水母蜇伤的皮肤毒性与免疫反应研究进展

蒯文豪，王玉连，吴建华，肖良，杨积顺

水母蜇伤是沿海地区最为常见的海洋生物伤之一，每年有成千上万的游客、海洋工作者遭受水母的伤害，给其带来巨大痛苦［1］。由于水母的种类和大小不同，其毒素成分和活性并不相同，加上蜇伤的面积、部位及患者的年龄、健康情况各异，导致临床症状差异较大。但绝大多数患者表现为轻重不同的皮肤中毒症状，也有少数患者因毒素持续作用或免疫系统反应引起立即或迟发的血管性水肿和过敏性休克，甚至会引发多器官功能损伤、衰竭，造成死亡［1-2］。

1 水母刺丝囊及其刺丝的发射

水母是一种低等、无脊椎软体动物，属刺胞动物门，广泛分布在全世界各大海域。它们看似结构简单，实则是世界上最毒的一类动物，导致人类中毒的就有100 多种［3］。在水母的触手表面密布着具有独特结构和功能的刺细胞，刺细胞内含有一个结构特殊的由胶原囊状外壳包裹的细胞器，被称为刺丝囊，是水母用于捕食和防御的武器。在刺丝囊内包含着一个长为200～800 μm、紧密卷曲翻折并带有倒刺的中空小管——刺丝，其浸没在成分复杂、生物活性强大的水母毒素混合物中［4-5］。当刺丝囊感受器接受到外界的物理和化学刺激时，囊内的静水压会急剧升高，在囊内外形成巨大压力差，推动刺丝囊犹如弹簧发射器一样在最短的时间(7×10-7s)以最快的速度（18.6 m/s）将带有倒刺的刺丝发射出去。刺丝的发射被认为是自然界中最快的机械事件之一。发射的刺丝会在蜇伤部位产生约7.7×109Pa的压力，会轻易地刺入人体皮肤，向机体注入大量毒素，进而产生中毒症状［3-6］。

2 水母蜇伤的皮肤毒性

2.1 水母毒素及其引起的皮肤症状 水母毒素是一类结构新颖、生物活性强大的复杂混合物，主要包括类蛋白毒素、多肽、不耐热酶类(如磷酯酶、金属蛋白酶、丝氨酸蛋白酶、透明质酸酶等)、组胺、5-羟色胺、激肽样物质、生物活性脂以及其他生物活性小分子。这些物质具有皮肤坏死、溶血以及致心血管、神经、肌肉、肝肾损伤在内的多种生物毒性［7-8］。皮肤中毒反应是蜇伤早期最显著的症状，当人体接触水母触手后，瞬时感觉似触电样刺痛，伴有烧灼感或麻木感，这是由于刺丝刺入人体的机械刺激和毒素刺激皮肤内的感觉神经末梢共同产生的。随后蜇伤部位迅速产生红斑、丘疹、斑丘疹、风团等皮损，形状大多与水母触手一致，呈线状、条索状、抓痕或鞭痕，伴有明显的疼痛和瘙痒［8-9］。严重中毒时会出现明显的水疱、大疱、皮下出血、瘀斑，甚至出现糜烂、溃疡和皮肤坏死等症状，伴有剧烈的疼痛和瘙痒。局部症状持续1 到2 周，有的甚至多达数月。即使经过积极的治疗痊愈，大多也会留下较严重的色素沉着或瘢痕，这些瘢痕如果留在面颈部等暴露部位，会给人们带来困扰［8-10］。

