第一作者：郭奇林(Qilin Guo)

通讯作者：黄文辉 (Wenhui Huang)。Frank Kirchhoff

通讯单位：Saarland University

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50466-y

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全身性炎症损害大脑功能的分子机制至今仍有待阐明。采用小鼠败血症模型，作者发现腺苷作为一种免疫信号介质在血液和大脑中迅速增加并作用于星形胶质细胞腺苷A1 (A1 adenosine receptor, A1AR) 受体，促进星形胶质细胞早期病理性反应，从而加剧大脑功能障碍。

背景介绍

败血症又称脓毒症，是由感染或损伤引起的可危及生命的严重全身性炎症反应。败血症引起的全身性炎症会直接损害中枢神经系统的正常功能，引发败血症相关脑病（sepsis-associated encephalopathy, SAE）。神经炎症是SAE的标志性症状，可导致血脑屏障损伤、胶质细胞激活、神经元异常活动、以及抑郁样行为异常。研究表明，介导全身性炎症的免疫信号首先作用于构成血脑屏障的内皮细胞和周皮细胞，引起快速炎症反应并释放前列腺素E2（PGE2）或趋化因子（C-C基序）配体2（CCL2）等促炎细胞因子，进一步加剧神经炎症和神经元异常活动。在全身性炎症中，星形胶质细胞通常被认为是反应性小胶质细胞下游的效应细胞，而不是神经炎症的早期驱动因素，这与星形胶质细胞作为血脑屏障重要组份的解剖学定位相悖。以往的研究聚焦于血液中促炎细胞因子（如 TNFα、IL-1α/β以及IL-6）的增加，认为其是诱发中枢神经系统炎症反应的主要免疫信号。值得注意的是，全身性炎症也可引起血液中的嘌呤分子如ATP及其水解产物腺苷（adenosine）水平的迅速升高。然而，嘌呤信号对败血症相关脑病的发生和发展的作用尚未确定。

研究亮点

作者首先验证了血液中腺苷水平在脂多糖（LPS）引起的小鼠全身性炎症早期阶段迅速上升，增加血脑屏障通透性。利用星形胶质细胞特异性胞外腺苷荧光探针（GRAB-Ado1.0），作者发现大脑中胞外腺苷水平在全身性炎症早期阶段也快速增加。有趣的是，作者发现人为增加血液中腺苷水平就可以直接引起脑内腺苷水平的上升（图1），提示全身性炎症增高的血液中腺苷可直接参与上调脑内腺苷的水平。

图1. LPS引起的全身性炎症会增加血液和大脑中的腺苷水平。

那么血液中腺苷水平的升高能否引起脑内的炎症反应？通过腹腔注射腺苷，腺苷类似物，以及腺苷受体激动剂/抑制剂，作者发现血液中腺苷浓度的提升通过腺苷A1受体（A1AR）促进脑内的促炎因子基因表达。利用细胞特异性敲除鼠，作者发现特异性敲除星形胶质细胞A1AR能很大程度的抑制腺苷信号的促炎作用（图2）。

图2. 外周腺苷给药会引起大脑中炎症相关基因的上调。

随后，作者结合免疫染色、RNA测序等手段发现，星形胶质细胞在全身性炎症早期阶段迅速反应，增加促炎细胞因子及其转录因子的表达，而这种反应在A1AR敲除的星形胶质细胞中大幅减弱，并能进一步降低全脑的促炎细胞因子表达（图3-5）,表明星形胶质细胞通过腺苷A1受体促进神经炎症。

图3. 敲除星形胶质细胞A1AR减弱其对全身性炎症的反应。

图4. A1AR激活导致星形胶质细胞LPS全身性给药后转录谱发生改变。

图5. 星形胶质细胞A1AR缺乏可减少全身性炎症引起的整体神经炎症。

作者进一步研究了通过敲除A1AR降低的星形胶质细胞促炎反应能否影响小胶质细胞的激活。结合免疫染色和3D重构，作者发现在敲除鼠中，小胶质细胞激活也被削弱（例如p65入核减少，溶酶体体积增加减小，形态学改善等）（图6），提示在全身炎症中，腺苷A1受体信号传导触发早期反应性星形胶质细胞，引发反应性小胶质细胞的病理发生。

图6. 星形胶质细胞A1AR缺失抑制小胶质细胞对全身性炎症的反应。

神经炎症是SAE中血脑屏障损伤以及外周免疫细胞迁移入脑的一个主要重要驱使因素。由于在LPS处理的星形胶质细胞A1AR条件性敲除鼠中整体神经炎症的程度降低，作者进一步观察到在敲除鼠中的血脑屏障的完整性得以提高且渗透进入脑实质的外周免疫细胞也大幅降低（图7）。

图7. 敲除星胶A1AR减少全身性炎症引起的血脑屏障损伤及外周免疫细胞入脑。

众所周知，全身性炎症会导致神经元的过度激活，损害神经可塑性，产生抑郁样行为改变。结合免疫染色和电生理实验，作者发现星形胶质细胞A1AR条件敲除鼠中，全身性炎症增加的神经元激活标志物c-Fos的表达以及神经元功能指标长时程增强（LTP）的受损程度均显著低于对照组。旷场和糖水偏好实验中，星形胶质细胞A1AR条件敲除鼠表现出显著降低全身性炎症引发的抑郁样行为（图8），表明激活星形胶质细胞腺苷A1受体可促进全身性炎症引起的神经元功能改变及行为异常。

图8. 星形胶质细胞A1AR缺失可降低LPS注射引起的小鼠神经元功能障碍并改善其抑郁样行为。

最后，通过化学遗传工具DREADD-hM4Di人工激活腺苷A1受体下游Gi信号，作者发现在全身性炎症早期人工激活Gi信号可以促进星形胶质细胞A1AR条件敲除鼠的星形胶质细胞反应，增强小胶质细胞激活，增加促炎细胞因子表达，进一步增加抑郁样行为（图9）。这些结果进一步提示在全身性炎症的早期腺苷A1受体信号触发的反应性星型胶质细胞是神经炎症及SAE的驱动因素。

图9. 激活A1AR敲除的星形胶质细胞中Gi信号通路可恢复对外周LPS注射引起的神经炎症反应。

综上，作者发现在败血症模型中，腺苷作为一种免疫反应信号，在血液和大脑中迅速增加，作用于星形胶质细胞腺苷A1受体，促进星形胶质细胞早期反应，增加促炎细胞因子表达，增强小胶质细胞激活，增加神经元异常，导致抑郁样行为异常，加剧大脑功能障碍。本研究为SAE的治疗提供了潜在的药物靶点

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50466-y

课题组介绍

黄文辉博士，德国萨尔大学医学院PI。自2017年起在萨尔大学分子生理学系建立独立课题组，长期专注于胶质细胞发育，异质性以及功能的研究。近年来以腺苷（adenosine）信号以及Sigma-1受体为靶点重点研究：1) 调控NG2 glia/OPC 命运及功能的分子机制；2) 胶质细胞参与神经炎症的分子机制。已获包括来自德国科学基金会（DFG），德国Fritz Thyssen基金会，萨尔大学医学院杰出青年基金，中德科学中心在内的多项基金支持。

Frank Kirchhoff教授,是德国萨尔大学医学院分子生理系终身教授，德国神经科学学会主席，欧洲科学院院士(Academia Europaea)。Frank Kirchhoff教授多年长期专注研究胶质细胞的功能及其与神经元相互作用，在Science, Nature, Neuron, Nat Neurosci, Nat Commun, Glia等神经科学领域著名期刊发表100多篇文章。