小膠質細胞在大腦抗病毒感染的參與和反應

神經上皮細胞是鼻腔的表面屏障，上面聚集著嗅覺感受器神經元，這些神經元能夠結合進入鼻腔氣道中的氣味分子，并將其轉化為電信號通過其軸突直接傳入大腦。由于持續(xù)與外界空氣接觸，神經上皮細胞是微生物感染的重災區(qū)，不過呼吸道的感染很少會造成腦炎，這說明免疫系統(tǒng)一直在這里盡職盡責地守護，但其機制卻一直沒有得到深入的研究。

 

近日，美國國家神經疾病和中風研究所（NINDS）的研究人員發(fā)現小膠質細胞在大腦抗病毒感染中的重要作用，小膠質細胞不需要感染即可在MHC I上呈遞抗原并參與從神經元中清除病毒，該研究發(fā)表在Science Immunology上。

 

 

1. 模型的構建及免疫細胞的反擊

水泡性口炎病毒（vesicular stomatitis virus，VSV）是一種通過嗅感覺神經元進入大腦的病毒，可以通過鼻腔感染動物。研究人員通過向小鼠鼻腔注射VSV病毒制備模型，病毒第6天就侵入進駐嗅神經層（olfactory nerve layer, ONL）；嗅球（olfactory bulb, OB）中的病毒滴度也是在第6天達到了最高。所以后期的實驗都是在病毒入侵6天后進行的。

 

VSV病毒如此猖獗，免疫系統(tǒng)當然不會袖手旁觀，鼻腔中的病毒侵入會導致大量的免疫細胞過來殺敵，感染到第三天時，中性粒細胞（Neutrophil）和自然殺傷細胞率先趕來幫忙，第四天時CD4+、CD8+和Ly6Chi細胞也趕到了戰(zhàn)場。同時病毒感染區(qū)和免疫器官中的病毒特異性T細胞也在迅速增殖。

 

圖1. 免疫細胞增殖趨勢圖

 

2. 誰是真正的戰(zhàn)斗力

但是，究竟哪種免疫細胞是抗戰(zhàn)的主力呢？研究發(fā)現，感染后的小鼠在被抑制了T細胞以后，壽命顯著下降，尤其是當輔助T細胞（CD4+）和殺傷T細胞（CD8+）都被抑制20天后，感染病毒的小鼠死亡殆盡。

 

T細胞不但抑制病毒的數量，也對病毒的遷移起著極大的限制作用，但PRF1、IFNγ、TNFα以及IFNγR等似乎都不是影響T細胞功能和數量的關鍵。

 

圖2. T細胞的保護作用

 

3. T細胞遷移速度為何降低

雖然CD4+和CD8+T細胞對VSV感染后的小鼠壽命都起著關鍵作用，但CD8+T細胞有更多的潛在靶細胞，所以作者把研究方向集中到殺傷性T細胞上。通過雙光子檢測發(fā)現，病毒特異性的CD8+T細胞OB的遷移速度低于作為對照移植進來的非特異性T細胞，這說明前者在移動的過程中很可能在進行病毒抗原的識別，因而降低了遷移速度。

 

當T細胞結合組織相容性抗原I（MHC I）時會產生快速的胞內鈣信號，于是，利用鈣成像技術，研究發(fā)現病毒特異性的CD8+T細胞的鈣信號活動會增強，同時CD8+T細胞遷移的速度和鈣流的活躍程度負相關。如果將MHC I分子敲除，也會造成CD8+T細胞中鈣信號活動的減弱。CD8+T細胞是通過MHC I與另一細胞連接的。

 

需要注意的是，除了CD8+T細胞（紅色）會發(fā)生鈣流后變成黃色以外，還有一些未被感染的細胞（本底無顏色）會自發(fā)產生鈣流（綠色），而這些細胞在形態(tài)、大小和空間分布上與OB中被感染的細胞差異很大。

 

圖3. 激活T細胞的是一種未被感染的細胞類型

 

4. 小膠質細胞的改變

那么究竟是哪種細胞上的MHC I分子為T細胞呈遞著抗原呢？如果對比OB區(qū)的小膠質細胞表面不同分子的表達情況，可以看到最明顯的區(qū)別在MHC I分子上，單個小膠質細胞上的MHC I分子明顯增加；另一方面，雖然其他的表面分子也有不同程度的顯著性增加，但經過病毒感染6天后小鼠小膠質細胞上的MHC I數量改變幅度最大。此外，雙光子檢測到鈣流的VSV特異性T細胞中，大部分都是與小膠質細胞接觸的，說明小膠質細胞很可能是引起這些CD8+T細胞產生鈣信號的關鍵。

 

圖4. 小膠質細胞激活細胞中的鈣流

 

5. 小膠質細胞收集并將病毒感染的抗原交給T細胞

接下來對小膠質細胞的功能進行檢測。在VSV感染6天后OB區(qū)的小膠質細胞上可以發(fā)現神經元的碎片，占所有小膠質細胞比例的5%左右；另一方面，定量檢測也發(fā)現OB中有病毒抗原的小膠質細胞比例增加。

 

用基因編輯小鼠+他莫昔芬的方法（β2M條件性敲除小鼠由賽業(yè)生物構建），抑制小膠質細胞，則病毒特異性激活的T細胞數量顯著降低，同時這些細胞的鈣流活動也明顯減弱。此外，采用PLX3397抑制小膠質細胞后也發(fā)現了OB中病毒含量的上升以及小鼠死亡速度的加快。

 

這些結果說明小膠質細胞就是能捕獲病毒并向CD8+T+細胞交叉呈遞病毒抗原的細胞。

 

圖5. 小膠質細胞是抗原交叉呈遞的關鍵

 

綜上，該研究表明，小膠質細胞通過將抗原交叉呈遞給非細胞溶解性清理神經元的抗病毒T細胞來提供針對神經侵染型病毒感染的第一道防線，而破壞這種自主免疫反應將使大腦容易受到病毒的攻擊。

 

原文檢索：

Moseman, EA et al. T cell engagement of cross-presenting microglia protects the brain from nasal virus infection. Science Immunology. June 5, 2020.

DOI: 10.1126/sciimmunol.abb1817