小膠質(zhì)細(xì)胞作為腦實(shí)質(zhì)的巨噬細(xì)胞，對(duì)細(xì)胞因子和來(lái)自外周的各種刺激做出反應(yīng)。此外，這些細(xì)胞是公認(rèn)的神經(jīng)元環(huán)路修剪的參與者，小膠質(zhì)細(xì)胞損傷導(dǎo)致大腦連接和行為功能障礙。然而，關(guān)于小膠質(zhì)細(xì)胞所起的確切作用以及這些細(xì)胞如何應(yīng)對(duì)免疫調(diào)控仍值得深入研究。

2023年11月1日葡萄牙科英布拉大學(xué)神經(jīng)科學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)中心Frauke Zipp, Ana Luísa Cardoso, Jo?o Pe?a共同在Neuron上發(fā)表的文章“IL-4 shapes microglia-dependent pruning of the cerebellum during postnatal development”揭示了IL-4在小腦成熟的神經(jīng)免疫關(guān)鍵期小膠質(zhì)細(xì)胞的修剪作用，并為人類(lèi)過(guò)敏性疾病和注意力缺陷多動(dòng)障礙（attention-deficit hyperactivity disorder，ADHD）之間的共病提供了機(jī)制基礎(chǔ)。

總結(jié)：

1. 小腦成熟的神經(jīng)免疫關(guān)鍵期 IL-4處于低水平

2. IL-4 的過(guò)多 阻止了小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)顆粒細(xì)胞的生理性修剪

3. 過(guò)多的顆粒細(xì)胞將增強(qiáng)的興奮性輸入驅(qū)動(dòng)到浦肯野細(xì)胞上

4. 早年的過(guò)敏會(huì)導(dǎo)致ADHD樣的多動(dòng)和沖動(dòng)行為

1. 小腦和小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟在出生后同時(shí)發(fā)生

本研究首先評(píng)估了從出生后早期到成年期間小腦的成熟，以及伴隨的小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)的變化。利用Rosa26-STOP-tdTomato（tdT）報(bào)告系（Ai9小鼠）與PV-Cre系以獲得PV：：tdT小鼠。小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，變得更多分支，其方式也具有皮層層級(jí)依賴(lài)性。這些數(shù)據(jù)表明，隨著小腦皮層的成熟，小膠質(zhì)細(xì)胞逐漸采用分支的、類(lèi)似監(jiān)督的表型。

2. 小腦 IL-4 水平與小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)元修剪呈負(fù)相關(guān)

為了評(píng)估小膠質(zhì)細(xì)胞是否積極參與小腦皮層的重塑，研究人員利用PV：：tdT小鼠小腦中的神經(jīng)元標(biāo)記，使用流式細(xì)胞術(shù)和共聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)具有內(nèi)化 tdT 表達(dá)的小膠質(zhì)細(xì)胞（tdT 小膠質(zhì)細(xì)胞）的百分比在 P10 時(shí)最高，在出生后第二周下降，并在 P30-P60 時(shí)達(dá)到約5% tdT 小膠質(zhì)細(xì)胞的穩(wěn)定狀態(tài)，有趣的是，作者觀察到IL-4的實(shí)質(zhì)濃度與tdT小膠質(zhì)細(xì)胞的百分比呈負(fù)相關(guān)。為了確定 IL-4 是否可以影響小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)元修剪，作者研究了通過(guò)在 P8、P13 和 P28腹腔注射重組細(xì)胞因子提早提高 IL-4 的水平，同時(shí)分析小腦膠質(zhì)細(xì)胞吞噬情況。研究發(fā)現(xiàn)小腦小膠質(zhì)細(xì)胞呈現(xiàn)出高吞噬表型，LPS不會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，但I(xiàn)L-4可以減少吞噬，再次表明出生后小腦小膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)出高清除率，高吞噬細(xì)胞表型。通過(guò)熒光共聚焦發(fā)現(xiàn)IL-4 可能會(huì)影響跨小腦多個(gè)層遷移的GC修剪。（圖1）

圖1. IL-4 對(duì)小腦成熟過(guò)程中小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)元物質(zhì)吞噬產(chǎn)生負(fù)面影響

3. IL-4 水平升高導(dǎo)致的電生理變化

為了評(píng)估 IL-4 是否在小腦微環(huán)路中產(chǎn)生功能，研究人員在 P10 、P15 和 P30 處記錄了小腦蚓部 PC 中的微型興奮性突觸后電流 （mEPSC）。該分析顯示 p10 時(shí) mEPSC 事件的頻率增加，提示 PC 上的興奮性連接性更高。有趣的是，與流式細(xì)胞術(shù)數(shù)據(jù)一致，在較晚的年齡（P13 或 P28）注射 IL-4 在興奮性突觸連接中沒(méi)有產(chǎn)生明顯的變化，再次表明存在出生后發(fā)育的早期關(guān)鍵期。流式細(xì)胞術(shù)和電生理學(xué)數(shù)據(jù)表明，小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的吞噬缺陷與突觸接觸數(shù)量的增加和/或逃避修剪的 GC 數(shù)量增加相容，這些結(jié)果表明IL-4處理的P10動(dòng)物中存活的神經(jīng)元數(shù)量增加。（圖2）

