原本用來治療 neutropenia (白血球低落症) 的藥物 GCSF (granulocyte colony-stimulating factor) 最近被發現可以用來治療缺血性中風(ischemic stroke)。GCSF 是一種造血生長激素(hematopoietic growth factor)，負責調節 neutrophils (其中一種白血球)的生產，使它們能順利功從骨髓釋出進到血液裡，目前用於治療化療後造成的白血球下降，還有用在需要做骨髓移植的病患，幫助血球增生。
缺氧性中風是因為血管阻塞使得血液無法把氧氣和葡萄糖送到腦部，造成腦細胞死亡(infraction)，由於之前有研究顯示 GCSF 另有抗細胞凋亡(apoptosis)和促進血管增生(angiogenic)的功能，所以這篇研究的作者認為 GCSF 可能也可以用在治療因為缺血造成的中風。
關於缺血性中風可參考這篇：關於中風的小常識
他們利用血管阻塞手術(carotid artery occlusion, BCAO)製造出中風的狀況，然後在手術半個小時後幫老鼠皮下注射 GCSF，之後每天都給 GCSF，連給四到七天，然後在第四天和第七天的時候檢測老鼠大腦裡的幾個 apoptotic 和 neuroprotective biomarkers，結果發現有注射 GCSF 的老鼠其 ER stress biomarkers (e.g., ATF6, IRE1, PERK, GRP78) 和 apoptotic biomarkers (e.g., Bcl2, Bak) 的表現量下降，而且缺血所造成的 infraction 跟沒注射的相比少很多（沒注射 GCSF 的大腦幾乎整個都是白色的 infraction），行動也和控制組沒有顯著差異。
Article:
NNR / Repurposed Drug Proves Neuroprotective in Stroke Model (Jan 2020)
原論文：J Modi et al, Mode of action of granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) as a novel therapy for stroke in a mouse model. J Biomedical Science (2020)
2020年3月7日 星期六
2017年9月23日 星期六
關於中風的小常識
中風有兩種：出血性(hemorrhagic)和缺血性(ischemic)
大部分(~80%)的中風都是 ischemic，這種中風是因為血管阻塞，導致血液無法進入腦部造成的，大腦是用電量最多的器官，就是要耗掉最多養分和能量的器官，養分和氧氣是靠血液運送到大腦的，所以只要缺血幾秒鐘就可以死掉很多腦細胞(1.9 million brain cells/minute)。阻塞血管的東西就是血塊(clot)，血塊的來源有兩種，一種是腦內血管裡自己堆積的血塊，這種造成的 ischemia 叫做 thrombosis。如果血塊是在其他地方堆積出來的，隨著血液流啊流的，流到靠近腦部的動脈時卡住了，結果把動脈堵住使得血液無法進入腦部，這種造成的 ischemia 叫做 embolism。目前中風的急救方式是用 tPA (thrombolytic agent tissue plasminogen activator) 來溶解血栓，中風後的四個小時內是急救黃金時間，中風後一小時內治療可救到的腦細胞有 70%，兩小時內 40%，三小時只能救到 20%，但很常發生的情況是中風發生後，有人發現、到送到醫院，確定是哪種中風(出血或是缺血)的這段時間已經超過四個小時了。
如果把腦部切開來看，缺血最多的地方就是中風的中心，叫 ischemic core，會看到那區變成白白的(見下圖)，叫 infarct area (infarction)，這區的細胞死亡是不可挽回的。中心的周邊區域叫 penumbra，或是 peri-infarct zone，這區的血流量也不足，但如果及時讓血液回流可以讓細胞不再繼續死亡，目前研究的治療方式主要是針對這區，希望能在 penumbra 的細胞死亡之前讓其恢復功能。
Ischemic stroke 又分兩種，一種是暫時性的 transient ischemic stroke (TIA, transient ischemic attack)，又叫小中風(mini-stroke)，這種大概只有幾分鐘，通常一小時內血管就會恢復流通，血液會再次進入到腦中(reperfusion)，所以很少會死到腦細胞造成 infarction。雖然是暫時性的，但是通常發生後會再發生，再次發生就會變成是嚴重的中風，也就是另外一種：acute ischemic stroke，所以不要輕忽 TIA。
