水母蜇傷的皮膚毒性與免疫反應研究進展

蒯文豪，王玉連，吳建華，肖良，楊積順

水母蜇傷是沿海地區最為常見的海洋生物傷之一，每年有成千上萬的游客、海洋工作者遭受水母的傷害，給其帶來巨大痛苦［1］。由于水母的種類和大小不同，其毒素成分和活性并不相同，加上蜇傷的面積、部位及患者的年齡、健康情況各異，導致臨床癥狀差異較大。但絕大多數患者表現為輕重不同的皮膚中毒癥狀，也有少數患者因毒素持續作用或免疫系統反應引起立即或遲發的血管性水腫和過敏性休克，甚至會引發多器官功能損傷、衰竭，造成死亡［1-2］。

1 水母刺絲囊及其刺絲的發射

水母是一種低等、無脊椎軟體動物，屬刺胞動物門，廣泛分布在全世界各大海域。它們看似結構簡單，實則是世界上最毒的一類動物，導致人類中毒的就有100 多種［3］。在水母的觸手表面密布著具有獨特結構和功能的刺細胞，刺細胞內含有一個結構特殊的由膠原囊狀外殼包裹的細胞器，被稱為刺絲囊，是水母用于捕食和防御的武器。在刺絲囊內包含著一個長為200～800 μm、緊密卷曲翻折并帶有倒刺的中空小管——刺絲，其浸沒在成分復雜、生物活性強大的水母毒素混合物中［4-5］。當刺絲囊感受器接受到外界的物理和化學刺激時，囊內的靜水壓會急劇升高，在囊內外形成巨大壓力差，推動刺絲囊猶如彈簧發射器一樣在最短的時間(7×10-7s)以最快的速度（18.6 m/s）將帶有倒刺的刺絲發射出去。刺絲的發射被認為是自然界中最快的機械事件之一。發射的刺絲會在蜇傷部位產生約7.7×109Pa的壓力，會輕易地刺入人體皮膚，向機體注入大量毒素，進而產生中毒癥狀［3-6］。

2 水母蜇傷的皮膚毒性

2.1 水母毒素及其引起的皮膚癥狀 水母毒素是一類結構新穎、生物活性強大的復雜混合物，主要包括類蛋白毒素、多肽、不耐熱酶類(如磷酯酶、金屬蛋白酶、絲氨酸蛋白酶、透明質酸酶等)、組胺、5-羥色胺、激肽樣物質、生物活性脂以及其他生物活性小分子。這些物質具有皮膚壞死、溶血以及致心血管、神經、肌肉、肝腎損傷在內的多種生物毒性［7-8］。皮膚中毒反應是蜇傷早期最顯著的癥狀，當人體接觸水母觸手后，瞬時感覺似觸電樣刺痛，伴有燒灼感或麻木感，這是由于刺絲刺入人體的機械刺激和毒素刺激皮膚內的感覺神經末梢共同產生的。隨后蜇傷部位迅速產生紅斑、丘疹、斑丘疹、風團等皮損，形狀大多與水母觸手一致，呈線狀、條索狀、抓痕或鞭痕，伴有明顯的疼痛和瘙癢［8-9］。嚴重中毒時會出現明顯的水皰、大皰、皮下出血、瘀斑，甚至出現糜爛、潰瘍和皮膚壞死等癥狀，伴有劇烈的疼痛和瘙癢。局部癥狀持續1 到2 周，有的甚至多達數月。即使經過積極的治療痊愈，大多也會留下較嚴重的色素沉著或瘢痕，這些瘢痕如果留在面頸部等暴露部位，會給人們帶來困擾［8-10］。

