身體與大腦之間的神經(jīng)環(huán)路監(jiān)測炎癥反應(yīng)機(jī)制詳解

近日，美國哥倫比亞大學(xué)Zuckerman心智-大腦行為研究所、Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究所和生物化學(xué)和分子生物物理學(xué)系Charles S.Zuker教授團(tuán)隊在Nature上發(fā)表研究，描述了一個身體到大腦的神經(jīng)回路，它向大腦發(fā)出新出現(xiàn)的炎癥反應(yīng)信號。確定了對促炎和抗炎免疫介質(zhì)有反應(yīng)的迷走神經(jīng)神經(jīng)元，并表明它們向腦干中遺傳定義的神經(jīng)元群體發(fā)出信號，以調(diào)節(jié)和塑造炎癥反應(yīng)的過程。

 

 

1.被先天免疫激活的神經(jīng)元

使用脂多糖（LPS），一種典型免疫刺激物，來引發(fā)先天免疫反應(yīng)。單劑量的LPS足以引發(fā)促炎和抗炎細(xì)胞因子的顯著增加，在注射LPS后約2小時達(dá)到峰值[Fig.1a]。c-fos檢測發(fā)現(xiàn)LPS引起了腦干孤束尾核（cNST）的強(qiáng)烈激活和Postrema（AP）區(qū)域的激活[Fig.1b]。cNST是迷走神經(jīng)的主要靶點，它是體-腦軸的主要導(dǎo)管。鈣成像同樣證明了cNST的激活，而迷走神經(jīng)的雙側(cè)膈下切斷，消除了LPS引起的cNST反應(yīng)[Fig.1c]。這表明cNST激活可以追蹤先天免疫反應(yīng)的出現(xiàn)和發(fā)展。證實了迷走神經(jīng)-cNST免疫軸，并證明LPS誘發(fā)的活性不是LPS直接進(jìn)入cNST神經(jīng)元的結(jié)果。

 

Figure 1  免疫反應(yīng)通過迷走神經(jīng)-腦軸激活大腦

 

2.cNST沉默改變身體免疫力，cNST激活抑制炎癥

接下來，研究人員使用活性神經(jīng)元靶向重組（TRAP）系統(tǒng)將Cre重組酶靶向LPS激活的神經(jīng)元，利用Cre依賴性iDREADD表達(dá)，從而允許化學(xué)遺傳學(xué)靶向抑制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，cNST神經(jīng)元的化學(xué)遺傳學(xué)抑制導(dǎo)致促炎癥反應(yīng)的顯著增加，并伴隨著抗炎反應(yīng)的減少[Fig.2a,b]。這些結(jié)果表明，cNST作為外周免疫反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)神經(jīng)控制發(fā)揮作用。同樣地，化學(xué)遺傳學(xué)激活LPS-TRAPed神經(jīng)元抑制促炎反應(yīng)，同時顯著增加抗炎反應(yīng)[Fig.2c]。沉默和激活實驗表明，調(diào)節(jié)腦干神經(jīng)元的活動可以雙向調(diào)節(jié)外周炎癥。

 

Figure 2 消除大腦對炎癥反應(yīng)的轉(zhuǎn)變

 

3.cNST神經(jīng)元抑制炎癥 

研究人員對LPS-TRAPed神經(jīng)元進(jìn)行scRNA-seq，發(fā)現(xiàn)LPS-TRAPed神經(jīng)元主要存在于3個谷氨酸能簇中（簇7、10、12）和1個GABA能簇（簇15）[Fig.3a,b]。研究人員檢測了興奮性（谷氨酸能）或抑制性（GABA能）神經(jīng)元的化學(xué)遺傳學(xué)激活是否可以改變LPS誘導(dǎo)的反應(yīng)。結(jié)果表明，興奮性而非抑制性神經(jīng)元的激活有效地抑制了LPS誘導(dǎo)的炎癥，并且大部分是LPS-TRAPed神經(jīng)元的激活。

篩選出簇7、10和12的公共表達(dá)基因，多巴胺β-羥化酶（Dbh）。腦干中表達(dá)DBH的神經(jīng)元幾乎完全位于cNST中，并對LPS強(qiáng)烈激活[Fig.3c]。利用Dbh-cre小鼠，如預(yù)期一樣，cNST中表達(dá)DBH的神經(jīng)元的激活顯著抑制了促炎細(xì)胞因子，同時大大增強(qiáng)了抗炎的IL-10水平[Fig.3c,d]，證明了這些cNST神經(jīng)元驅(qū)免疫抑制的能力。而消融cNST中的DBH+神經(jīng)元，會觀察到免疫反應(yīng)的失調(diào)。

  

