Why protecting the brain against infection takes guts
The brain is uniquely protected against invading bacteria and viruses, but its defence mechanism has long remained a mystery. Now, a study in mice, confirmed in human samples, has shown that the brain has a surprising ally in its protection: the gut. The brain is arguably the most important organ in the body, as it controls most other body systems and enables reasoning, intelligence, and emotion. Humans have evolved a variety of protective measures to prevent physical damage to the brain: it sits in a solid, bony case—the skull—and is wrapped in three layers of watertight tissue known as the meninges.
What has been less clear is how the body defends the brain from infection. Elsewhere in the body, if bacteria or viruses enter the bloodstream, our immune system kicks in, with immune cells and antibodies that target and eliminate the invader. However, the meninges form an impermeable barrier preventing these immune cells from entering the brain.
In research published today in Nature, a team led by scientists at the University of Cambridge, UK, and the National Institute of Health, U.S., have found that the meninges are home to immune cells known as plasma cells, which secrete antibodies. These cells are specifically positioned next to large blood vessels running within the meninges allowing them to secrete their antibody 'guards' to defend the perimeter of the brain. When the researchers looked at the specific type of antibody produced by these cells, they got a surprise—the antibody they observed is normally the type found in the intestine.
Plasma cells are derived from a particular type of immune cell known as a B cell. Every B cell has an antibody on its surface that is unique to that cell. If an antigen (the part of a bacterium or virus that triggers an immune response) binds to that surface antibody, the B cell becomes activated: it will divide to make new offspring that also recognise that same antigen.
During division, the B cell introduces a mutation into the antibody gene so that one amino acid is changed and its binding characteristics are slightly different. Some of these B cells will now produce antibodies that enable better binding to the pathogen—these go on to expand and multiply; B cells whose antibodies are less good at binding die off. This helps ensure the body produces the best antibodies for targeting and destroying particular antigens.
Normally, the antibodies found in the blood are a type known as Immunoglobulin G (IgG), which are produced in the spleen and bone marrow—these antibodies protect the inside of the body. However, the antibodies found in the meninges were Immunoglobulin A (IgA), which are usually made in the gut lining or in the lining of the nose or lungs—these protect mucosal surfaces, the surfaces that interface with the outside environment.
The team were able to sequence the antibody genes in B cells and plasma cells in the gut and meninges and show that they were related. In other words, the cells that end up in the meninges are those that have been selectively expanded in the gut, where they have recognised particular pathogens.
"The exact way in which the brain protects itself from infection, beyond the physical barrier of the meninges, has been something of a mystery, but to find that an important line of defence starts in the gut was quite a surprise," said lead scientist Professor Menna Clatworthy from the Department of Medicine and CITIID at the University of Cambridge and the Wellcome Sanger Institute.
"But actually, it makes perfect sense: even a minor breach of the intestinal barrier will allow bugs to enter the blood stream, with devastating consequences if they're able to spread into the brain. Seeding the meninges with antibody-producing cells that are selected to recognise gut microbes ensures defence against the most likely invaders."
The team made the discovery using mice, which are commonly used to study physiology as they share many characteristics similar to those found in the human body. They showed that when the mice had no bacteria in their gut, the IgA-producing cells in the meninges were absent, showing that these cells actually originate in the intestine where they are selected to recognise gut microbes before taking up residence in the meninges. When the researchers removed the plasma cells in the meninges—and hence no IgA was present to trap bugs—microbes were able to spread from the bloodstream into the brain.
The team confirmed the presence of IgA cells in the human meninges by analysing samples that were removed during surgery, showing that this defence system is likely to play an important role in defending humans from infections of the central nervous system—meningitis and encephalitis. 

