Immunity | 大脑常驻和募集的巨噬细胞在炎症发作和消退时的差异可塑性和命运

撰文 | Qi

组织驻留巨噬细胞已成为大脑发育、体内平衡和疾病的关键调节因子，脑实质内的常驻巨噬细胞称为小胶质细胞，而非实质组织中的常驻巨噬细胞称为边界相关巨噬细胞（BAM）。小胶质细胞和 BAM 表现出不同的转录谱，许多特征基因的非重叠表达【1】，单细胞分析揭示脑巨噬细胞异质性及其对疾病的反应，确定了一种疾病相关的小胶质细胞（DAM）状态【2, 3】。然而，BAM 在疾病期间的反应仍有待进一步确定。此外，募集的巨噬细胞在分子和功能上与常驻小胶质细胞和BAM差异仍未解释清楚，以及疾病消退后常驻和募集的巨噬细胞的命运在很大程度上仍未探索。

近日，来自比利时VIB炎症研究中心的Kiavash Movahedi团队在Immunity杂志上发表了一篇题为 Differential plasticity and fate of brain-resident and recruited macrophages during the onset and resolution of neuroinflammation 的文章，他们证明了T. b. brucei （布氏锥虫）通过穿过三个隔间（边界区域、脑脊液和脑实质）侵入小鼠大脑，引起广泛的脑膜脑炎反应，同时大量动员了常驻和招募的巨噬细胞。通过结合串行双光子断层扫描、命运图谱、单细胞RNA测序和基因消融，他们描绘了寄生虫感染期间小胶质细胞、BAM 和募集的巨噬细胞的转录动力学和功能多样性，并揭示了在药物诱导的疾病消退后它们何去何从。

研究人员首先用T. b.对小鼠进行腹膜内接种，引起全身感染后，通过量化大脑边界区域、脑脊液和脑实质中的寄生虫随时间推移来评估大脑感染的动力学。他们发现T. b.具有强烈的积聚在大脑边界区域的倾向，并能从脑膜转移到脉络丛、脑脊液和脑实质。在寄生虫入侵的同时，他们也观察到CD45^hi血液募集的骨髓细胞在大脑中的强烈浸润，浸润的单核细胞逐渐失去其Ly6B表达，显示它们分化为CD11b^hiLy6B^lo巨噬细胞，且随着疾病的进展而积累。为了明确区分常驻脑巨噬细胞和招募的脑巨噬细胞，他们让Cx3cr1^CreER:R26-YFP 小鼠接受他莫昔芬注射以诱导脑巨噬细胞中的报告基因标记，从而区分常驻脑巨噬细胞（YFP+）和募集的单核细胞衍生细胞（YFP-）。结果表明在感染期间积累的大多数CD11b⁺ CD45^hi细胞都是募集而来的。

为了研究感染期间实质小胶质细胞的转录变化并将它们的基因特征与募集的巨噬细胞进行比较，作者对从幼稚和感染小鼠中分选出来的CD11b+CD45+骨髓细胞进行了scRNA-seq。除了小胶质细胞，他们还鉴定出四个巨噬细胞簇（MF1-4）。MF4来自常驻BAM，而MF1-3代表募集的巨噬细胞。GO分析显示MF3中显著的IFN诱导反应，MF2和MF3中突出的抗菌防御反应，与活性氧/氮物质的产生和组织重塑相关的通路富集于MF2。此外，他们还在募集的单核细胞衍生的巨噬细胞中发现的许多炎症基因，这些在活化的小胶质细胞中几乎不表达，表明预先存在的和新募集的巨噬细胞对感染做出的不同反应。

为了研究驻留脑巨噬细胞在感染期间的功能相关性，作者试图在感染期间专门消耗这些细胞并在它们重新增殖之前这段期间内评估后果。巨噬细胞的耗竭导致硬脑膜中寄生虫的显着增加，表明当寄生虫首次进入脑膜时，常驻BAM对于疾病初期的寄生虫控制很重要。接下来，作者评估了疾病后期常驻巨噬细胞耗竭的后果，此时寄生虫和免疫细胞已渗入脉络丛和脑脊液。此时，耗竭不再显着影响大脑中的寄生虫数量，这表明当募集的骨髓细胞数量较多时，常驻脑巨噬细胞直接参与寄生虫控制是多余的。总之，这表明常驻脑巨噬细胞对于最初的寄生虫控制和随后驱动促进脑屏障通透性和外周免疫细胞浸润到脑脊液中的促炎反应很重要。

Melarsoprol是一种砷化合物，用于治疗晚期人类锥虫病并清除受感染小鼠体内的寄生虫【4】。在Melarsoprol治疗后，他们观察到脑屏障完整性迅速恢复。此外，浸润大脑及其边界区域的CD45^hi骨髓细胞迅速消失，其中75%–90%的细胞在一周内消失，表明募集的巨噬细胞在疾病消退后会迅速从大脑中清除。为了绘制疾病消退后募集巨噬细胞的转录变化，作者在d28p.i.（注射后）对来自感染小鼠大脑的CD45+CD11b+骨髓细胞进行了scRNA-seq。随着时间推移，具有常驻BAM特征（MF3）的巨噬细胞持续存在并逐渐增加相对丰度。这证实了在感染问题解决后，血液募集的炎性巨噬细胞会从大脑中移除，并且常驻的BAM会恢复其相对丰度。最后，作者评估了疾病消退后的小胶质细胞转录动力学。在Melarsoprol治疗后，小胶质细胞重新表达与感染前稳态非常相似的转录谱，而BAM表现出挥之不去的炎症特征，表明其蛋白质基因组状态的长期重塑。

总之，这项工作通过检测小胶质细胞、边界相关巨噬细胞和招募的巨噬细胞在布氏锥虫感染和神经炎症消退时的命运，展示了不同类型的脑巨噬细胞如何协调对入侵寄生虫的免疫反应，揭示大脑驻留和募集的巨噬细胞在感染和恢复稳态期间所表现出的不同状态。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2022.09.005

制版人：十一

参考文献

1. Van Hove, H., Martens, L., Scheyltjens, I., De Vlaminck, K., Pombo Antunes, A.R., De Prijck, S., Vandamme, N., De Schepper, S., Van Isterdael, G., Scott, C.L., et al. (2019). A single-cell atlas of mouse brain macrophages reveals unique transcriptional identities shaped by ontogeny and tissue environment. Nat. Neurosci. 22, 1021–1035. https://doi.org/10.1038/s41593-019- 0393-4.

2. Keren-Shaul, H., Spinrad, A., Weiner, A., Matcovitch-Natan, O., DvirSzternfeld, R., Ulland, T.K., David, E., Baruch, K., Lara-Astaiso, D., Toth, B., et al. (2017). A unique microglia type associated with restricting development of Alzheimer’s disease. Cell 169, 1276–1290.e17. https://doi.org/10.1016/j. cell.2017.05.018.

3. Anderson, S.R., Roberts, J.M., Zhang, J., Steele, M.R., Romero, C.O., Bosco, A., and Vetter, M.L. (2019). Developmental apoptosis promotes a diseaserelated gene signature and independence from CSF1R signaling in retinal microglia. Cell Rep. 27, 2002–2013.e5. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.04.062.

4. Burrell-Saward, H., Rodgers, J., Bradley, B., Croft, S.L., and Ward, T.H. (2015). A sensitive and reproducible in vivo imaging mouse model for evaluation of drugs against late-stage human African trypanosomiasis. J. Antimicrob. Chemother. 70, 510–517. https://doi.org/10.1093/jac/dku393.

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