2.2 直接毒性損傷與腫痛 當水母觸手接觸到人類皮膚時，在皮膚的每平方厘米都會刺入成千上萬的輸送毒素的刺絲小管，殘留的刺絲和強生物活性毒素共同導致皮膚中毒。毒素中的組胺、5-羥色胺、激肽樣物質使局部毛細血管、小靜脈擴張，血管通透性增加，血細胞和血漿大量滲出，進而使皮膚充血水腫，產生紅斑、丘疹、風團，甚至是水皰、大皰等皮損，伴有明顯的疼痛和瘙癢［9-11］。疼痛是蜇傷后共同且顯著的癥狀，原因在于毒素中激肽、5-羥色胺類物質導致血管平滑肌松弛，而使其他平滑肌收縮痙攣，引起強烈的疼痛感［10-11］。Kitatani 等［12］研究發現水母刺絲的小管長度與疼痛相關，當刺入皮膚內的刺絲小管長度超過200 μm時，便可引起中度至劇烈疼痛。由于刺絲足夠穿透人體表皮，可通過物理刺激神經叢周圍Aδ 類疼痛感受器纖維的自由神經末梢而引起急性疼痛，并向皮膚組織注入毒液，產生持續疼痛和炎癥。Kim 等［13］對水母蜇傷后與皮膚炎癥和神經毒性氧化信號相關的外周疼痛調節機制進行研究，發現毒素可能激活T 型Ca2+通道介導的氧化信號，通過Ca2+內流產生過量的活性氧（reactive oxygen species，ROS），作為原發性傳入神經元外周末梢瞬時受體電位陽離子錨蛋白1（transient receptor potential ankyrin1，TRPA1）通道的內源性激動劑，導致持續的炎癥疼痛。另外，酸敏感離子通道（acid-sensing ion channels，ASICs）和瞬時受體電位陽離子V型(transient receptor potential vanilloid 1，TRPV1)通道也被認為很可能參與疼痛的產生和傳導［1，4，13］。

2.3 生物活性酶與炎癥 水母毒素混合物中的酶類含量豐富、種類繁雜、活性強大，在局部組織損傷和炎癥反應方面發揮重要作用。Li 等［14］從細胞水平探討基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）抑制劑對毒液誘導的皮膚炎癥抑制作用，發現沙海蜇（Nemopilema nomurai）毒素可以顯著增強炎癥因子白細胞介素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子（TNF-α）和趨化因子（MCP-1）在2 種典型皮膚細胞中的表達。MMP 抑制劑巴馬司他（Batimastat）、乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）明顯降低毒素對皮膚細胞的毒性作用，導致細胞炎癥因子在基因和蛋白水平表達上顯著降低，表明金屬蛋白酶對水母皮炎的產生起重要作用。這一結論在Hwang等［15］對MMP 抑制劑表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）對沙海蜇毒素導致的皮膚損傷的保護和改善作用的研究中得到支持。Yue 等［16］對沙海蜇毒素致皮膚水腫的特性和機制進行研究，發現毒素中金屬蛋白酶類成分通過破壞皮膚血管的基底膜層，增加血管通透性，導致血漿外滲，引起局部組織水腫。在發形霞水母（Cyanea capillata）、沙海蜇、海月水母（Aurelia aurita）等多種水母毒素中鑒定到磷脂酶的存在，其中磷脂酶A2 含量豐富，其催化活性可引起多種毒理學效應，如局部組織出現炎癥、疼痛、出血、皮膚壞死等［7-8］。另外，有研究通過質譜法檢測到沙海蜇和白色霞水母（cyanea nozakii）毒素中含有L-氨基酸氧化酶(L-amino acid oxidases，LAAOs)和絲氨酸蛋白酶成分［1］。LAAOs 具有誘導血小板聚集、溶血和出血，以及刺激組織細胞凋亡、激活白細胞和形成水腫等致毒作用［4，17］。絲氨酸蛋白酶可以裂解并激活蛋白酶激活受體(protease activated receptors，PARs)，刺激神經肽的釋放，誘導神經源性炎癥和疼痛［18］。而且毒素中的各種蛋白酶類通過其蛋白水解作用，破壞細胞外基質及血管基底膜層，促進其他毒素成分的滲透、擴散、活化［8，19］。

2.4 類蛋白毒素與細胞毒性 成孔毒素（poreforming toxins，PFTs）似乎是立方水母毒液中的常見成分，是一組穩定的、水溶性的膜結合蛋白。有研究發現PFTs 對小鼠、龍蝦和人類都具有較強的細胞毒性和致死率，對綿羊紅細胞具有溶血活性［20］。從發形霞水母毒液中分離出一種細胞毒蛋白(CcTX-1)，從頭測序顯示其氨基酸序列與2 種箱形水母（Carybdea alata、Carybdea rastonii）中已知的2 種溶血蛋白（CaTX-1、CrTX-1）相似，從而有學者認為發形霞水母蜇傷導致的出血、溶血很可能是與紅細胞膜表面孔道的形成有關［20-21］。在海月水母的毒素中也發現了5 種類似于CaTX 家族溶血素的蛋白質，以及含有可能形成膜攻擊復合物(MAC)——穿孔素的毒素成分［22］。它們與細胞膜相互作用，從物理特性上改變膜的結構和滲透性，從而形成特異性孔隙，造成細胞離子梯度失衡，導致細胞滲透、腫脹、破裂乃至死亡［20，22］。由多種生物基質的評估可知，PFTs 的作用機制可以很好地解釋水母毒素的溶血、溶細胞活性以及發形霞水母和澳大利亞箱形水母蜇傷后出現的皮膚壞死表現［20-22］。

