2021-11-21

Cell | 岛叶皮质神经元编码和检索特异性免疫反应

原创 骄阳似我 图灵基因 今天

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：骄阳似我

IF：41.582

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亮点：

越来越多的证据表明大脑调节外周免疫，但大脑是否以及如何代表免疫系统的状态尚不清楚。本文展示了大脑岛叶皮层（InsCtx）存储免疫相关信息。使用小鼠活性依赖性细胞标记（FosTRAP）捕获了InsCtx中在两种不同炎症条件下（葡聚糖硫酸钠[DSS]诱导的结肠炎和酵母多糖诱导的腹膜炎）活跃的神经元群。这些神经元群的化学基因再激活足以广泛恢复这些神经元被捕获时的炎症状态。本文证明了大脑可以储存和检索特定的免疫反应，从而将免疫学的经典概念扩展到炎症信息的神经元表征。

作为一个中央调节器，大脑很可能从它所控制的任何系统接收反馈，进而形成免疫系统的表征。这一概念得到了几条证据的支持。首先，在解剖学上，大脑通过外周免疫器官的感觉输入接收免疫相关信息。其次，大脑对周围免疫挑战作出反应。最后，已证明免疫系统通过将特定免疫反应（例如，免疫抑制）与外部线索（例如，糖精水）相关联来对免疫调节作出反应，从而仅呈现线索即可引发免疫反应，表明大脑对免疫相关信息进行编码。此外，病变研究确定了免疫调节所需的特定大脑区域，尤其是InsCtx。然而，这种免疫表征在大脑中的存在从未被直接证明。

近期，在cell杂志上发表了一篇名为“Insular cortex neurons encode and retrieve specific immune responses”的文章，证明了大脑可以储存和检索特定的免疫反应，从而将免疫学的经典概念扩展到炎症信息的神经元表征。

为了捕获在外周免疫激发期间活跃的神经元，使用转基因靶向重组非活性群体（TRAP）小鼠。这些小鼠在活性依赖性c-Fos启动子（FosTRAP小鼠）的控制下表达ICRERT2，该启动子可作为神经元活性的指标。在三苯氧胺（TM）存在的情况下，活性神经元驱动Cre依赖性重组，以诱导效应基因的表达。本文使用了炎症性肠病（IBD）模型，右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎，以捕捉其在InsCtx中的潜在表达。将TRAP小鼠与Cre依赖的tdTomato系Ai14D杂交，以观察活性细胞。DSS治疗开始后48小时（DSS+组）给小鼠注射TM（诱导Cre重组，结果是TDTomato表达）；作为对照，使用另一组同时注射TM但未注射DSS的TRAP-tdTomato小鼠（DSS组），该组可以比较大脑中的炎症相关活动和健康稳态期间的大脑活动。在几个大脑区域，包括丘脑、下丘脑室旁核、中央杏仁核、前扣带回皮质、补充体感皮质和InsCtx的TDT表达增加（表明神经元活动）（p<0.0001）。因此，大脑，包括InsCtx，对外周免疫作出反应。为了将TRAP定位到这个大脑区域，并将标记限制在神经元群体，使用了病毒载体。该病毒载体编码mCherry荧光报告基因，在神经元特异性启动子突触蛋白下以Cre依赖性方式表达，并立体定向注射到TRAP小鼠的右后InsCtx。为了在结肠炎期间捕获活跃的神经元，在DSS治疗开始后48小时注射含TME的小鼠。大多数标记细胞是神经元，而不是星形胶质细胞或小胶质细胞。更具体地说，通过原位杂交测定，71%的TRAP细胞为谷氨酸能细胞，20%为GABA能细胞。因此，DSS诱导的结肠炎与InsCtx中神经元的激活增加有关。然而，这些相关的发现不足以证明这些神经元确实编码免疫相关信息。图1：DSS诱导小鼠InsCtx结肠炎过程中神经元的活性依赖性标记。

