于生物防御。有实验结果表明,即使用解热剂抑制动物的发热,死亡率也会提高,恢复时间也会延长。还有一项研究表明,当感染感冒病毒的成年人服用退烧药时,治愈时间延长了。至少发烧是轻度的话,不服用解热剂比较好。即使如此,解热剂被广泛使用,是因为高烧的情况下也会成为生物体的负担。退烧药还具有镇痛作用,缓解寒战等不适,可以提高患者的生活质量 (QOL) 。我长年感冒也不服用退烧药,最近服用后果然身体变得轻松了。即使感冒恢复稍微延迟,服用退烧药也有效果。此外,不会说话的婴儿和儿童以及感觉迟钝的老年人容易因发烧而脱水,因此需要注意补充水分。

细胞因子 (免疫系统) →PGE2 (神经系统)

接下来,让我们看看大脑因感染而发出发烧指令的机制。病毒和细菌感染发生在远离大脑的地方,如上呼吸道和肺。我很长一段时间都不知道这些信息是如何传递到大脑的。随着分子生物学的发展,许多机制现在已经阐明。

发生感染的地方聚集了白血球=*注1=等免疫系统的初始部队细胞。然后会发出作为异物侵入的警戒警报信号的生理活性物质细胞因子。通过那个信号白血球会产生针对病原菌等的抗体,但是到产生抗体为止需要时间,所以作为在那之前的防御功能会引起发烧等各种症状。白血球发出的信号通过血液传到全身。特别是传到大脑后,最终作用于下丘脑的神经细胞,发出提高体温的指令。细胞因子也是一种信息物质,尽管所有器官都通过交换各种信息物质=*注2=来维持机体。在每种信息物质中,存在具有与其相匹配的受体的特定细胞,并且当结合时引起反应。空间里有各种各样的电波,但是我们无法识别。只有拥有符合那个电波频率的天线的机器才会反应。细胞因子和受体的关系就是那样的印象。

其实细胞因子是高分子蛋白质,不能通过血脑屏障进入脑内。细胞因子刺激第二种信号物质前列腺素E2 (PGE2) 的合成,将信号传导至大脑,后者再将信息传导至下丘脑。到20世纪80年代中期,人们发现PGE2是大脑中发烧所必需的信号物质。(1) 当向动物施用细胞因子时,脑中的PGE2增加 (2) 当向脑施用PGE2时发生发热 (3) 解热剂抑制PGE2的合成并发挥解热作用这是因为它被证实了。1990年,我们详细阐明了PGE2起作用并发出发热指令的大脑部分。

检测PGE2并发出发热指令的大脑部分 (中下部的黑色部分)



*注1 【白血球】 =与机体防御有关的免疫细胞的单核细胞 (巨噬细胞)、淋巴细胞、嗜中性粒细胞、嗜碱性粒细胞、嗜酸性粒细胞5种。
*注2 【信息物质】 =生物体的各个器官通过被称为自律神经系统、免疫系统、荷尔蒙系统的信息传达系统的网络连接,互相发送信号。

COX-2酶

那么,细胞因子在哪里促进大脑中PGE2的合成?我很长一段时间都不知道,但1995年我们的研究表明,接受细胞因子的受体位于脑血管最内侧的内皮细胞中。PGE2是在细胞内以细胞膜的脂质为原料,经过3个阶段的酶反应合成的。我们专注于COX-2 1种第二阶段酶环加氧酶,并在基因水平证实它在发烧时出现在大鼠脑血管内皮细胞中=照片。这些结果表明脑血管内皮细胞是用两种信号物质 (细胞因子和PGE2) 介导免疫系统和神经系统的界面。

PGE2作用于下丘脑的视束前野。视前区通常发出抑制体温上升的信号。反过来说,那里活性化的话,体温就会下降。PGE2抑制该信号,因此产生热量。大家都知道如果脑出血发生在视索前野,体温会上升。那是由于脑出血导致视前区的神经组织破坏,活动降低,体温上升,同时PGE2也起作用,发热增强。我制作了实验模型,也在推进这个课题的研究。

虽然可以说近年来的研究已经阐明了70%以上的发热机制,但仍有许多未知的事情,例如PGE2合成的第一阶段的机制和设置点假设的支持。

世界上第一次发现与发热相关的基因出现在脑血管中的图像。顶部正常,底部发热

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