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脑损伤后的免疫失衡,从杏仁核追到骨髓

Science advances · 2024-07-19

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Science advances · 研究前沿

脑损伤后的免疫失衡,从杏仁核追到骨髓

人体样本显示老年脑损伤后髓系细胞供给偏移。小鼠实验进一步连接杏仁核活动、骨髓β2肾上腺素能受体与炎症变化,受体干预可改善部分损伤后表现。

AI概念插画:神经网络、骨髓细胞与象征间接调节的信号,不是实验图像或真实解剖回路图

脑受到损伤后,免疫细胞会迅速赶来,骨髓也开始补充新的细胞。供应增加,却未必意味着修复更顺利:哪些细胞增加,哪些相对不足,同样重要。2024年发表于 Science Advances 的研究,从年轻与老年颅脑损伤患者的血液、颅骨骨髓及手术脑组织出发,再用小鼠检验其中的机制。研究将中央杏仁核(CeA)的活动、交感相关信号与骨髓造血联系起来,发现β2肾上腺素能受体参与了损伤后的细胞供给偏移。

关键发现

老年患者与老年模型鼠出现较突出的髓系偏移。小鼠中降低CeA标记细胞活动、删除β2受体或药理阻断,可改变细胞组成并改善部分结局;药理后年轻组病灶比例比较未显著,老年组降低。

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老年组的变化,集中在细胞供给的构成

研究比较年轻与老年患者,年龄范围分别为十八至四十五岁和六十五岁以上。急性期,老年组血液中中性粒细胞、经典单核细胞较多,非经典单核细胞较少。手术获得的脑组织中,也出现相应的细胞组成差别。

颅骨骨髓中,老年损伤组造血干细胞比例及Ki67阳性比例较高,髓系祖细胞比例增加,淋巴系祖细胞比例降低。人体观察把问题指向供给源:损伤后的变化,也见于骨髓内的细胞供给结构。

原论文图 1患者血液、脑组织与颅骨骨髓
患者血液、脑组织与颅骨骨髓
原论文Figure 1:不同年龄患者的免疫组成与骨髓祖细胞比例,显示老年损伤组较突出的髓系偏移。
来源:Jiang R et al. · Science advances · CC BY-NC
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有些细胞增多,另一类响应却跟不上

在脑损伤模型中,老年小鼠的骨髓干细胞及祖细胞扩增更明显,中性粒细胞与Ly6C高表达单核细胞较多,Ly6C低表达单核细胞响应较弱。两类单核细胞与人体经典、非经典群体大致对应,各自的增加时程也不同。

脑内浸润细胞同样呈现年龄差异,老年组部分促炎标记阳性单核细胞比例较高,IL-10阳性比例较低。研究追踪到的不是免疫细胞统一变多或变少,而是供给、进入脑组织及炎症相关表型共同改变。

原论文图 2骨髓与脑内细胞的年龄相关变化
骨髓与脑内细胞的年龄相关变化
原论文Figure 2:小鼠骨髓造血、单核细胞时程及脑内浸润变化,老年组Ly6C低表达群体响应相对不足。
来源:Jiang R et al. · Science advances · CC BY-NC
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杏仁核活动,与骨髓信号相伴

人体与小鼠样本中,损伤后去甲肾上腺素浓度升高,老年组更突出。骨髓交感相关纤维标记也增加。从骨髓回溯的跨突触追踪,在CeA、下丘脑室旁核与未定带等处发现标记,显示骨髓连接着多级中枢网络。

小鼠CeA群体钙信号在伤后增强,并在较晚记录中保持高于伤前。另两处脑区的对应前后比较未显著。研究因此聚焦CeA,但这些追踪不意味着一条CeA轴突直接跨越全身抵达骨髓。