本文重新激活了被捕获的神经元，并评估了它们对免疫反应的影响。对于神经元的重新激活，在捕获的神经元中共同表达了一种刺激性恐惧受体（专门由设计药物激活的设计受体；Gq）。DRADDS是由合成配体氯氮平N-氧化物（CNO）激活的突变毒蕈碱G蛋白偶联受体（GPCR）。因此，CNO应用可以随意激活捕获的神经元。对照组注射一种编码mCherry荧光报告基因但缺乏恐惧编码序列的病毒。在DSS治疗开始后48小时注射TM，以捕获活跃的InsCtx神经元，并使其表达Gq恐惧和荧光报告。恢复4周后，重新激活捕获的InsCtx神经元群，并评估其对外周免疫反应的影响。即使在没有额外的免疫激发的情况下，神经元的重新激活也会导致Gq小鼠结肠的免疫活性增强，这与初始或重复DSS治疗期间的明显变化一致。结肠粘膜层的白细胞百分比显著增加，包括上皮内淋巴细胞（IEL）和固有层内的白细胞（LP）。与对照组小鼠相比，Gq组激活的gd T细胞在IEL中增加，在LP中减少，这是先前在肠道感染期间证明的gd T细胞的特征趋势。此外发现活化的CD4+T细胞比例更高，而CD8+T细胞的活化程度增加，LP中特异性树突状细胞亚群（CD103 CD11b+）的百分比增加。细胞内分析显示，表达白细胞介素-6（IL-6）的IEL CD4 T细胞和表达肿瘤坏死因子a（TNF-a）的单核细胞的百分比增加。所有组织结肠分析也支持这些变化，表明Gq组TNF-a、IL-6和IL-17水平升高，而抗炎细胞因子IL-10水平无明显变化。结肠的免疫荧光（IF）分析进一步支持了白细胞丰度的增加。总之，这些观察结果表明，大脑可以重新激活先前获得的免疫相关信息。图2：结肠炎期间捕获的InsCtx神经元群的再激活再现了结肠的炎症状态。

为了测试特定的神经元群是否能对结肠免疫反应产生差异性影响，在所有实验组中诱导神经元再激活，但改变了这些神经元被捕获的免疫环境。因此，表达Gq的小鼠在DSS前、中或后注射TMQ（分别为Gq前、Gq中和Gq后）。所有三组均接受相同的病毒载体和DSS治疗，并且由于持续的基线活动，预计所有三组都将捕获InsCtx中的神经元。恢复后重新激活捕获的神经元群，并评估对其结肠免疫状态的影响。尽管所有组均表达Gq恐惧，但只有Gq中组结肠炎症反应显著增加。IEL人群中激活的gd T细胞百分比增加，而LP人群中激活的gd T细胞百分比减少。活化的CD4+T细胞百分比（CD69+CD4+）IEL和LP以及激活标记物CD69的表达增加。结肠IF分析进一步支持了LP白细胞丰度的增加。因此，只有在最初的炎症过程中捕获的InsCtx神经元才能诱发结肠发炎然而，三个实验组之间免疫学结果的差异可能是由于激活神经元的数量，而不是它们编码的特定信息。图3：DSS诱导的结肠炎不同阶段捕获的神经元群的再激活在结肠中产生不同的免疫反应。

以Cre独立的方式靶向InsCtx相同区域神经元数量的大约两倍，这种强烈但普遍的激活并未在结肠中引起炎症反应。此外，即使在先前暴露于DSS的小鼠中重复非特异性激活范例，也无法检测到非特异性InsCtx激活后结肠中的任何显著免疫效应。这些观察结果进一步支持了大脑编码信息的特异性及其对诱发外周炎症的因果效应。图4：InsCtx的非特异性激活在结肠中不会引起明显的细胞免疫反应。