De door de computer vertaalde Engelse tekst (let op: gelet op de vaak technische inhoud van een artikel kunnen bij het vertalen wellicht vreemde en soms niet helemaal juiste woorden en/of zinnen gevormd worden)

Waarom het beschermen van de hersenen tegen darmen nodig heeft De hersenen zijn op unieke wijze beschermd tegen binnendringende bacteriën en virussen, maar het afweermechanisme is lange tijd een mysterie gebleven. Nu heeft een studie bij muizen, bevestigd in menselijke monsters, aangetoond dat de hersenen een verrassende bondgenoot hebben in hun bescherming: de darmen. De hersenen zijn misschien wel het belangrijkste orgaan in het lichaam, omdat het de meeste andere lichaamssystemen bestuurt en redenering, intelligentie en emotie mogelijk maakt. Mensen hebben een verscheidenheid aan beschermende maatregelen ontwikkeld om fysieke schade aan de hersenen te voorkomen: het zit in een stevige, benige omhulsel - de schedel - en is gewikkeld in drie lagen waterdicht weefsel, de zogenaamde hersenvliezen. Wat minder duidelijk is, is hoe het lichaam de hersenen beschermt tegen infectie. Elders in het lichaam, als bacteriën of virussen de bloedbaan binnendringen, treedt ons immuunsysteem in werking, met immuuncellen en antilichamen die de indringer aanvallen en elimineren. De hersenvliezen vormen echter een ondoordringbare barrière waardoor deze immuuncellen de hersenen niet kunnen binnendringen. In onderzoek dat vandaag in Nature is gepubliceerd, heeft een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Cambridge, VK, en het National Institute of Health, VS, ontdekt dat de hersenvliezen de thuisbasis zijn van immuuncellen die bekend staan als plasmacellen, die antilichamen afscheiden. Deze cellen zijn specifiek gepositioneerd naast grote bloedvaten die in de hersenvliezen lopen, waardoor ze hun antilichaam 'bewakers' kunnen afscheiden om de omtrek van de hersenen te verdedigen. Toen de onderzoekers keken naar het specifieke type antilichaam dat door deze cellen wordt geproduceerd, kregen ze een verrassing: het antilichaam dat ze observeerden, is normaal gesproken het type dat in de darm wordt aangetroffen. Plasmacellen zijn afgeleid van een bepaald type immuuncel dat bekend staat als een B-cel. Elke B-cel heeft een antilichaam op het oppervlak dat uniek is voor die cel. Als een antigeen (het deel van een bacterie of virus dat een immuunrespons oproept) zich bindt aan dat oppervlakteantilichaam, wordt de B-cel geactiveerd: deze zal zich delen om nieuwe nakomelingen te maken die datzelfde antigeen ook herkennen. Tijdens de deling introduceert de B-cel een mutatie in het antilichaamgen, zodat één aminozuur verandert en de bindingskenmerken enigszins verschillen. Sommige van deze B-cellen zullen nu antilichamen produceren die een betere binding aan de ziekteverwekker mogelijk maken - deze gaan verder met uitbreiden en vermenigvuldigen; B-cellen waarvan de antilichamen minder goed binden, sterven af. Dit helpt ervoor te zorgen dat het lichaam de beste antilichamen aanmaakt om bepaalde antigenen aan te pakken en te vernietigen. Normaal gesproken zijn de antilichamen die in het bloed worden aangetroffen van een type dat bekend staat als immunoglobuline G (IgG) en die worden geproduceerd in de milt en het beenmerg. Deze antilichamen beschermen de binnenkant van het lichaam. De antilichamen die in de hersenvliezen werden aangetroffen, waren echter immunoglobuline A (IgA), die meestal in de darmwand of in het slijmvlies van de neus of longen worden gemaakt - deze beschermen slijmvliesoppervlakken, de oppervlakken die in verbinding staan met de buitenomgeving. Het team was in staat om de antilichaamgenen in B-cellen en plasmacellen in de darmen en hersenvliezen te sequencen en aan te tonen dat ze verwant waren. Met andere woorden, de cellen die in de hersenvliezen terechtkomen, zijn die cellen die selectief zijn geëxpandeerd in de darm, waar ze bepaalde ziekteverwekkers hebben herkend. "De exacte manier waarop de hersenen zichzelf beschermen tegen infectie, voorbij de fysieke barrière van de hersenvliezen, was een beetje een mysterie, maar het was nogal een verrassing om te ontdekken dat een belangrijke verdedigingslinie in de darm begint", aldus hoofdwetenschapper. Professor Menna Clatworthy van de afdeling Geneeskunde en CITIID aan de Universiteit van Cambridge en het Wellcome Sanger Institute. "Maar eigenlijk is het volkomen logisch: zelfs een kleine doorbraak van de darmbarrière zal ervoor zorgen dat insecten in de bloedbaan komen, met verwoestende gevolgen als ze zich in de hersenen kunnen verspreiden. De hersenvliezen bezaaien met antilichaamproducerende cellen die geselecteerd om darmmicroben te herkennen, zorgt voor verdediging tegen de meest waarschijnlijke indringers. " Het team deed de ontdekking met behulp van muizen, die vaak worden gebruikt om fysiologie te bestuderen, omdat ze veel kenmerken delen die vergelijkbaar zijn met die in het menselijk lichaam. Ze toonden aan dat wanneer de muizen geen bacteriën in hun darmen hadden, de IgA-producerende cellen in de hersenvliezen afwezig waren, wat aantoont dat deze cellen eigenlijk afkomstig zijn uit de darm waar ze geselecteerd zijn om darmmicroben te herkennen voordat ze zich in de hersenvliezen vestigen. Toen de onderzoekers de plasmacellen in de hersenvliezen verwijderden - en er dus geen IgA aanwezig was om insecten op te vangen - konden microben zich vanuit de bloedbaan naar de hersenen verspreiden. Het team bevestigde de aanwezigheid van IgA-cellen in de hersenvliezen door monsters te analyseren die tijdens de operatie werden verwijderd, wat aantoont dat dit afweersysteem waarschijnlijk een belangrijke rol zal spelen bij de bescherming van mensen tegen infecties van het centrale zenuwstelsel - meningitis en encefalitis.