Acute ischemic stroke 則是永久性的，會造成白白的 infarct area，出現的症狀不像 TIA 通常會在一個小時後消失，會造成之後身體行動上的不便，需要靠復健來恢復，因為已經傷到腦部了，所以也可能會在認知能力上或記憶力上造成影響。
Figure / 圖片中的 MCAO (middle cerebral artery occlusion)是研究上常用的 stroke model，用手術造成大腦中動脈堵塞，使老鼠產生中風的現象。白色的 infarct area 在右腦，會出現左半邊身體痲痹的情形，可以用來確認 MCAO 手術是否成功。(A Popp et al, PLOS ONE 2009)
圖中左邊是指 occlusion 的時間，分別是半小時和兩小時，上面則是 reperfusion 的時間。舉例來說，左上角那個腦是 occlusion 半小時後 reperfusion 兩小時，也就是用手術線堵住動脈血管半小時後，把手術線抽出讓血液回流兩個小時。我們通常是做一個小時的 occlusion，再取不同的 reperfusion 時間點。一個小時的 occlusion，之後三個小時的 reperfusion，可以看到老鼠有半邊身體不協調，切開腦部看，有時已可看到一點 infarction，通常在 24 小時後看的話就會看到明顯的 infarction。
如果想看 MCAO 手術是怎麼做的，可以看這個影片：Mouse Model of Middle Cerebral Artery Occlusion
中風後細胞內發生什麼事？
血管阻塞造成缺氧缺血的情況發生後的初期，除了細胞能源 ATP 不足，啟動無氧醣解反應(anaerobic glycolysis )，使得酸鹼值降到 pH 6.4-6.7，導致細胞酸化(acidosis)外，細胞也會釋放出大量的穀胺酸(glutamate)。穀氨酸是神經傳導物質，過量的穀氨酸會啟動神經細胞接受器 NMDARs 和 AMPARs，造成大量鈣離子流入細胞內，粒線體和 ER 裡儲存的鈣離子也會被釋放出來，使得細胞內鈣離子濃度過高，活化細胞內的一些酵素(Ca2+-dependent enzymes)，例如 neuronal NOS (NO synthase)，生產 NO 和 superoxide (H2O2)，引發了下游的死亡訊號(cell death signalling)，這種因為穀氨酸刺激造成的死亡稱為 excitotoxicity。除了鈣離子濃度上升會活化很多酵素，啟動下游訊號外，細胞的酸化反應會活化一個酸性感應蛋白 ASIC1a (acid-sensing ion channels)，ASIC1a 活化後會使更多鈣離子流進細胞內，使整個情況更惡化。除此之外，粒線體吸收細胞內鈣離子讓濃度達成平衡，但也使粒線體本身因此製造 ROS，造成 mitochondrial depolarization，引發細胞死亡。
其實還有很多是目前還不清楚的，上面就先簡單介紹到這邊吧。
關於穀氨酸和 excitotoxicity 可以看這篇：關於 glutamate 的小知識
大部分(~80%)的中風都是 ischemic，這種中風是因為血管阻塞，導致血液無法進入腦部造成的，大腦是用電量最多的器官，就是要耗掉最多養分和能量的器官，養分和氧氣是靠血液運送到大腦的，所以只要缺血幾秒鐘就可以死掉很多腦細胞(1.9 million brain cells/minute)。阻塞血管的東西就是血塊(clot)，血塊的來源有兩種，一種是腦內血管裡自己堆積的血塊，這種造成的 ischemia 叫做 thrombosis。如果血塊是在其他地方堆積出來的，隨著血液流啊流的，流到靠近腦部的動脈時卡住了，結果把動脈堵住使得血液無法進入腦部，這種造成的 ischemia 叫做 embolism。目前中風的急救方式是用 tPA (thrombolytic agent tissue plasminogen activator) 來溶解血栓，中風後的四個小時內是急救黃金時間，中風後一小時內治療可救到的腦細胞有 70%，兩小時內 40%，三小時只能救到 20%，但很常發生的情況是中風發生後，有人發現、到送到醫院，確定是哪種中風(出血或是缺血)的這段時間已經超過四個小時了。
如果把腦部切開來看，缺血最多的地方就是中風的中心，叫 ischemic core，會看到那區變成白白的(見下圖)，叫 infarct area (infarction)，這區的細胞死亡是不可挽回的。中心的周邊區域叫 penumbra，或是 peri-infarct zone，這區的血流量也不足，但如果及時讓血液回流可以讓細胞不再繼續死亡，目前研究的治療方式主要是針對這區，希望能在 penumbra 的細胞死亡之前讓其恢復功能。
