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锘海助力疼痛调控免疫的新神经环路机制研究，揭示免疫调控解剖特异性

发布日期：2024/3/1 13:19:20

研究背景：神经病理性疼痛患者常伴发免疫系统紊乱，表明疼痛和免疫反应之间关系密切，但神经解剖学基础和潜在机制仍然未知。

2024年1月30日，中国科学技术大学张智教授、白丽教授、安徽医科大学第二附属医院田仰华主任和安徽医科大学陶文娟教授合作在Nature Neuroscience发表题为“Somatosensory cortex and central amygdala regulate neuropathic pain-mediated peripheral immune response via vagal projections to the spleen”的文章，揭示了在不同疼痛状态大脑下对免疫进行差别调控的机制，为疼痛状态下神经免疫的交流提供了新的见解。该研究中，锘海提供一站式CRO服务，对脾脏组织通过锘海亲水型透明化试剂盒（CAT#: NH-CR-210701 ）透明化处理，采用LS18平铺光片显微镜进行三维成像。

急性疼痛和慢性疼痛状态下引发脾脏TH2细胞不同的免疫反应

为了探究疼痛与脾免疫反应的关系，作者建立了经典的SNI神经损伤小鼠模型，通过流式细胞术分析SNI后各不同时间段脾脏中的免疫细胞，其中CD4+ T细胞的TH1、TH2和TH17细胞因子参与疼痛的加工，作者发现表达白细胞介素-4（IL-4）和IL-10的TH2细胞在SNI 1-d小鼠中显著升高，但在SNI 4-w小鼠中明显减少，而这种变化模式并未在表达的干扰素-γ 的TH1细胞和表达IL-17的TH17细胞中观察到。

图1. 急性疼痛和慢性疼痛状态下引发脾TH2细胞不同的免疫反应

ACh^DMV神经元直接投射到脾脏

为了探究大脑和脾的神经连接，他们在小鼠脾内注射荧光金（FG）后，一周后发现FG可逆行投射到DMV脑区胆碱乙酰转移酶(ChAT）阳性的神经元;通过病毒示踪验证了DMV中乙酰胆碱能神经元（Ach^DMV）到脾脏的直接连接（后续简称Ach^DMV→spleen环路）；进一步通过在ChAT-cre小鼠DMV脑区注射顺行示踪病毒结合脾脏透明化成像，作者在脾脏的红髓以及白髓均观察到了顺行的病毒信号；此外电生理实验发现激活Ach^DMV神经元后可记录到脾神经的放电活动。以上的实验从结构上和功能上证实了Ach^DMV→spleen环路的存在。

图2. ACh^DMV神经元直接支配到脾脏

SNI 1-d mice ACh^DMV神经元活性增强，

SNI 4-w mice ACh^DMV 神经元活性降低

为了探究ACh^DMV 神经元是否参与疼痛状态下脾脏TH2细胞免疫反应，作者首先通过电生理验证SNI 1-d时投射到脾的Ach^DMV神经元放电活动增加，SNI 4-w时投射到脾的Ach^DMV神经元放电活动减少，深部钙成像记录也进一步发现SNI 1-d时投射到脾的Ach^DMV神经元的自发钙活动增强，SNI 4-w时自发g钙活动减弱。表明急性疼痛时ACh^DMV 神经元活性增强，慢性疼痛时ACh^DMV 神经元活性降低。

图3. SNI 1-d mice ACh^DMV 神经元活性增强

并且在抑制Ach^DM^V→spleen环路后可阻断SNI 1-d引起的TH2细胞的增加，而激活Ach^DMV→spleen环路后可阻断SNI 4-w引起的TH2细胞的减少。

图4. SNI 4w mice ACh^DMV 神经元活性降低

脑脾环路的功能连接

为进一步找到引起Ach^DMV神经元活动变化的原因，作者通过逆行病毒示踪发现Ach^DMV神经元主要接受初级躯体感觉皮层谷氨酸能神经元Glu^S1HL和中央杏仁核GABA能神经元GABA^CeA的支配。进一步病毒示踪和功能学实验证实了Glu^S1HL→ACh^DMV→spleen和GABA^CeA→ACh^DMV→spleen这两条环路的存在。

图5. 脑脾环路示踪

两条脑-脾环路对TH2细胞免疫反应的差异调控

基于以上示踪结果，作者利用在体双光子实验，在体光纤记录以及深部钙成像充分证明在SNI的疼痛小鼠中，Glu^S1HL→ACh^DMV→spleen环路在SNI 1-d活动增强，光抑制这条环路会显著降低SNI 1-d脾内TH2细胞的比例；

图6. Glu^S1HL→ACh^DMV→spleen环路调控SNI 1-d TH2细胞的比例

而GABA^CeA→ACh^DMV→spleen环路在SNI 4-w活动增强，光抑制这条环路会显著增加SNI 4-w脾内TH2细胞的比例。以上这些结果表明两条不同的神经环路参与调控急性和慢性疼痛时脾内TH2细胞的免疫反应。

图7. GABA^CeA→ACh^DMV→spleen环路调控SNI 4-w TH2细胞的比例

科研亮点

这项研究揭示了不同疼痛状态下脑调控免疫反应的差异机制。在短期疼痛状态下，脾脏TH2免疫细胞数量增加，而在长期疼痛状态下，脾脏TH2免疫细胞减少。并且通过病毒示踪确定了ACh^DMV到脾脏的直接投射。结合体内记录和光遗传学操作研究分别揭示了Glu^S1HL→ACh^DMV→脾脏和GABA^CeA→ACh^DMV→脾脏环路的存在，其中在急性疼痛时Glu^S1HL神经元活性增强导致脾脏TH2免疫细胞比例增加。而在慢性疼痛时导致GABA^CeA神经元激活导致小鼠脾脏TH2免疫细胞数量减少的现象。该文章首次阐释脑脾轴下行调控疼痛引起免疫反应的神经机制，为神经-免疫与中枢-外周领域提供坚实理论基础！

参考文献

Zhu X, Huang JY, Dong WY, Tang HD, Xu S, Wu Q, Zhang H, Cheng PK, Jin Y, Zhu MY, Zhao W, Mao Y, Wang H, Zhang Y, Wang H, Tao W, Tian Y, Bai L, Zhang Z. Somatosensory cortex and central amygdala regulate neuropathic pain-mediated peripheral immune response via vagal projections to the spleen. Nat Neurosci. 2024 Jan 30. doi: 10.1038/s41593-023-01561-8. Epub ahead of print. PMID: 38291284.