3 水母蜇傷的免疫反應

3.1 免疫反應激活及其皮膚表現 水母蜇傷后的中毒癥狀主要由毒素的毒性損傷造成，也可通過機體對毒素和刺絲成分的免疫反應間接引發。毒素中的蛋白質、多肽成分以及刺絲中的膠原蛋白、糖蛋白、多糖成分都有可能作為人體的潛在抗原或變應原，通過細胞和(或)體液介導的免疫反應產生相應的癥狀［2，4］。Horiike 等［23］利用患者血清，對箱形水母（Chironex yamaguchii）的毒素及刺絲成分中的免疫球蛋白結合分子進行鑒定研究，發現其主要細胞毒性蛋白CqTX-A（分子量為45 kDa）是一種與患者血清免疫球蛋白E（IgE）結合的過敏原，刺絲中的酸性糖蛋白（分子量為30 kDa）是一種與免疫球蛋白G（IgG）結合的過敏原。另外，從沙海蜇中提取的膠原蛋白增強了人外周血淋巴細胞中IgG、免疫球蛋白M（IgM）、干擾素、TNF-α 的分泌，還增強了炎癥細胞因子、抗體分泌與免疫細胞群體變化［24-25］。刺絲小管棘中的幾丁質也被認為在免疫反應的觸發中發揮作用，在氣道炎癥和哮喘的發病機制研究中揭示了其重要性［26］。在小鼠對幾丁質免疫反應的研究中表明，這種分子對表達白細胞介素-4（IL-4）的先天免疫細胞在組織積累中發揮關鍵作用［27］。

從患者皮損來看，皮疹可呈廣泛性、持續性、復發性，可遠離原蜇傷部位或出現遲發性皮膚變態反應，這表明除了直接的皮膚毒性損傷外，還有免疫系統的參與。例如在被地中海水母（Rhopilema nomadica）蜇傷后觀察到嚴重的遲發性皮膚癥狀，患者被蜇傷2 天后出現紅斑、丘疹、水皰等皮損，并伴有強烈的疼痛和瘙癢［28］；海水浴皮疹（seabather’s eruption）是一種由頂針水母（Linuche unguiculata）引起的嚴重瘙癢性皮炎，各種抗原毒素誘導宿主的免疫應答，引發暴發性蕁麻疹和嚴重的瘙癢性皮炎，可能持續數周。患者血清中含有高滴度的抗水母抗原IgG 抗體，組織病理學提示皮膚淺層及深層血管和間質周圍淋巴細胞、中性粒細胞、嗜酸性粒細胞等免疫相關細胞浸潤［29］。另外，據報道夜光游水母（Pelagia noctiluca）、桶水母（Rhizostoma pulmo）、海月水母等蜇傷導致的皮疹消退后，即使沒有再次蜇傷，在原先的蜇傷部位也會出現復發性皮疹［1］。局部使用免疫調節劑(他克莫司、吡美莫司)或局部注射類固醇有助于治療皮損，提示這可能與朗格漢斯細胞和輔助性T 淋巴細胞引起的IV 型超敏反應有關。表明免疫系統被毒素和刺絲小管中的抗原成分激活，導致抗原成分在受害者組織中長時間殘留［1，4，30］。

3.2 系統性過敏反應與相關機制 一些研究表明水母蜇傷可以引起系統性過敏反應。例如，Edwards等［31］報道了僧帽水母（Physalia physalis）蜇傷后的患者立即出現以蕁麻疹、水腫、支氣管痙攣為主的過敏反應。2016 年報道了1 例地中海水母蜇傷病例，患者出現嚴重的呼吸困難、聲音嘶啞、瘙癢、眼眶周圍腫脹以及面部水腫等全身過敏反應［32］。2018 年巴西南部報道了1 例水母蜇傷病例，被蜇兒童迅速出現面部血管性水腫、肺水腫、喘息等嚴重過敏反應，危及生命［33］。夜光游水母蜇傷后引發格林-巴利綜合征的病例也曾被報道，患者出現明顯的脫髓鞘神經病變伴傳導阻滯，可能是機體對毒素成分的異常免疫反應［34］。此外，Imamura 等［35］曾報道了一位經常被水母蜇傷的沖浪者在食用鹽腌水母后，出現類似哮喘發作、低血壓、腹痛、嘔吐等全身過敏癥狀。患者點刺試驗呈強陽性，免疫印跡分析顯示，血清中的IgE 抗體與活水母觸手提取物中分子量為200 kDa 的蛋白可發生強烈反應。推測患者可能曾被水母蜇傷皮膚導致免疫系統致敏，當再次攝入相同抗原時，引發IgE 介導的I 型（速發型）超敏反應。