圖2.出生后第二周注射IL-4誘導(dǎo)浦肯野細(xì)胞興奮性輸入的長(zhǎng)期改變

4. IL-4升高后小鼠的行為特征

通過(guò)評(píng)估認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)、社交和情緒行為的測(cè)試，IL-4處理的小鼠顯示總行進(jìn)距離增加，但在開(kāi)放區(qū)域中心花費(fèi)的時(shí)間沒(méi)有變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)社會(huì)行為、記憶、焦慮樣行為、彈珠掩埋和筑巢行為沒(méi)有發(fā)生明顯變化。在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，這些動(dòng)物顯示出較低的跌倒?jié)摲?，但在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)方面沒(méi)有顯著變化。當(dāng)評(píng)估跑輪活動(dòng)時(shí)，IL-4處理的小鼠表現(xiàn)出過(guò)度運(yùn)動(dòng)表型。此外，這些動(dòng)物還表現(xiàn)出一般的刻板印象和重復(fù)行為的增加。最后，進(jìn)行了T迷宮測(cè)試，注射IL-4的小鼠更喜歡立即的低獎(jiǎng)勵(lì)，這與沖動(dòng)表型一致?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)后第二周高水平的IL-4導(dǎo)致了ADHD的多動(dòng)和沖動(dòng)樣行為。（圖3）

圖3. 出生后第二周注射 IL-4 可引起小腦依賴(lài)行為缺陷和 ADHD 樣表型

5. 產(chǎn)后早期的過(guò)敏性哮喘模型的表型分析

為了評(píng)估更自然的刺激是否可以促進(jìn)與小腦發(fā)育類(lèi)似的改變，作者實(shí)施了早期過(guò)敏性哮喘的小鼠模型，評(píng)估了這種早期 Th2 高反應(yīng)性挑戰(zhàn)對(duì) P60 小腦回路功能和行為的長(zhǎng)期后果。與注射IL-4的小鼠類(lèi)似，作者觀察到mEPSCs在PC上的頻率預(yù)期增加。在評(píng)估運(yùn)動(dòng)行為改變時(shí)，過(guò)敏性哮喘的小鼠模型在曠場(chǎng)測(cè)試和跑輪實(shí)驗(yàn)中也表現(xiàn)出多動(dòng)癥。（圖4）

圖4.出生后過(guò)敏性哮喘可減少小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)元物質(zhì)吞噬，并提高小腦顆粒細(xì)胞密度

6. 6. Th2 攻擊小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞中 IL-4 受體信號(hào)傳導(dǎo)的消融

為了剖析小膠質(zhì)細(xì)胞中 IL-4 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)對(duì)小鼠 ADHD 樣行為的貢獻(xiàn)，作者使用了 Il4rαFL/FL小鼠與Cx3cr1-CreER小鼠雜交。這些數(shù)據(jù)表明，小膠質(zhì)細(xì)胞驅(qū)動(dòng)了由早期異常 Th2 攻擊引起的 ADHD 樣多動(dòng)癥。（圖5）

圖5. 條件性小膠質(zhì)細(xì)胞 Il4rα 缺陷小鼠在 IL-4 給藥和出生后過(guò)敏性哮喘后未能表現(xiàn)出 ADHD 樣多動(dòng)癥

總結(jié)

本研究結(jié)合流式細(xì)胞術(shù)、形態(tài)學(xué)、神經(jīng)電生理和行為學(xué)等實(shí)驗(yàn)，提供了神經(jīng)免疫功能障礙與出生后小腦發(fā)育異常之間存在因果關(guān)系的證據(jù)。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了進(jìn)一步了解環(huán)境相互作用如何調(diào)控產(chǎn)后大腦發(fā)育及其與神經(jīng)精神和神經(jīng)發(fā)育障礙的關(guān)系的必要性。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.09.031

參考文獻(xiàn)

Guedes JR, Ferreira PA, Costa J, Laranjo M, Pinto MJ, Reis T, Cardoso AM, Lebre C, Casquinha M, Gomes M, Shkatova V, Pereira M, Beltr?o N, Hanuscheck N, Greenhalgh AD, Vogelaar CF, Carvalho AL, Zipp F, Cardoso AL, Pe?a J. IL-4 shapes microglia-dependent pruning of the cerebellum during postnatal development. Neuron. 2023 Nov 1;111(21):3435-3449.e8. doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.031. PMID: 37918358.

編譯作者：楠星（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）






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