Ischemic stroke 又分兩種，一種是暫時性的 transient ischemic stroke (TIA, transient ischemic attack)，又叫小中風(mini-stroke)，這種大概只有幾分鐘，通常一小時內血管就會恢復流通，血液會再次進入到腦中(reperfusion)，所以很少會死到腦細胞造成 infarction。雖然是暫時性的，但是通常發生後會再發生，再次發生就會變成是嚴重的中風，也就是另外一種：acute ischemic stroke，所以不要輕忽 TIA。
Acute ischemic stroke 則是永久性的，會造成白白的 infarct area，出現的症狀不像 TIA 通常會在一個小時後消失，會造成之後身體行動上的不便，需要靠復健來恢復，因為已經傷到腦部了，所以也可能會在認知能力上或記憶力上造成影響。
Figure / 圖片中的 MCAO (middle cerebral artery occlusion)是研究上常用的 stroke model，用手術造成大腦中動脈堵塞，使老鼠產生中風的現象。白色的 infarct area 在右腦，會出現左半邊身體痲痹的情形，可以用來確認 MCAO 手術是否成功。(A Popp et al, PLOS ONE 2009)
圖中左邊是指 occlusion 的時間，分別是半小時和兩小時，上面則是 reperfusion 的時間。舉例來說，左上角那個腦是 occlusion 半小時後 reperfusion 兩小時，也就是用手術線堵住動脈血管半小時後，把手術線抽出讓血液回流兩個小時。我們通常是做一個小時的 occlusion，再取不同的 reperfusion 時間點。一個小時的 occlusion，之後三個小時的 reperfusion，可以看到老鼠有半邊身體不協調，切開腦部看，有時已可看到一點 infarction，通常在 24 小時後看的話就會看到明顯的 infarction。
如果想看 MCAO 手術是怎麼做的，可以看這個影片：Mouse Model of Middle Cerebral Artery Occlusion
中風後細胞內發生什麼事？
血管阻塞造成缺氧缺血的情況發生後的初期，除了細胞能源 ATP 不足，啟動無氧醣解反應(anaerobic glycolysis )，使得酸鹼值降到 pH 6.4-6.7，導致細胞酸化(acidosis)外，細胞也會釋放出大量的穀胺酸(glutamate)。穀氨酸是神經傳導物質，過量的穀氨酸會啟動神經細胞接受器 NMDARs 和 AMPARs，造成大量鈣離子流入細胞內，粒線體和 ER 裡儲存的鈣離子也會被釋放出來，使得細胞內鈣離子濃度過高，活化細胞內的一些酵素(Ca2+-dependent enzymes)，例如 neuronal NOS (NO synthase)，生產 NO 和 superoxide (H2O2)，引發了下游的死亡訊號(cell death signalling)，這種因為穀氨酸刺激造成的死亡稱為 excitotoxicity。除了鈣離子濃度上升會活化很多酵素，啟動下游訊號外，細胞的酸化反應會活化一個酸性感應蛋白 ASIC1a (acid-sensing ion channels)，ASIC1a 活化後會使更多鈣離子流進細胞內，使整個情況更惡化。除此之外，粒線體吸收細胞內鈣離子讓濃度達成平衡，但也使粒線體本身因此製造 ROS，造成 mitochondrial depolarization，引發細胞死亡。
其實還有很多是目前還不清楚的，上面就先簡單介紹到這邊吧。
關於穀氨酸和 excitotoxicity 可以看這篇：關於 glutamate 的小知識
2016年4月6日 星期三
腸道菌也能用來改善中風造成的傷害
腸道菌(gut microbiota)近年越來越受到重視，也被發現會影響很多疾病，沒想到也包括中風。中風有兩種，一種是出血性中風，另一種是缺氧性中風(ischemia stroke)。缺氧性中風是因為血管組塞造成氧氣和養分(主要是葡萄糖 glucose)無法進入腦細胞，這會使得腦細胞死亡，導致部分身體功能失常，例如失憶或肌肉麻痺等等，目前的治療方式是動手術或是使用 tPA 去溶解血塊。
那中風和 microbiota 有什麼關係呢？研究顯示有些腸胃道細菌控制著免疫系統的淋巴細胞，包括其中的 regulatory T (T-reg) 和 γδ T cells，這兩種 T 細胞都有參與 cerebral ischemic injury (小腦缺氧性傷害)。γδ T 主要在器官的表面活動(epithelium)，包括小腸的表面，γδ T cells 會釋出 IL-17 (之後文內稱之為 IL-17+ γδ T cells)，加深缺氧所造成的傷害。相較於 γδ T cells，T-reg 則是產生保護作用(neuroprotection)，它會釋出抗發炎的 IL-10，減輕缺氧後的發炎現象(post-ischemic inflammation)，因為 T-reg 並不會進入腦部，所以它的保護作用可能是透過免疫系統，而非直接作用在腦細胞上。