为了研究InsCtx中神经元群编码的免疫信息的性质，添加了一种不同的免疫挑战，酵母多糖诱导腹膜炎（ZIP）。这种定义明确的炎症过程影响另一个内脏区域（神经周围），并且在免疫学上与DSS诱导的结肠炎不同。与对照组相比，ZIP期间捕获的被捕获神经元数量没有差异，这可能是由于该模型更为急性。恢复后，所有组均注射CNO以诱导神经元再激活。ZIP模型中观察到的免疫变化令人想起酵母多糖给药直接诱导的炎症反应。类似地，在Gq组中，识别酵母多糖的TLR2在大多数腹膜白细胞上的表达显著增加。此外，发现Gq组患者腹腔灌洗液（PLF）中的细胞因子TNF-a和IL-17水平在治疗期间显著升高，而IL-6和IL-10浓度没有显著变化。正如在DSS模型中一样，在最初的炎症过程中，一些明显的免疫效应没有在再激活范式中重现。重要的是，ZIP过程中捕获的神经元诱导的效应与DSS模型中检测到的效应不同，尽管在这两种模型中，无法将所有升高的细胞因子水平的来源完全分配给特定的免疫细胞亚群，这表明其他组织细胞也可能导致这种现象。重要的是，InsCtx编码的信息也包括解剖信息，因为在ZIP期间捕获的神经元群的重新激活是腹膜特有的。没有观察到结肠中免疫参数的任何变化或MLN或血液中的稳健效应。这些结果表明，即使没有额外的免疫挑战，InsCtx中编码的免疫相关信息也足以诱发解剖学定义的特异性外周免疫反应。图5：腹膜炎期间捕获的神经元群的再激活诱导免疫激活，使人联想到酵母多糖诱导的腹膜炎（ZIP）。

由于InsCtx活性可以启动和诱导外周免疫反应，因此它可能触发或加剧炎症状态。事实上，InsCtx活性的变化在炎症性疾病中很明显，尤其是在肠道相关疾病中很常见。因此，本文测试了抑制InsCtx活性可能减轻结肠炎症的可能性。在InsCtx中以不依赖Cre的方式表达了一种抑制因子Gi，并在每天给小鼠注射CNO的同时在其饮用水中用DSS治疗小鼠。InsCtx活性的降低，可减轻结肠长度和脾脏重量等临床症状，但并非所有临床和组织学参数均有效受影响。因此，发现许多，但不是所有，临床非特异性InsCtx抑制可减弱免疫参数。这一发现表明，有针对性地操作InsCtx可能是控制结肠炎症的一种治疗策略。图6：在DSS诱导的结肠炎期间，抑制InsCtx可减轻炎症状态。

本文着重于InsCtx中的神经元群调节局部外周反应的潜在机制，结果表明，至少在解剖学上，这些效应可以通过自主神经系统的双臂进行调节。随后，确定产生传递到外周的信息多样性的机制的性质、它如何随环境变化（例如镇痛）以及自主神经系统如何编码外周解剖结构将是一件有趣的事情。本文的发现揭示了抑制InsCtx活性作为抑制外周炎症手段的潜力。因此，这项研究为理解这些病理状况增加了另一个视角，并可能成为治疗干预的途径。

教授介绍：

Asya Rolls

Asya Rolls是Technion Rappaport医学院的副教授。她是睡眠和大脑研究的专家，研究情绪和思想如何影响身体健康，长期以来一直对免疫系统如何调节大脑活动感兴趣。Asya Rolls教授在Technion生物学院获得了生命科学学士和硕士学位，并获得了博士学位。她来自魏茨曼科学研究所，是斯坦福大学精神病学系的博士后研究员。她是由霍华德休斯医学研究所（HHMI）选出的40位国际研究者之一，并获得了包括沃尔夫基金会和阿德利斯脑研究奖颁发的磷虾奖在内的多项著名奖项。她还获得了多项奖学金，包括罗斯柴尔德博士后奖学金、欧洲分子生物学组织（EMO）奖学金，并且是富布赖特学者。Asya Rolls教授在神经免疫学和神经科学领域撰写或合著了超过21篇论文，在科学期刊上发表的论文超过2100篇。

参考文献：

Koren et al., Insular cortex neurons encodeand retrieve specific immune responses[J].Cell 184, 1–14,November 24,2021