2.2 直接毒性损伤与肿痛 当水母触手接触到人类皮肤时，在皮肤的每平方厘米都会刺入成千上万的输送毒素的刺丝小管，残留的刺丝和强生物活性毒素共同导致皮肤中毒。毒素中的组胺、5-羟色胺、激肽样物质使局部毛细血管、小静脉扩张，血管通透性增加，血细胞和血浆大量渗出，进而使皮肤充血水肿，产生红斑、丘疹、风团，甚至是水疱、大疱等皮损，伴有明显的疼痛和瘙痒［9-11］。疼痛是蜇伤后共同且显著的症状，原因在于毒素中激肽、5-羟色胺类物质导致血管平滑肌松弛，而使其他平滑肌收缩痉挛，引起强烈的疼痛感［10-11］。Kitatani 等［12］研究发现水母刺丝的小管长度与疼痛相关，当刺入皮肤内的刺丝小管长度超过200 μm时，便可引起中度至剧烈疼痛。由于刺丝足够穿透人体表皮，可通过物理刺激神经丛周围Aδ 类疼痛感受器纤维的自由神经末梢而引起急性疼痛，并向皮肤组织注入毒液，产生持续疼痛和炎症。Kim 等［13］对水母蜇伤后与皮肤炎症和神经毒性氧化信号相关的外周疼痛调节机制进行研究，发现毒素可能激活T 型Ca2+通道介导的氧化信号，通过Ca2+内流产生过量的活性氧（reactive oxygen species，ROS），作为原发性传入神经元外周末梢瞬时受体电位阳离子锚蛋白1（transient receptor potential ankyrin1，TRPA1）通道的内源性激动剂，导致持续的炎症疼痛。另外，酸敏感离子通道（acid-sensing ion channels，ASICs）和瞬时受体电位阳离子V型(transient receptor potential vanilloid 1，TRPV1)通道也被认为很可能参与疼痛的产生和传导［1，4，13］。

2.3 生物活性酶与炎症 水母毒素混合物中的酶类含量丰富、种类繁杂、活性强大，在局部组织损伤和炎症反应方面发挥重要作用。Li 等［14］从细胞水平探讨基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）抑制剂对毒液诱导的皮肤炎症抑制作用，发现沙海蜇（Nemopilema nomurai）毒素可以显著增强炎症因子白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子（TNF-α）和趋化因子（MCP-1）在2 种典型皮肤细胞中的表达。MMP 抑制剂巴马司他（Batimastat）、乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）明显降低毒素对皮肤细胞的毒性作用，导致细胞炎症因子在基因和蛋白水平表达上显著降低，表明金属蛋白酶对水母皮炎的产生起重要作用。这一结论在Hwang等［15］对MMP 抑制剂表没食子儿茶素没食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）对沙海蜇毒素导致的皮肤损伤的保护和改善作用的研究中得到支持。Yue 等［16］对沙海蜇毒素致皮肤水肿的特性和机制进行研究，发现毒素中金属蛋白酶类成分通过破坏皮肤血管的基底膜层，增加血管通透性，导致血浆外渗，引起局部组织水肿。在发形霞水母（Cyanea capillata）、沙海蜇、海月水母（Aurelia aurita）等多种水母毒素中鉴定到磷脂酶的存在，其中磷脂酶A2 含量丰富，其催化活性可引起多种毒理学效应，如局部组织出现炎症、疼痛、出血、皮肤坏死等［7-8］。另外，有研究通过质谱法检测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)和丝氨酸蛋白酶成分［1］。LAAOs 具有诱导血小板聚集、溶血和出血，以及刺激组织细胞凋亡、激活白细胞和形成水肿等致毒作用［4，17］。丝氨酸蛋白酶可以裂解并激活蛋白酶激活受体(protease activated receptors，PARs)，刺激神经肽的释放，诱导神经源性炎症和疼痛［18］。而且毒素中的各种蛋白酶类通过其蛋白水解作用，破坏细胞外基质及血管基底膜层，促进其他毒素成分的渗透、扩散、活化［8，19］。

2.4 类蛋白毒素与细胞毒性 成孔毒素（poreforming toxins，PFTs）似乎是立方水母毒液中的常见成分，是一组稳定的、水溶性的膜结合蛋白。有研究发现PFTs 对小鼠、龙虾和人类都具有较强的细胞毒性和致死率，对绵羊红细胞具有溶血活性［20］。从发形霞水母毒液中分离出一种细胞毒蛋白(CcTX-1)，从头测序显示其氨基酸序列与2 种箱形水母（Carybdea alata、Carybdea rastonii）中已知的2 种溶血蛋白（CaTX-1、CrTX-1）相似，从而有学者认为发形霞水母蜇伤导致的出血、溶血很可能是与红细胞膜表面孔道的形成有关［20-21］。在海月水母的毒素中也发现了5 种类似于CaTX 家族溶血素的蛋白质，以及含有可能形成膜攻击复合物(MAC)——穿孔素的毒素成分［22］。它们与细胞膜相互作用，从物理特性上改变膜的结构和渗透性，从而形成特异性孔隙，造成细胞离子梯度失衡，导致细胞渗透、肿胀、破裂乃至死亡［20，22］。由多种生物基质的评估可知，PFTs 的作用机制可以很好地解释水母毒素的溶血、溶细胞活性以及发形霞水母和澳大利亚箱形水母蜇伤后出现的皮肤坏死表现［20-22］。