Figure 3 基因定義的cNST神經(jīng)元群體調(diào)節(jié)機(jī)體免疫  

4. 迷走神經(jīng)響應(yīng)免疫細(xì)胞因子

鑒于外周信息是通過迷走神經(jīng)體-腦軸傳遞的，作者推斷特定的迷走神經(jīng)神經(jīng)元可能對LPS誘導(dǎo)的炎癥過程中釋放的細(xì)胞因子產(chǎn)生反應(yīng)，并告知大腦出現(xiàn)的免疫反應(yīng)。研究人員通過體內(nèi)鈣成像，以記錄節(jié)點（迷走神經(jīng)）神經(jīng)節(jié)中免疫誘發(fā)的神經(jīng)活動，迷走神經(jīng)感覺神經(jīng)元的細(xì)胞體位于該神經(jīng)節(jié)中，同時動物受到不同細(xì)胞因子的激發(fā)，使用單光子功能成像來記錄迷走神經(jīng)對腹腔內(nèi)細(xì)胞因子刺激的實時響應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抗炎和促炎細(xì)胞因子激活兩個離散的非重疊迷走神經(jīng)感覺神經(jīng)元群體，每個群體占所有結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元的小部分[Fig.4a]。重要的是，LPS并不直接激活迷走神經(jīng)神經(jīng)元[Fig.4b]。證實了細(xì)胞因子本身在體-腦軸中起免疫介質(zhì)的作用，迷走神經(jīng)起到將炎癥信息傳遞到cNST的導(dǎo)管作用。

  

Figure 4 迷走神經(jīng)對抗炎和促炎細(xì)胞因子的響應(yīng)

  

5.炎癥信號激活迷走神經(jīng) 

利用結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)的scRNA-seq數(shù)據(jù)將興奮性DREADD靶向不同神經(jīng)元群體，并評估其激活對LPS誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，激活表達(dá)瞬時受體電位錨蛋白1（TRPA1）的迷走神經(jīng)顯著增強(qiáng)抗炎反應(yīng)，同時嚴(yán)重抑制促炎細(xì)胞因子的水平[Fig.5a,b]。為了進(jìn)一步確定表達(dá)TRPA1的迷走神經(jīng)神經(jīng)元的反應(yīng)特性，通過靶向表達(dá)GCaMP6s，并在動物受到抗炎或促炎細(xì)胞因子激發(fā)時對其反應(yīng)進(jìn)行成像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)IL-10而不是促炎細(xì)胞因子激活TRPA1迷走神經(jīng)神經(jīng)元[Fig.5c]。這說明表達(dá)TRPA1的迷走神經(jīng)神經(jīng)元在體-腦軸中傳遞抗炎癥信號以增強(qiáng)抗炎狀態(tài)。同樣地，作者發(fā)現(xiàn)，迷走神經(jīng)神經(jīng)節(jié)中表達(dá)降鈣素相關(guān)多肽α（CALCA）的神經(jīng)元對促炎刺激有選擇性反應(yīng)，并且它們的化學(xué)遺傳學(xué)激活顯著改變了循環(huán)中促炎細(xì)胞因子的水平[Fig.5d,e]。

  

Figure 5 迷走神經(jīng)控制炎癥反應(yīng)

 

6. 恢復(fù)免疫平衡 

研究人員推斷，外源性激活體-腦抗炎調(diào)節(jié)回路可以保護(hù)動物免受失控的炎癥反應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，任何一個神經(jīng)元群體的化學(xué)遺傳學(xué)激活都足以將這些動物的存活率顯著提高，小鼠中約90%在經(jīng)歷了強(qiáng)烈的免疫激發(fā)后（致死劑量的LPS）仍然存活[Fig.6b]。此外，在DSS腸炎模型中，TRPA1迷走神經(jīng)神經(jīng)元的化學(xué)遺傳學(xué)激活保護(hù)動物免受所有病理條件的影響[Fig.6]。

 

Figure 6  迷走神經(jīng)-腦軸恢復(fù)免疫平衡

7.總結(jié)

在這里，研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)胞因子本身介導(dǎo)迷走神經(jīng)-腦的激活，并表征了關(guān)鍵的神經(jīng)元元件和環(huán)路的邏輯。最出乎意料的是，這種體-腦回路不僅調(diào)節(jié)促炎，而且調(diào)節(jié)抗炎反應(yīng)。事實上，作者確定了一組迷走神經(jīng)神經(jīng)元響應(yīng)促炎反應(yīng)，另一組響應(yīng)抗炎信號，抗炎信號將炎癥信息從身體傳遞給cNST中的神經(jīng)元。這種體-腦回路監(jiān)測炎癥反應(yīng)的發(fā)展，并確保促炎和抗炎狀態(tài)之間的穩(wěn)態(tài)平衡。

 

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