JEM︱小胶质细胞调节血流和神经血管联系的机制
撰文︱Tong
责编︱王思珍
小胶质细胞是中枢神经系统中一类重要的免疫细胞，其与中枢神经系统中正常的生理过程（如大脑发育、突触可塑性、学习、记忆）和病理过程都密切相关[1]。小胶质细胞对其周围的环境进行动态监测，并可以通过迁移作用与其他细胞（包括神经元）进行交互作用。除了神经元外，小胶质细胞还会与血管和神经血管单元（neurovascular unit）细胞产生相互作用[2]。小胶质细胞与血管的相互作用贯穿整个生命时期（从发育期到成年阶段），参与调节血脑屏障（BBB）的通透性、白细胞外渗和血管形成[3]。
最近有研究显示，血管周巨噬细胞通过促进BBB通透性在高血压相关的神经血管功能障碍中发挥重要作用。并且在中风、阿尔兹海默症或多发性硬化的模型中，小胶质细胞都迅速地被招募至BBB渗漏部位，这说明小胶质细胞对血管损伤有反应。脑血流（cerebral blood flow，CBF）即血液在大脑中的循环。但关于小胶质细胞与成年期CBF、灌注异常之间的关系，尚不清楚[4]。
最近，匈牙利布达佩斯实验医学研究所的Ádám Dénes团队在Journal of Experimental Medicine上发表了一篇题为“Microglia modulate blood flow, neurovascular coupling, and hypoperfusion via purinergic actions”的工作，发现了小胶质细胞在正常生理条件下和低灌注时通过P2Y12受体调控CBF的机制[4]。
研究者们首先通过在体双光子成像的方式研究了小胶质细胞-血管相互作用的形成及动力学。在体成像结果显示，小胶质细胞包裹在血管周围，并且小胶质细胞的突起通常在毛细血管周围重复接触的相同部位（图1a, b）。于是研究者们利用小胶质细胞的标记物P2RY12研究了小胶质细胞与NVU细胞之间的物理接触。他们发现小胶质细胞的突起可以穿透GFAP标记的星型胶质细胞终足，并直接接触大血管和微血管中的平滑肌细胞及内皮细胞（图1c）。
图1 小胶质细胞通过嘌呤能受体与NVU交互
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
之前有研究发现小胶质细胞P2Y12R的聚集发生在神经元中ATP释放的部位，小胶质细胞可通过ATP-P2RY12感知和调控神经元的活动及线粒体功能[6]。为了研究血管周释放的ATP是否也有类似的功能，研究者们通过对TOM20（一种线粒体标记物）的组织学检测发现，与小胶质细胞接触的内皮细胞中TOM20的强度升高了214%（图1i-j）。这证明了小胶质细胞与内皮细胞之间的直接联系。
图2 小胶质细胞以P2Y12R介导的方式参与神经血管耦合
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
之前的研究显示，通过CSF1R（集落刺激因子1受体）抑制剂PLX5622特异性清除掉脑内的小胶质细胞不会对内皮细胞、星形胶质细胞或周细胞的数量或形态产生明显影响[7]。为了研究小胶质细胞与生理刺激反应时CBF的关系，研究者们应用了广泛用于研究神经血管耦合机制的胡须刺激小鼠模型（图2a）。发现小胶质细胞的缺失会导致对侧皮层CBF反应显著降低（图2b, c）。并且在用P2Y12R抑制剂PSB0739处理的小鼠中也观察到了类似的反应（图2d, f）。
图3 胡须刺激时神经元电信号与小胶质细胞是否存在无关
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
为了测试胡须刺激引起的神经元反应的实质性变化能否解释小胶质细胞对功能性充血的影响，研究者们通过钙成像和双光子的方式对小胶质细胞清除组、P2Y12R敲除（KO）组及对照组小鼠的皮层神经元电活动进行了记录。结果发现小胶质细胞清除组和P2Y12R KO组神经元的放电频率显著增加（图3a, d），但是小胶质细胞清除组和对照组胡须刺激诱发的神经元电信号并没有明显差异（图3g）。这说明胡须刺激时小胶质细胞对功能性充血的影响不是通过神经元介导的。
图4 化学遗传学调控小胶质细胞策略
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
为了进一步探究小胶质细胞对CBF变化的影响，研究者们将Cre-dependent hM3Dq DREADD小鼠和CX3CR1-CreERT2小鼠交配产生MicroDREADDDq小鼠，并借助化学遗传学的方式对小胶质细胞进行操纵（图4a）。结果发现在给予HM3Dq DREADD激动剂C21刺激时，小胶质细胞对ATP的吸收显著减少（图4d, e）。
图5 化学遗传学激活小胶质细胞影响神经血管耦合
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
为了研究小胶质细胞钙动力学，研究者们还将MicroDREADDDq小鼠与CGaMP5g-tdTomato小鼠杂交。结果显示，在通过化学遗传学的方式激活小胶质细胞时，血管周围的小胶质细胞突起会暂时性回撤（图5g）。并且这种化学遗传学调控的结果和胡须刺激引起的反应很相似（图5i-k）。
图6 小胶质细胞参与调控高碳酸血症引起的血管舒张
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
为了进一步研究小胶质细胞调节CBF的机制，研究者们应用了独立于神经元刺激的高碳酸血症血管舒张小鼠模型。在体双光子成像显示在常氧条件下吸入10% CO2 2分钟引起的血管舒张反应中，小胶质细胞在小动脉和微血管的形态发生明显改变，并且血管周的星形胶质细胞终足也与小胶质细胞突起有大量接触（图6a, b）。并且在高碳酸血症模型时血管周的小胶质细胞钙活动显著增强（图6c）。在体双光子的数据也显示在通过PLX5622清除脑内小胶质细胞后，高碳酸血症引起的脑膜血管舒张显著减少（图6d）。
图7 小胶质细胞参与调控脑内pH值
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
