探討發炎反應中大蒜精對人類嗜中性球趨化現象的影響

Abstract

發炎（Inflammation）是威脅人類健康的基礎生物問題。當人體組織受到致病原侵襲時，受傷組織中死亡的細胞和病菌等微生物所產生而擴散釋出的趨化因子（Chemoattractant），會活化在血液循環內的白血球。被活化的白血球會穿透出血管，浸潤到組織，然後循著趨化因子濃度高的方向爬行遷移（Migrate）到受傷組織，此過程稱為發炎反應。由於白血球細胞在穿透血管壁以及在組織內遷移的過程中必須藉由不斷的細胞形變來運動，而且其運動的方向受趨化因子的濃度梯度方向所導引，而細胞的形變來自於細胞骨架（Cytoskeleton）的拆解和組裝，因此細胞骨架的拆解及組裝與趨化因子的濃度梯度是影響發炎反應中趨化作用強弱的重要因素。 在免疫系統中，嗜中性球（Neutrophil）是白血球諸多種類中數量最多的一種，因此是發炎反應的第一道防線，人體內的致病原約有90%都是由嗜中性球所清除。然而，嗜中性球在趨化過程中，不但清除發炎部位的致病原和死亡細胞，而且也同時破壞鄰近的好細胞。嚴重時，過量的嗜中性球將損壞鄰近組織的功能，繼而引發更強烈的發炎反應，急遽增加血液中白血球的數量，嚴重衰竭多重器官的功能，造成惡性循環的敗血症。因此，抑制過量的嗜中性球趨化遷移到受傷組織是抗發炎藥物的研發中一項很重要的策略。 中國傳統食品大蒜和其合成物已經被證實具有抗發炎的療效。因此本論文的目的在探討發炎反應中大蒜萃取物對人類嗜中性球趨化現象的影響。在本實驗中，我們選用Interleukin-8（IL-8）作為趨化因子。此外，我們設計製作了一個可以產生IL-8濃度梯度、並可快速調變其濃度梯度的分佈、且長時間維持其線性穩定度的晶片。我們利用此晶片模擬發炎反應中受傷組織釋放趨化因子的過程，然後針對兩種嗜中性球：人類嗜中性球與類嗜中性球細胞（由HL-60 cell line 分化而成），分別量測其遷移方向、平均遷移速率、趨化性（Chemotactic Index : CI）和能動性（Motility Index : MI），以量化不同濃度的大蒜精油對嗜中性球趨化反應的影響程度。 本論文成功實現以微流道結構製作濃度梯度晶片。此晶片可以快速的產生一線性且穩定的濃度梯度環境，讓我們量化大蒜精油對類嗜中性球細胞的趨化活性的影響強弱。本論文初步的結果證明濃度梯度晶片除了可以利用流速來產生任意的濃度梯度的功能之外，用此晶片實驗所得到的結果和傳統生物方法中使用非流體式的三維膠原蛋白質模型所得的結果是相同的，並且更驗證了此晶片並不會影響生物行為，亦可應用於其他生物研究。由實驗數據得知，外在環境影響細胞的遷移行為的因素有流體的速度、趨化因子的濃度以及趨化因子的濃度梯度斜率。當流體的速度為1.5 μl/min時，細胞表現較高的趨化活性，也就是說有最高的平均CI、MI和ECI值；當趨化因子濃度梯度範圍在0~6.25nM時(流速在1.5 μl/min，梯度斜率為0.172 nM/10 μm)，細胞也表現比較高的趨化活性。最後在大蒜精油的實驗中，實驗結果明顯的顯示大蒜精油會抑制細胞的遷移活性，也就是經過大蒜精處理過的細胞，其平均遷移速率、CI、MI和ECI值皆變小，其中細胞的平均遷移速率從13 μm/min 減少到8 μm/min。由此結果和文獻參考，由於細胞的形變來自於細胞內骨架的拆解和組裝，因此我們假設大蒜精油有抑制細胞內骨架的拆解和組裝的效果，進而抑制細胞的變形及遷移，而達到抗發炎的效果。將來研究上，我們可以利用此實驗晶片及結論進一步的探討癌症細胞的轉移、免疫學以及微生物學的問題。

Chemotaxis gradient plays an important role for neutrophil migration to clean the injury when local inflammation occurs inside the human body. Garlic and its active components have been famous for possessing antioxidant and anti-inflammatory effects, which mean to reduce inflammation. Intuitively, garlic constituents might be expected to enhance neutrophil migration and chemotactic responsiveness. The research reported here focuses on developing a Labchip which has the features of generating desired chemotaxis gradients to desired chemotaxis gradient environment to make easy the quantitative studies of the neutrophil chemotactic responsiveness and activity under/or without the pre-treatment of garlic constituents. The aim of the present study is to investigate the effect of garlic oil on the locomotion of a neutrophil cell by measuring parameters including migration direction, average migration speed, chemotactic index (CI), and motility index (MI) with the newly designed Labchip. The dependence of the migration of neutrophils and their chemotactic activities with the flow rate and concentration gradient of chemoattractant, Interleukin-8 (IL-8), solution was investigated. In addition to the design and characterization of our chemotatic Labchip, the comprehensive experiment results of neutrophil chemotactic responsiveness by using our chip are quantatively reported in this paper. We found that garlic oil treatment lowered the values of CI and MI and reduced the average speed of cell migration from 13 to 8 □m/min. By comparing with the effects of cytochalasin B (CB) and nocodazole, it also suggests that the anti-inflammatory activity exhibited by garlic oil was mainly through inhibiting the assembly-disassembly processes of the cytoskeleton. Regarding the garlic constituents, the experimental results turn out very interesting and show that garlic extract is a potential inhibitor for neutrophil migration and chemotactic responsiveness, which will be also important and relevant to the fields such as cancer, immunology, and microbiology studies.