原论文图 3去甲肾上腺素、神经追踪与活动
去甲肾上腺素、神经追踪与活动
原论文Figure 3:人鼠去甲肾上腺素及纤维标记、跨突触追踪和CeA等区域钙记录。
来源:Jiang R et al. · Science advances · CC BY-NC
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压低标记群体,细胞供给方向随之变化

研究针对TH启动子标记的CeA细胞调节活动。损伤模型中,抑制减弱中性粒细胞与Ly6C高表达单核细胞供给,增强Ly6C低表达群体响应;提高活动则呈相反方向。脑内浸润细胞也随之改变。

抑制组的神经功能评分、转棒表现与病灶比例改善,激活组损伤表现加重。中枢活动与外周细胞组成因而获得功能联系,受测对象则是被标记的CeA细胞群,并非所有CeA细胞都被同样操控。

原论文图 4CeA标记群干预与损伤后表现
CeA标记群干预与损伤后表现
原论文Figure 4:中枢活动干预改变骨髓、脑内免疫组成及神经功能与病灶指标。
来源:Jiang R et al. · Science advances · CC BY-NC
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老年供体的骨髓,把偏移带入受体

接受老年供体骨髓的小鼠,损伤后出现更明显的髓系祖细胞和经典样单核细胞偏移,Ly6C低表达群体较少。与年轻供体比较,这一结果表明骨髓本身的年龄相关状态,也参与塑造损伤后的细胞响应。

骨髓整体转录分析进一步发现,老年损伤组造血和炎症相关表达增强。β2肾上腺素能受体编码基因Adrb2受到关注,患者骨髓中的对应基因也升高。表达线索随后接受基因与药理干预检验。

原论文图 5骨髓移植与受体表达线索
骨髓移植与受体表达线索
原论文Figure 5:供体年龄影响受体损伤后细胞组成,骨髓转录与受体表达分析突出β2相关信号。
来源:Jiang R et al. · Science advances · CC BY-NC
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细胞组成改变,干祖细胞池未显著缩小

删除Adrb2后,年轻与老年小鼠的细胞组成向不同方向调整,Ly6C低表达群体响应增强。骨髓LSK干细胞及祖细胞池的数量比较却未显著改变。受体作用因此突出在后续细胞构成,而不是让整个供给源一并缩小。

骨髓嵌合实验进一步支持造血细胞受体的参与。基因缺失小鼠的炎症相关指标、神经功能与病灶表现改善,说明中枢传来的信号,需要结合骨髓怎样接收和响应才能理解。

原论文图 6受体基因缺失与细胞供给
受体基因缺失与细胞供给
原论文Figure 6:Adrb2缺失改变髓系细胞组成并改善受测损伤后指标,LSK池数量比较未显著。
来源:Jiang R et al. · Science advances · CC BY-NC
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改善并不覆盖每个年龄和每项指标

β2受体药理阻断也调整细胞供给,并改善受测神经功能、生存及后期学习相关表现。病灶比例在老年组降低,年轻组这一比较未显著;年轻骨髓中的部分髓系细胞数量也没有显著下降。LSK池数量仍未显著改变。

人体样本揭示年龄相关的共同现象,干预结果来自以雄性小鼠为主的损伤模型。研究将脑与骨髓的联系具体到受体和细胞组成:供给增加之后,哪类细胞占上风,可能比单纯增加免疫细胞数量更能解释损伤后的炎症差别。

原论文图 7药理干预与多层结局
药理干预与多层结局
原论文Figure 7:β2相关药理干预调整造血与损伤后表现,年轻病灶比例比较未显著,老年组降低。
来源:Jiang R et al. · Science advances · CC BY-NC
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论文信息

Jiang R, Lu Z, Wang C, Xiao J, Liu Q, Xu X, Shi J, Shen J, Zhu X, Gong P, Zhuang QX, Shi K, Shi W.
Beta2 adrenergic receptor-mediated abnormal myelopoiesis drives neuroinflammation in aged patients with traumatic brain injury
Science advances · 2024-07-19
DOI: 10.1126/sciadv.adp5239