3 水母蜇伤的免疫反应

3.1 免疫反应激活及其皮肤表现 水母蜇伤后的中毒症状主要由毒素的毒性损伤造成，也可通过机体对毒素和刺丝成分的免疫反应间接引发。毒素中的蛋白质、多肽成分以及刺丝中的胶原蛋白、糖蛋白、多糖成分都有可能作为人体的潜在抗原或变应原，通过细胞和(或)体液介导的免疫反应产生相应的症状［2，4］。Horiike 等［23］利用患者血清，对箱形水母（Chironex yamaguchii）的毒素及刺丝成分中的免疫球蛋白结合分子进行鉴定研究，发现其主要细胞毒性蛋白CqTX-A（分子量为45 kDa）是一种与患者血清免疫球蛋白E（IgE）结合的过敏原，刺丝中的酸性糖蛋白（分子量为30 kDa）是一种与免疫球蛋白G（IgG）结合的过敏原。另外，从沙海蜇中提取的胶原蛋白增强了人外周血淋巴细胞中IgG、免疫球蛋白M（IgM）、干扰素、TNF-α 的分泌，还增强了炎症细胞因子、抗体分泌与免疫细胞群体变化［24-25］。刺丝小管棘中的几丁质也被认为在免疫反应的触发中发挥作用，在气道炎症和哮喘的发病机制研究中揭示了其重要性［26］。在小鼠对几丁质免疫反应的研究中表明，这种分子对表达白细胞介素-4（IL-4）的先天免疫细胞在组织积累中发挥关键作用［27］。

从患者皮损来看，皮疹可呈广泛性、持续性、复发性，可远离原蜇伤部位或出现迟发性皮肤变态反应，这表明除了直接的皮肤毒性损伤外，还有免疫系统的参与。例如在被地中海水母（Rhopilema nomadica）蜇伤后观察到严重的迟发性皮肤症状，患者被蜇伤2 天后出现红斑、丘疹、水疱等皮损，并伴有强烈的疼痛和瘙痒［28］；海水浴皮疹（seabather’s eruption）是一种由顶针水母（Linuche unguiculata）引起的严重瘙痒性皮炎，各种抗原毒素诱导宿主的免疫应答，引发暴发性荨麻疹和严重的瘙痒性皮炎，可能持续数周。患者血清中含有高滴度的抗水母抗原IgG 抗体，组织病理学提示皮肤浅层及深层血管和间质周围淋巴细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞等免疫相关细胞浸润［29］。另外，据报道夜光游水母（Pelagia noctiluca）、桶水母（Rhizostoma pulmo）、海月水母等蜇伤导致的皮疹消退后，即使没有再次蜇伤，在原先的蜇伤部位也会出现复发性皮疹［1］。局部使用免疫调节剂(他克莫司、吡美莫司)或局部注射类固醇有助于治疗皮损，提示这可能与朗格汉斯细胞和辅助性T 淋巴细胞引起的IV 型超敏反应有关。表明免疫系统被毒素和刺丝小管中的抗原成分激活，导致抗原成分在受害者组织中长时间残留［1，4，30］。

3.2 系统性过敏反应与相关机制 一些研究表明水母蜇伤可以引起系统性过敏反应。例如，Edwards等［31］报道了僧帽水母（Physalia physalis）蜇伤后的患者立即出现以荨麻疹、水肿、支气管痉挛为主的过敏反应。2016 年报道了1 例地中海水母蜇伤病例，患者出现严重的呼吸困难、声音嘶哑、瘙痒、眼眶周围肿胀以及面部水肿等全身过敏反应［32］。2018 年巴西南部报道了1 例水母蜇伤病例，被蜇儿童迅速出现面部血管性水肿、肺水肿、喘息等严重过敏反应，危及生命［33］。夜光游水母蜇伤后引发格林-巴利综合征的病例也曾被报道，患者出现明显的脱髓鞘神经病变伴传导阻滞，可能是机体对毒素成分的异常免疫反应［34］。此外，Imamura 等［35］曾报道了一位经常被水母蜇伤的冲浪者在食用盐腌水母后，出现类似哮喘发作、低血压、腹痛、呕吐等全身过敏症状。患者点刺试验呈强阳性，免疫印迹分析显示，血清中的IgE 抗体与活水母触手提取物中分子量为200 kDa 的蛋白可发生强烈反应。推测患者可能曾被水母蜇伤皮肤导致免疫系统致敏，当再次摄入相同抗原时，引发IgE 介导的I 型（速发型）超敏反应。

