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尼古丁相关痛敏中,神经元与小胶质细胞相互推了一把

Journal of neuroinflammation · 2023-03-21

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Journal of neuroinflammation · 研究前沿

尼古丁相关痛敏中,神经元与小胶质细胞相互推了一把

雄鼠研究发现,长期尼古丁暴露伴随前扣带皮层神经元兴奋性增强和小胶质细胞形态改变,干预两者或候选沟通信号均能减轻受测痛敏。

原论文Figure 1G单一显微视野局部:前扣带皮层Iba1标记小胶质细胞及其分支突起

同样的轻机械刺激,为何会在长期尼古丁暴露后引出更强反应?2023年3月21日发表于 Journal of Neuroinflammation 的研究,在雄性小鼠前扣带皮层(ACC)中发现了两类彼此关联的变化:谷氨酸相关神经元更容易兴奋,小胶质细胞则收短突起、减少分支。进一步干预提示,这两类细胞可能相互影响,维持偏高的神经活动。候选的CX3CL1—CX3CR1信号,让这种交流有了可以追踪的分子线索。

关键发现

降低ACC谷氨酸相关神经元活动、药理干预小胶质细胞或阻断CX3CR1,均减轻尼古丁相关机械和热敏感;小胶质细胞的形态响应没有伴随受测经典炎症指标的显著升高。

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痛敏出现时,小胶质细胞也换了形态

小胶质细胞是脑内常驻免疫细胞,也参与神经网络的日常维护。它们伸展的突起能够随环境变化而重塑。研究中,经历约四周尼古丁暴露的小鼠,对机械刺激的退缩阈值降低,对热刺激的退缩潜伏期缩短,显示受测刺激更容易引起反应。

观察ACC时,Iba1标记细胞数量未见显著增加,胞体却更大,突起总长度更短,分支点更少。与单纯细胞增多相比,这更像是已有细胞改变了自身状态。相似形态变化也见于作为对照观察区域的伏隔核,但后续干预集中在ACC。

原论文图 1痛敏出现时,小胶质细胞也换了形态
痛敏出现时,小胶质细胞也换了形态
图1显示机械和热敏感增强,以及ACC小胶质细胞胞体、突起与分支的改变;ACC标记细胞数量未显著增加。
来源:Long DD et al. · Journal of neuroinflammation · CC BY
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形态变了,受测炎症信号却没有一起升高

小胶质细胞一旦变得“反应性”,是否就意味着经典炎症全面启动?研究检查了分离的ACC小胶质细胞,发现TNF-α、IL-1β和IL-6的转录本水平没有显著组间差别,另外两项受测标记Arg-1与iNOS也没有显著变化。

组织中的相关蛋白标记观察也得到相近结果。形态与这些炎症指标没有同步变化,提示这里的小胶质细胞响应有自己的特点;分支收缩所反映的细胞状态,可能通过其他交流方式影响神经元。

这个分离也改变了后续问题:如果没有出现受测炎症因子的明显升高,小胶质细胞还会怎样放大神经活动?研究因此没有停在形态观察,而是继续比较神经元放电、感觉事件响应,以及干预一类细胞后另一类细胞如何变化。

原论文图 3形态变了,受测炎症信号却没有一起升高
形态变了,受测炎症信号却没有一起升高
图3比较受测炎症相关转录本及Arg-1、iNOS组织标记,尼古丁组与对照未见显著差别。
来源:Long DD et al. · Journal of neuroinflammation · CC BY
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神经元更容易被推过放电门槛

与此同时,ACC的c-Fos阳性细胞增多,多数与谷氨酸相关标记重叠。脑片记录进一步发现,受测神经元面对相同输入会产生更多脉冲,而推动首次放电所需的最小电流降低:同样的推动,细胞更容易响应。

在体群体钙信号把这一变化与感觉事件接起来。较轻机械刺激后,尼古丁组ACC谷氨酸相关群体的信号明显增强,对照组反应较弱。细胞自身兴奋性与刺激相关群体活动,分别从两个角度显示这一区域的高响应状态。

原论文图 4神经元更容易被推过放电门槛
神经元更容易被推过放电门槛
图4展示c-Fos共标、放电及钙信号:受测谷氨酸相关神经元更易兴奋,轻机械刺激相关群体钙响应增强。
来源:Long DD et al. · Journal of neuroinflammation · CC BY
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压低神经活动,小胶质细胞也随之改变

如果两种变化只是同时出现,干预其中一方未必影响另一方。研究降低ACC谷氨酸相关神经元活动后,小鼠机械退缩阈值和热退缩潜伏期提高,受测敏感减轻;小胶质细胞的胞体、标记强度与分支形态也朝另一方向变化。

具体来说,突起重新延长、分支点增多,而标记细胞数量未显著改变。神经元活动能够影响小胶质细胞状态,因而为两者之间的联系增加了干预证据;变化的先后顺序仍需更连续的观察才能看清。

原论文图 5压低神经活动,小胶质细胞也随之改变
压低神经活动,小胶质细胞也随之改变
图5显示抑制相关神经元后痛敏减轻,小胶质细胞突起和分支恢复较丰富的形态,细胞标记数量未显著变化。
来源:Long DD et al. · Journal of neuroinflammation · CC BY
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从另一侧干预,敏感也能减轻

研究又从小胶质细胞这一侧入手。局部米诺环素处理后,相关形态变化减弱,机械与热反应的敏感程度下降;另一种使局部Iba1标记细胞显著减少的药理处理,也得到相近的行为方向。

两种处理的结果共同支持小胶质细胞参与痛敏维持。改善并不都回到对照水平,而这些药理干预也可能影响其他细胞过程。它们与神经元抑制实验放在一起,使一个彼此影响的局部网络逐渐浮现。

原论文图 2从另一侧干预,敏感也能减轻
从另一侧干预,敏感也能减轻
图2比较两种局部药理处理后的小胶质细胞标记及行为响应,机械和热敏感减轻。
来源:Long DD et al. · Journal of neuroinflammation · CC BY
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候选沟通信号,让相互作用有了分子落点

ACC组织中,趋化因子CX3CL1的转录本水平升高。它的受体CX3CR1参与细胞间交流;阻断该受体后,小胶质细胞胞体和标记强度下降,突起长度与分支点增加,机械与热敏感减轻。脑片中,受测神经元的放电减少,启动放电所需电流则升高。

这些结果支持一个候选模型:神经元与小胶质细胞之间的信号交流,可能帮助高兴奋状态持续存在。现有证据尚未逐细胞锁定CX3CL1的来源,也没有直接测到突触修剪。研究针对年轻成年雄鼠的持续尼古丁暴露,揭示的是一种局部细胞互动;它说明痛敏网络的维持者,除了发放脉冲的神经元,还可能包括改变了状态的小胶质细胞。

原论文图 6候选沟通信号,让相互作用有了分子落点
候选沟通信号,让相互作用有了分子落点
图6显示ACC组织CX3CL1转录本升高,以及CX3CR1阻断后的形态、行为与神经元兴奋性改变。
来源:Long DD et al. · Journal of neuroinflammation · CC BY
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论文信息

Long DD, Zhang YZ, Liu A, Shen L, Wei HR, Lou QQ, Hu SS, Chen DY, Chai XQ, Wang D.
Microglia sustain anterior cingulate cortex neuronal hyperactivity in nicotine-induced pain
Journal of neuroinflammation · 2023-03-21
DOI: 10.1186/s12974-023-02767-0