因此，蜇傷之前已接觸過該抗原毒素或類似的生物成分導致免疫系統致敏是系統性過敏反應的關鍵，血清中升高的物種特異性免疫球蛋白抗體可能會持續存在數年。當人體再次接觸同種抗原毒素或具有明顯交叉反應性的其他種類水母毒素，甚至是其他生物體的相似抗原成分時，已致敏的免疫系統會產生以IgG 和IgE 為介導的過敏性反應［2-4］。水母抗原毒素刺激肥大細胞脫顆粒，釋放活性介質，造成物種之間交叉反應，表現為復發性皮疹，更嚴重的會導致血管性水腫或過敏性休克。因此，體內具有較高滴度的特異性抗水母抗原IgG 或IgE 抗體的患者，發生全身性過敏反應的概率更高，也更加危險［2，4，20］。

3.3 免疫相關信號通路與細胞作用機制 水母中含有管狀結構和功能的生物聚合物以及復雜毒液成分，可以啟動先天的、適應性的以及即時或延遲的免疫反應。Li 等［36］從海蜇中提取純化了一種新的多糖（JP-11）。免疫調節實驗表明，JP-11 可顯著提高RAW 264.7 巨噬細胞的活力，并通過激活核因子κB（NF-κB）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPKs）和含有磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B（phosphatidylin-ositol-3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt）的信號通路促進NO、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白介素-1β（IL-1β）等促炎介質的釋放，增強免疫炎癥反應。Yap 等［20］研究認為刺胞動物的成孔毒素（poreforming toxins，PFTs）與細菌的PFTs 相似，可穿透質膜引發細胞K+外排，而誘發先天免疫應答。細胞內K+濃度下降會誘導2 種炎癥信號級聯反應，即NLRP3 炎癥小體和p38 MAPK 信號通路，介導細胞因子活化和釋放，引發機體免疫反應。病原體模式識別受體的組合，如甘露糖結合凝集素受體和樹突狀細胞（DC）表達的Toll 樣受體形成的異質二聚體有助于先天性免疫應答途徑的激活，也有助于機體對水母毒液及其相關結構分子的免疫應答［4］。Sancho D 等［37］發現的樹突狀細胞活化壞死受體，如樹突狀細胞NK 凝集素組受體-1(DNGR-1)，被認為可能也參與了對組織損傷的應答。

同時，肥大細胞是炎癥的有力驅動者，而毒素成分可以直接刺激肥大細胞或激活肥大細胞上先天或模式識別受體，導致肥大細胞爆炸性脫顆粒迅速釋放組胺、血小板活化因子、前列腺素、白三烯、蛋白酶等細胞因子到組織環境中，引發免疫細胞快速聚集(外滲)至蜇傷部位［2，38］。PFTs 及其他毒素成分通過信號級聯通路激活外滲的免疫細胞，進一步引發炎癥細胞的因子反應。在反復蜇傷的情況下，毒素或刺絲成分中的典型IgE 依賴性過敏反應在肥大細胞的激活和介質釋放中發揮著重要作用［4，20］。而且刺絲中的幾丁質、膠原、多糖等成分可持續激活先天免疫的促炎細胞，如朗格漢斯樹突細胞、巨噬細胞和肥大細胞，共同導致持續性、復發性、水皰性或瘙癢性的皮炎癥狀［2，4，20］。

4 結語與展望

目前對于水母蜇傷的皮膚毒性和免疫反應機制有了一定認識，但大多仍停留在臨床病例水平。對于其皮膚損傷的分子機制，多從臨床癥狀結合毒素的毒理學效應進行推斷。由于水母毒素各成分在作用機制上具有明顯差異又存在相互協同，免疫系統的激活與參與讓損傷機制更加復雜，給治療帶來挑戰。特別是在毒素分子作用機制和細胞毒性信號通路方面，需要進一步研究探討，以便篩選和研制出以分子作用途徑或細胞信號通路為靶點的新型特效水母蜇傷治療藥物。