因此，蜇伤之前已接触过该抗原毒素或类似的生物成分导致免疫系统致敏是系统性过敏反应的关键，血清中升高的物种特异性免疫球蛋白抗体可能会持续存在数年。当人体再次接触同种抗原毒素或具有明显交叉反应性的其他种类水母毒素，甚至是其他生物体的相似抗原成分时，已致敏的免疫系统会产生以IgG 和IgE 为介导的过敏性反应［2-4］。水母抗原毒素刺激肥大细胞脱颗粒，释放活性介质，造成物种之间交叉反应，表现为复发性皮疹，更严重的会导致血管性水肿或过敏性休克。因此，体内具有较高滴度的特异性抗水母抗原IgG 或IgE 抗体的患者，发生全身性过敏反应的概率更高，也更加危险［2，4，20］。

3.3 免疫相关信号通路与细胞作用机制 水母中含有管状结构和功能的生物聚合物以及复杂毒液成分，可以启动先天的、适应性的以及即时或延迟的免疫反应。Li 等［36］从海蜇中提取纯化了一种新的多糖（JP-11）。免疫调节实验表明，JP-11 可显著提高RAW 264.7 巨噬细胞的活力，并通过激活核因子κB（NF-κB）、丝裂原活化蛋白激酶（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）的信号通路促进NO、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白介素-1β（IL-1β）等促炎介质的释放，增强免疫炎症反应。Yap 等［20］研究认为刺胞动物的成孔毒素（poreforming toxins，PFTs）与细菌的PFTs 相似，可穿透质膜引发细胞K+外排，而诱发先天免疫应答。细胞内K+浓度下降会诱导2 种炎症信号级联反应，即NLRP3 炎症小体和p38 MAPK 信号通路，介导细胞因子活化和释放，引发机体免疫反应。病原体模式识别受体的组合，如甘露糖结合凝集素受体和树突状细胞（DC）表达的Toll 样受体形成的异质二聚体有助于先天性免疫应答途径的激活，也有助于机体对水母毒液及其相关结构分子的免疫应答［4］。Sancho D 等［37］发现的树突状细胞活化坏死受体，如树突状细胞NK 凝集素组受体-1(DNGR-1)，被认为可能也参与了对组织损伤的应答。

同时，肥大细胞是炎症的有力驱动者，而毒素成分可以直接刺激肥大细胞或激活肥大细胞上先天或模式识别受体，导致肥大细胞爆炸性脱颗粒迅速释放组胺、血小板活化因子、前列腺素、白三烯、蛋白酶等细胞因子到组织环境中，引发免疫细胞快速聚集(外渗)至蜇伤部位［2，38］。PFTs 及其他毒素成分通过信号级联通路激活外渗的免疫细胞，进一步引发炎症细胞的因子反应。在反复蜇伤的情况下，毒素或刺丝成分中的典型IgE 依赖性过敏反应在肥大细胞的激活和介质释放中发挥着重要作用［4，20］。而且刺丝中的几丁质、胶原、多糖等成分可持续激活先天免疫的促炎细胞，如朗格汉斯树突细胞、巨噬细胞和肥大细胞，共同导致持续性、复发性、水疱性或瘙痒性的皮炎症状［2，4，20］。

4 结语与展望

目前对于水母蜇伤的皮肤毒性和免疫反应机制有了一定认识，但大多仍停留在临床病例水平。对于其皮肤损伤的分子机制，多从临床症状结合毒素的毒理学效应进行推断。由于水母毒素各成分在作用机制上具有明显差异又存在相互协同，免疫系统的激活与参与让损伤机制更加复杂，给治疗带来挑战。特别是在毒素分子作用机制和细胞毒性信号通路方面，需要进一步研究探讨，以便筛选和研制出以分子作用途径或细胞信号通路为靶点的新型特效水母蜇伤治疗药物。