Weill Cornell Medical College 的研究團隊發表在 Nature Medicine 的結果顯示，利用抗生素可以改變腸道菌的生態，進而產生中風後的保護作用，使腦部受傷區塊(infract area/volume)變小。他們用了兩種老鼠，一種是對抗生素敏感的 AC-Sens (指體內腸道菌會被抗生素殺死)，一種是抗抗生素的 AC-Res (指抗生素無法殺死的)，兩種老鼠在食用抗生素兩週後被施以中風手術 [註1]，結果 AC-Sens 老鼠腦部的受創面積比 AC-Res 老鼠少了 60%。為了確定受傷區塊減少是因為腸道菌的變化而引起的，他們萃取了 AC-Sens 和 AC-Res 老鼠的糞便，然後餵給其他老鼠，同樣在食用了兩週後施以中風手術看看有沒有同樣效果，結果發現食用 AC-Sens 老鼠糞便的受傷區塊比食用 AC-Res 老鼠糞便的少了 54%。他們也檢視了腸道菌的生態，AC-Sens 和食用 AC-Sens 糞便的老鼠，他們的腸道菌落都和 AC-Res 有所不同。
之後他們又看了抗生素對免疫細胞的影響，小腸含有大量的 T cells，尤其是 γδ T cells，結果發現食用抗生素後的 AC-Sens 老鼠在兩週後，小腸內的 T-reg cells 增加，但是 IL-17+ γδ T 卻減少了。不過這個現象只發生在小腸，在大腸、淋巴結和脾臟都沒有變化。在時間軸上，腸道菌落在食用抗生素三天後就發生變化，然後一週後到兩週後就不再有太大變化，表示食用抗生素一週後腸道菌生態就固定了，而在 infract volumes, T-reg 和 IL-17+ γδ T cells 上則是兩週後才有明顯變化，這時也可以觀察到保護作用(neuroprotection)。而無法生產 IL-17 的老鼠，不管是 AC-Sens 還是 AC-Res，中風手術後的 infract volumes 則差不多大小。為了確認 T-reg 是否會抑制 IL-17+ γδ T cells，又因為 T-reg 會釋放出 IL-10，所以他們測試了無法製造 IL-10 的老鼠，發現缺少 IL-10 的老鼠在中風手術後沒有出現保護作用，表示 IL-10 在其中扮演了重要的角色。最後他們發現腸道菌會影響免疫細胞分化(differentiation)成 T-reg 還是 γδ T cells，AC-Sens 老鼠比較多分化成 T-reg，而 AC-Res 則比較多分化成 γδ T cells。
這個研究顯示，在中風後 γδ T cells 會從小腸移動到腦部(只到腦膜 meninges)[註2]，然後釋放出 IL-17 造成趨化素(chemokine)增加，吸引其他免疫細胞（例如 neutrophils）進入腦中加重發炎(neuroinflammation)現象。而利用抗生素引發的腸道菌生態失衡(microbial dysbiosis)會促進細胞分化成 T-reg，而 T-reg 會釋放出 IL-10 抑制細胞分化成 IL-17+ γδ T cells，因而減輕發炎現象，形成保護作用(neuroprotection)。那抗生素對腸道菌生態產生什麼改變呢？他們發現 Clostridiaceae 和 Bacteroidetes 家族的 S24-7 spp. 減少，而 Proteobacteria 增加，neuroprotection 現象的發生是因為 Clostridiaceae 和 S24-7 spp. 減少，還是因為 Proteobacteria 增加目前還不清楚，需要更進一步的研究。
註1：利用手術阻塞動脈，使腦部造成缺氧現象，手術名稱為 MCAO (middle cerebral artery occlusion)。
註2：資料顯示中風病患體內的 IL-17 增加
Paper:
C Benakis et al, Commensal microbiota affects ischemic stroke outcome by regulating intestinal γδ T cells. Nature Medicine (2016)
