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Science:科学家解开了治疗哮喘和气道炎症的百年之谜

来源:本站原创 2019-05-29 11:56

2019年5月29日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自比利时弗兰德斯生物技术研究所(Flanders Institute for Biotechnology, VIB)、根特大学(UGent)、根特大学医院和生物技术公司Argenx的研究人员解开了一个关于哮喘中是否存在蛋白晶体的百年谜团。正常而言,蛋白不会在体内结晶,但在某些情况下,这种过程确实会发生。夏科-莱登晶体 (Charcot-Leyden crystal, CLC, 也译为夏科-莱登结晶)由蛋白galectin-10(Gal10)产生,而且早在1853年就在哮喘患者的气道中被发现。
夏科-莱登晶体,图片来自VIB Bioimaging Core_Amanda Concalves。

然而,这些晶体在很大程度上被科学家们所忽视,而且它们与疾病的实际联系仍然未知。如今,这些研究人员确定这些晶体在气道粘液中含量非常丰富,可刺激免疫系统并促进炎症和变化的粘液产生,这种情况常见于哮喘患者的气道。作为来自学术界和产业界的科学家,他们还一起开发出能够溶解这些晶体以减少关键的哮喘特征的抗体。这类抗体可能是一流的逆转蛋白结晶并治疗哮喘和其他气道慢性炎性疾病的药物试剂。相关研究结果发表在2019年5月24日的Science期刊上,论文标题为“Protein crystallization promotes type 2 immunity and is reversible by antibody treatment”。

晶体和疾病

1853年,在法国巴黎著名的萨尔佩替耶医院任职的Jean-Martin Charcot报道了他在哮喘患者的痰中观察到的双锥体晶体的详细草图,这也是Ernst von Leyden在1872年观察到的结果。这些晶体沉积物在医学界被广泛称为CLC晶体。

从那以后,人们发现它们广泛存在于慢性过敏性和炎性疾病,比如哮喘、支气管炎、过敏性鼻炎和鼻窦炎。然而,仅在过去的几十年中,科学家们才证实了CLC晶体的内含物由Gal10组成,从而最终解决了持续近一个半世纪的争论。Gal10是嗜酸性粒细胞中最丰富的蛋白之一,其中嗜酸性粒细胞协助在人体内产生炎症反应。令人吃惊的是,Gal10在嗜酸性粒细胞中很大程度上保持溶解状态,而且一旦它作为免疫防御的一部分被释放出来,它就只能形成晶体。Gal10的功能也让人难以捉摸。

这些晶体会造成伤害吗?

在Emma Persson、Kenneth Verstraete和Ines Heyndrickx的带头下,这些研究人员着手测试一个长期未解决的假设:CLC晶体是否刺激肺部中的免疫反应,导致过度炎症反应,从而导致疾病?

论文共同通讯作者、VIB-UGent研究员Bart Lambrecht教授说道,“每位医生都会在医学培训中了解到CLC晶体,并且每个人都会将这些晶体与嗜酸性粒细胞的存在相关联在一起。它们经常在哮喘患者的痰液中发现,尤其是那些重症哮喘患者。然而,没有人真正知道这些晶体发挥的作用以及为何它们第一时间出现在那里。通过与痛风---尿酸结晶会引起非常痛苦的关节炎症---进行类比,我们推断CLC晶体也可能对哮喘患者的肺部造成伤害。”

晶体还是溶液

这些研究人员克服了许多技术挑战来测试这个想法。为了研究的目的,他们不得不在实验室里找到一种方法来产生数百万个Gal10晶体,并确定这些晶体与在患者中发现的CLC晶体相同。他们使用源自患者的晶体来确定Gal10的三维结构,并将它的分辨度提高到原子尺度。这提供了一个长期寻求的答案,并证实实验产生的CLC晶体与源自患者的CLC晶体是一样的。

论文共同通讯作者、VIB-UGent研究员Savvas Savvides教授说道,“这是生化和医学史上第一次在原子分辨率下研究患者来源的蛋白晶体。非常值得注意的是,这些尺寸仅为几微米(大约一毫米的千分之一)的微观晶体在从医院手术室到欧洲同步加速器辐射设备的专业X射线光束线的严酷的实验过程中幸存下来。最重要的是,它们所产生的数据可用于确定放置于它们内部的蛋白分子的美丽三维结构。”

这些研究人员发现Gal10仅在处于晶体状态时才能诱导完全的免疫反应。在溶液中,Gal10是无害的。最重要的是,以CLC晶体形式存在的Gal10晶体诱导哮喘的关键特征,包括发生变化的粘液产生,这对于大多数哮喘患者来说是一个大问题。因此,这项研究取得了重大突破,并得出了明确的结论。

寻找解决方案

这些研究人员随后研究了干扰CLC晶体形成是否是哮喘患者的一种治疗选择。这就是总部位于根特的生物技术公司Argenx介入的地方。通过与该公司合作,他们开发出的抗体能够特异性地对抗CLC晶体。值得注意的是,这些抗体能够在实验室的培养皿中在几分钟内溶解CLC晶体,而且在患者粘液中(也在体外)几小时内溶解CLC晶体。在哮喘小鼠模型中使用这些抗体导致肺部炎症、肺功能改变和粘液产生大量减少。

Savvides教授说:“我花了25年的时间来学习和研究如何为结构生物学培养蛋白晶体,突然间我看到蛋白晶体实时溶解。最重要的是,我们还可以通过解析出这些抗体与它们的抗原结合在一起时的晶体结构来可视化观察它们如何真正地发挥自身的作用。”

Bart Lambrecht教授说:“我们的研究结果出乎意料,同时也非常清晰。我对抗体快速地溶解患者粘液中大量存在的CLC晶体的这一事实感到震惊。虽然还需开展更多的测试,但是小鼠模型中的这些数据显示,使用这些抗体可能是一种能够减少哮喘患者肺部中的过度炎症和粘液积聚的非常有效的方法。鉴于目前没有靶向气道粘液积聚的药物,这可能会引发治疗这种疾病的变革。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Emma K. Persson et al. Protein crystallization promotes type 2 immunity and is reversible by antibody treatment. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaw4295.

Judith E. Allen et al. Crystal-clear treatment for allergic disease. Science, 2019, doi:10.1126/science.aax6175.
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