以前的研究表明，高碳酸血症（hypercapnia）主要通过降低脑内pH值驱动大脑血管舒张。于是研究者们对脑内pH值进行了检测。结果发现小胶质细胞清除组pH值相较于对照组显著降低，而高碳酸血症引起的pH值下降在两组中无显著差异（图7a-c）。这说明小胶质细胞参与调控脑内pH值。继而发现，高碳酸刺激会引起细胞内和细胞外pH值的降低，并会引起内皮细胞产生ATP、ADP的量显著增加，星形胶质细胞产生ATP和腺苷（Ado）显著增加以及小胶质细胞Ado产生大量增加（图8d）。但缺氧情况下内皮细胞则会产生大量的ATP和AMP、星形胶质细胞和小胶质细胞产生大量ADP（图8f）。这说明高碳酸血症和缺氧会导致不同嘌呤能产物的生成。
图8 高碳酸血症和缺氧引起不同嘌呤能产物生成
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
最后研究者们还在颈总动脉闭塞（common carotid artery occlusion，CCAo）低灌注模型中研究了小胶质细胞对CBF的作用。他们发现CCAo会引起血管周小胶质细胞的运动增强，且其突起形态发生显著改变（图9a, b）。在清除脑内小胶质细胞后，CCAo后小鼠CBF恢复受损（图9d），说明小胶质细胞参与再灌注过程中CBF的正常反应。这些现象在通过遗传学和药理学方式抑制P2Y12R时也一致（图10），说明小胶质细胞和小胶质细胞P2Y12R在对CCAo后皮质灌注减少的适应过程中对CBF反应的正常化至关重要。
图9 小胶质细胞参与再灌注过程中CBF恢复
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
图10 小胶质细胞P2Y12R参与再灌注过程中CBF恢复
（图源：Császár E, et al., J Exp Med. 2022）
小胶质细胞在小鼠模型中参与调控CBF已得到证实，这提示在临床上调控小胶质细胞或许也是治疗脑血管相关疾病的潜在靶点，但在人类上的机制仍需进一步研究。
原文链接：https://doi.org/10.1084/jem.20211071
【1】Mol Psychiatry︱生物钟基因Bmal1在自闭症及小脑共济失调的小鼠模型中的作用
【2】Science︱小鼠快速眼动睡眠由基底外侧杏仁核多巴胺信号调节
【3】Nat Neurosci︱双相情感障碍患者杏仁核和前扣带回神经免疫和突触相关通路下调
【4】Nat Commun︱周小明/孙子宜团队根据Sigma-1受体开放式构象揭示其配体进入途径的分子机制
【5】Glia︱袁增强课题组揭示调控少突胶质前体细胞增殖新机制：c-Abl通过磷酸化Olig2
【6】HBM︱俞连春课题组揭示大脑雪崩临界现象与流体智力以及工作记忆的关系
【7】J Neuroinflammation︱顾小萍课题组揭示星形胶质细胞网络在长时程异氟烷麻醉介导的术后认知功能障碍中的重要作用
【8】Nat Methods︱费鹏/张玉慧课题组合作报道活细胞超分辨成像研究的新进展
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【2】科研技能︱磁共振脑网络分析入门班（线上：2022.4.6~4.16）
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参考文献（上下滑动查看）
[1]Prinz M, Priller J. Microglia and brain macrophages in the molecular age: from origin to neuropsychiatric disease [J]. Nat Rev Neurosci, 2014, 15(5): 300-12.
[2]Thion M S, Low D, Silvin A, et al. Microbiome Influences Prenatal and Adult Microglia in a Sex-Specific Manner [J]. Cell, 2018, 172(3): 500-16 e16.
[3]Prinz M, Jung S, Priller J. Microglia Biology: One Century of Evolving Concepts [J]. Cell, 2019, 179(2): 292-311.
[4]Goldmann T, Wieghofer P, Jordao M J, et al. Origin, fate and dynamics of macrophages at central nervous system interfaces [J]. Nat Immunol, 2016, 17(7): 797-805.
[5]Csaszar E, Lenart N, Cserep C, et al. Microglia modulate blood flow, neurovascular coupling, and hypoperfusion via purinergic actions [J]. J Exp Med, 2022, 219(3):
[6]Csaba Cserép, Balázs Pósfai, Nikolett Lénárt, et al. Microglia monitor and protect neuronal function through specialized somatic purinergic junctions [J]. Science, 2020, 367(528-37.
[7]Szalay G, Martinecz B, Lenart N, et al. Microglia protect against brain injury and their selective elimination dysregulates neuronal network activity after stroke [J]. Nat Commun, 2016, 7(11499.
制版︱王思珍
本文完