那中風和 microbiota 有什麼關係呢？研究顯示有些腸胃道細菌控制著免疫系統的淋巴細胞，包括其中的 regulatory T (T-reg) 和 γδ T cells，這兩種 T 細胞都有參與 cerebral ischemic injury (小腦缺氧性傷害)。γδ T 主要在器官的表面活動(epithelium)，包括小腸的表面，γδ T cells 會釋出 IL-17 (之後文內稱之為 IL-17+ γδ T cells)，加深缺氧所造成的傷害。相較於 γδ T cells，T-reg 則是產生保護作用(neuroprotection)，它會釋出抗發炎的 IL-10，減輕缺氧後的發炎現象(post-ischemic inflammation)，因為 T-reg 並不會進入腦部，所以它的保護作用可能是透過免疫系統，而非直接作用在腦細胞上。
Weill Cornell Medical College 的研究團隊發表在 Nature Medicine 的結果顯示，利用抗生素可以改變腸道菌的生態，進而產生中風後的保護作用，使腦部受傷區塊(infract area/volume)變小。他們用了兩種老鼠，一種是對抗生素敏感的 AC-Sens (指體內腸道菌會被抗生素殺死)，一種是抗抗生素的 AC-Res (指抗生素無法殺死的)，兩種老鼠在食用抗生素兩週後被施以中風手術 [註1]，結果 AC-Sens 老鼠腦部的受創面積比 AC-Res 老鼠少了 60%。為了確定受傷區塊減少是因為腸道菌的變化而引起的，他們萃取了 AC-Sens 和 AC-Res 老鼠的糞便，然後餵給其他老鼠，同樣在食用了兩週後施以中風手術看看有沒有同樣效果，結果發現食用 AC-Sens 老鼠糞便的受傷區塊比食用 AC-Res 老鼠糞便的少了 54%。他們也檢視了腸道菌的生態，AC-Sens 和食用 AC-Sens 糞便的老鼠，他們的腸道菌落都和 AC-Res 有所不同。
之後他們又看了抗生素對免疫細胞的影響，小腸含有大量的 T cells，尤其是 γδ T cells，結果發現食用抗生素後的 AC-Sens 老鼠在兩週後，小腸內的 T-reg cells 增加，但是 IL-17+ γδ T 卻減少了。不過這個現象只發生在小腸，在大腸、淋巴結和脾臟都沒有變化。在時間軸上，腸道菌落在食用抗生素三天後就發生變化，然後一週後到兩週後就不再有太大變化，表示食用抗生素一週後腸道菌生態就固定了，而在 infract volumes, T-reg 和 IL-17+ γδ T cells 上則是兩週後才有明顯變化，這時也可以觀察到保護作用(neuroprotection)。而無法生產 IL-17 的老鼠，不管是 AC-Sens 還是 AC-Res，中風手術後的 infract volumes 則差不多大小。為了確認 T-reg 是否會抑制 IL-17+ γδ T cells，又因為 T-reg 會釋放出 IL-10，所以他們測試了無法製造 IL-10 的老鼠，發現缺少 IL-10 的老鼠在中風手術後沒有出現保護作用，表示 IL-10 在其中扮演了重要的角色。最後他們發現腸道菌會影響免疫細胞分化(differentiation)成 T-reg 還是 γδ T cells，AC-Sens 老鼠比較多分化成 T-reg，而 AC-Res 則比較多分化成 γδ T cells。
這個研究顯示，在中風後 γδ T cells 會從小腸移動到腦部(只到腦膜 meninges)[註2]，然後釋放出 IL-17 造成趨化素(chemokine)增加，吸引其他免疫細胞（例如 neutrophils）進入腦中加重發炎(neuroinflammation)現象。而利用抗生素引發的腸道菌生態失衡(microbial dysbiosis)會促進細胞分化成 T-reg，而 T-reg 會釋放出 IL-10 抑制細胞分化成 IL-17+ γδ T cells，因而減輕發炎現象，形成保護作用(neuroprotection)。那抗生素對腸道菌生態產生什麼改變呢？他們發現 Clostridiaceae 和 Bacteroidetes 家族的 S24-7 spp. 減少，而 Proteobacteria 增加，neuroprotection 現象的發生是因為 Clostridiaceae 和 S24-7 spp. 減少，還是因為 Proteobacteria 增加目前還不清楚，需要更進一步的研究。
註1：利用手術阻塞動脈，使腦部造成缺氧現象，手術名稱為 MCAO (middle cerebral artery occlusion)。
註2：資料顯示中風病患體內的 IL-17 增加
Paper:
C Benakis et al, Commensal microbiota affects ischemic stroke outcome by regulating intestinal γδ T cells. Nature Medicine (2016)
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