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Nature: 研究发现重要的“身体-大脑”之间的神经环路,维持促炎和抑炎状态之间的稳态平衡
来源: | 作者:康森特生物科技 | 发布时间: 2024-06-28 | 85 次浏览 | 分享到:

近日,美国哥伦比亚大学Zuckerman心智-大脑行为研究所、Howard Hughes医学研究所和生物化学和分子生物物理学系Charles S.Zuker教授团队在Nature上发表研究,描述了一个身体到大脑的神经回路,它向大脑发出新出现的炎症反应信号。确定了对促炎和抗炎免疫介质有反应的迷走神经神经元,并表明它们向脑干中遗传定义的神经元群体发出信号,以调节和塑造炎症反应的过程。

 

 

1.被先天免疫激活的神经元

使用脂多糖(LPS),一种典型免疫刺激物,来引发先天免疫反应。单剂量的LPS足以引发促炎和抗炎细胞因子的显著增加,在注射LPS后约2小时达到峰值[Fig.1a]。c-fos检测发现LPS引起了脑干孤束尾核(cNST)的强烈激活和Postrema(AP)区域的激活[Fig.1b]。cNST是迷走神经的主要靶点,它是体-脑轴的主要导管。钙成像同样证明了cNST的激活,而迷走神经的双侧膈下切断,消除了LPS引起的cNST反应[Fig.1c]。这表明cNST激活可以追踪先天免疫反应的出现和发展。证实了迷走神经-cNST免疫轴,并证明LPS诱发的活性不是LPS直接进入cNST神经元的结果。

 

Figure 1  免疫反应通过迷走神经-脑轴激活大脑

 

2.cNST沉默改变身体免疫力,cNST激活抑制炎症

接下来,研究人员使用活性神经元靶向重组(TRAP)系统将Cre重组酶靶向LPS激活的神经元,利用Cre依赖性iDREADD表达,从而允许化学遗传学靶向抑制。结果发现,cNST神经元的化学遗传学抑制导致促炎症反应的显著增加,并伴随着抗炎反应的减少[Fig.2a,b]。这些结果表明,cNST作为外周免疫反应的稳态神经控制发挥作用。同样地,化学遗传学激活LPS-TRAPed神经元抑制促炎反应,同时显著增加抗炎反应[Fig.2c]。沉默和激活实验表明,调节脑干神经元的活动可以双向调节外周炎症。

 

Figure 2 消除大脑对炎症反应的转变


3.cNST神经元抑制炎症 

研究人员对LPS-TRAPed神经元进行scRNA-seq,发现LPS-TRAPed神经元主要存在于3个谷氨酸能簇中(簇7、10、12)和1个GABA能簇(簇15)[Fig.3a,b]。研究人员检测了兴奋性(谷氨酸能)或抑制性(GABA能)神经元的化学遗传学激活是否可以改变LPS诱导的反应。结果表明,兴奋性而非抑制性神经元的激活有效地抑制了LPS诱导的炎症,并且大部分是LPS-TRAPed神经元的激活。

筛选出簇7、10和12的公共表达基因,多巴胺β-羟化酶(Dbh)。脑干中表达DBH的神经元几乎完全位于cNST中,并对LPS强烈激活[Fig.3c]。利用Dbh-cre小鼠,如预期一样,cNST中表达DBH的神经元的激活显著抑制了促炎细胞因子,同时大大增强了抗炎的IL-10水平[Fig.3c,d],证明了这些cNST神经元驱免疫抑制的能力。而消融cNST中的DBH+神经元,会观察到免疫反应的失调。

  

Figure 3 基因定义的cNST神经元群体调节机体免疫  

4. 迷走神经响应免疫细胞因子

鉴于外周信息是通过迷走神经体-脑轴传递的,作者推断特定的迷走神经神经元可能对LPS诱导的炎症过程中释放的细胞因子产生反应,并告知大脑出现的免疫反应。研究人员通过体内钙成像,以记录节点(迷走神经)神经节中免疫诱发的神经活动,迷走神经感觉神经元的细胞体位于该神经节中,同时动物受到不同细胞因子的激发,使用单光子功能成像来记录迷走神经对腹腔内细胞因子刺激的实时响应。结果发现,抗炎和促炎细胞因子激活两个离散的非重叠迷走神经感觉神经元群体,每个群体占所有结节神经节神经元的小部分[Fig.4a]。重要的是,LPS并不直接激活迷走神经神经元[Fig.4b]。证实了细胞因子本身在体-脑轴中起免疫介质的作用,迷走神经起到将炎症信息传递到cNST的导管作用。

  

Figure 4 迷走神经对抗炎和促炎细胞因子的响应

  

5.炎症信号激活迷走神经 

利用结节神经节的scRNA-seq数据将兴奋性DREADD靶向不同神经元群体,并评估其激活对LPS诱导的免疫反应的影响。结果表明,激活表达瞬时受体电位锚蛋白1(TRPA1)的迷走神经显著增强抗炎反应,同时严重抑制促炎细胞因子的水平[Fig.5a,b]。为了进一步确定表达TRPA1的迷走神经神经元的反应特性,通过靶向表达GCaMP6s,并在动物受到抗炎或促炎细胞因子激发时对其反应进行成像。结果发现IL-10而不是促炎细胞因子激活TRPA1迷走神经神经元[Fig.5c]。这说明表达TRPA1的迷走神经神经元在体-脑轴中传递抗炎症信号以增强抗炎状态。同样地,作者发现,迷走神经神经节中表达降钙素相关多肽α(CALCA)的神经元对促炎刺激有选择性反应,并且它们的化学遗传学激活显著改变了循环中促炎细胞因子的水平[Fig.5d,e]。

  

Figure 5 迷走神经控制炎症反应

 

6. 恢复免疫平衡 

研究人员推断,外源性激活体-脑抗炎调节回路可以保护动物免受失控的炎症反应。结果发现,任何一个神经元群体的化学遗传学激活都足以将这些动物的存活率显著提高,小鼠中约90%在经历了强烈的免疫激发后(致死剂量的LPS)仍然存活[Fig.6b]。此外,在DSS肠炎模型中,TRPA1迷走神经神经元的化学遗传学激活保护动物免受所有病理条件的影响[Fig.6]。

 

Figure 6  迷走神经-脑轴恢复免疫平衡

7.总结

在这里,研究人员发现细胞因子本身介导迷走神经-脑的激活,并表征了关键的神经元元件和环路的逻辑。最出乎意料的是,这种体-脑回路不仅调节促炎,而且调节抗炎反应。事实上,作者确定了一组迷走神经神经元响应促炎反应,另一组响应抗炎信号,抗炎信号将炎症信息从身体传递给cNST中的神经元。这种体-脑回路监测炎症反应的发展,并确保促炎和抗炎状态之间的稳态平衡。

 








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