可视化穿过血脑屏障的寄生虫

据估计，世界上30%的人口长期感染寄生虫弓形虫(Toxoplasma gondii)。大多数人的感染都没有明显的影响，但对于免疫系统受到抑制的人，例如癌症治疗人员或感染艾滋病毒/艾滋病的人来说，这可能会危及生命。孕妇也可以将感染传染给未出生的孩子，使婴儿面临严重神经系统疾病的风险。

众所周知，“Toxo”可以影响大脑，甚至影响其宿主的行为。但科学家们已经确切地讨论了寄生虫如何穿过血脑屏障，这是一种旨在将病原体排出大脑的物理障碍。

现在，来自宾夕法尼亚大学兽医学院的研究人员和来自全国各地的同事已经确定了寄生虫是如何进入的。利用强大的成像技术，科学家们可以追踪寄生虫在活组织中的存在和运动，研究人员发现，弓形虫感染大脑内皮细胞，这些细胞排列血管，在其内部繁殖，然后继续侵入中枢神经系统。

“跨越血脑屏障是一种罕见的事件，部分原因是这种结构旨在保护大脑免受病原体的侵害，”Penn Vet的Mindy Halikman Heyer总裁杰出教授Christopher Hunter说。“然而它发生了，我们现在已经能够看到这些事件。这是以前没有人见过的东西。”通过阐明病原体进入大脑的路径，该研究有助于了解哪种治疗策略可能最有效地对抗寄生虫，然后才能造成最严重的损害。

该研究发表在Nature Microbiology上。Hunter是这项研究的资深作者，由Hunter实验室的博士后研究员Christoph Konradt领导。

已经考虑了一些不同的理论来解释弓形虫如何进入大脑。

有些人认为寄生虫在屏障细胞之间挤压，而另一些人则认为寄生虫直接穿过细胞。亨特说，另一个“受微生物学家喜爱的想法”是特洛伊木马假说，其中寄生虫在隐藏在受感染的宿主细胞内的情况下搭便车穿越屏障。

Konradt使用Penn Vet的多光子显微镜，它可以让他们深入到活组织中而不会损坏它们，试图目睹寄生虫的入侵。在这些研究中，他们使用经过特殊培育的小鼠在其内皮细胞中表达荧光绿色蛋白。然后他们用表达红色荧光蛋白的修饰的弓形虫感染小鼠。

一周后，他们看到大脑中被感染的内皮细胞，以及寄生虫在这些细胞内繁殖的证据。感染后两周，他们发现寄生虫出现在与内皮细胞相邻的脑组织中。

在另外的实验中，他们能够看到被感染的内皮细胞破裂的寄生虫，从而将寄生虫引入大脑。

研究人员还想重新审视特洛伊木马假说，看看，如果提出的话，感染的单核细胞(一种免疫细胞)是否可能负责将寄生虫带入大脑。为了测试这一点，研究小组用一种标记为红色的Toxo感染单核细胞，这种形式无法繁殖，然后将这些细胞引入小鼠体内。如果单核细胞确实是一种特洛伊木马，那么科学家们就会发现寄生虫会破坏血脑屏障。但他们只看到血管内的感染细胞，这些细胞无法穿过血脑屏障。

为了进一步阐明Toxo通过身体感染和传播的机制，研究人员专门研究了游离寄生虫的水平，即寄生虫尚未感染或被宿主细胞吞噬。

他们惊讶地发现，大约三分之一的小鼠总寄生虫负荷中有很大一部分存在于血液中的游离寄生虫中。

康拉德说：“我认为我们预计会在细胞外看到少量寄生虫，因为它们必须从一个细胞移动到一个细胞。” “但我认为没有人完全理解大量的寄生虫是免费的并且能够感染脉管系统中的其他细胞。”

然而，这种游离寄生虫的存在是短暂的。感染后10天，大多数小鼠的血液中没有游离寄生虫。

“从治疗的角度来看，”亨特说，“这意味着，如果孕妇第一次感染，那么寄生虫可以穿过胎盘并影响胎儿的时间相当短。这告诉我们，针对这些在这个狭窄的窗口期间血液中的阶段可以有效地预防先天性传播。“

作为最终测试，看看寄生虫是否可以直接从血液中进入大脑，研究人员用正常寄生虫和无法繁殖的突变体的混合物感染小鼠，每种都用不同颜色标记。然后他们表明只有正常的繁殖寄生虫进入功能性脑组织。

“这表明寄生虫必须复制才能从血液扩散到其他组织，”Konradt说。“这可能意味着阻止复制的药物可以有效预防传播。”

该团队的研究结果表明，目前关于弓形虫如何穿过血脑屏障的理论可能不是大脑感染的主要方式。相反，寄生虫直接从血液进入内皮细胞，在那里它们复制，导致细胞破裂，然后感染邻近的脑细胞。

除了对弓形虫感染的影响之外，该研究还可以深入了解其他病毒，细菌和寄生虫病原体如何从血液进入大脑。

“Toxo是研究血管免疫的一个非常好的模型，”Konradt说。