神經(jīng)上皮細(xì)胞是鼻腔的表面屏障，上面聚集著嗅覺感受器神經(jīng)元，這些神經(jīng)元能夠結(jié)合進(jìn)入鼻腔氣道中的氣味分子，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)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(jīng)上皮細(xì)胞是微生物感染的重災(zāi)區(qū)，不過呼吸道的感染很少會(huì)造成腦炎，這說明免疫系統(tǒng)一直在這里盡職盡責(zé)地守護(hù)，但其機(jī)制卻一直沒有得到深入的研究。

 

近日，美國(guó)國(guó)家神經(jīng)疾病和中風(fēng)研究所（NINDS）的研究人員發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞在大腦抗病毒感染中的重要作用，小膠質(zhì)細(xì)胞不需要感染即可在MHC I上呈遞抗原并參與從神經(jīng)元中清除病毒，該研究發(fā)表在Science Immunology上。

 

 

1. 模型的構(gòu)建及免疫細(xì)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(jīng)元進(jìn)入大腦的病毒，可以通過鼻腔感染動(dòng)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(jìn)駐嗅神經(jīng)層（olfactory nerve layer, ONL）；嗅球（olfactory bulb, OB）中的病毒滴度也是在第6天達(dá)到了最高。所以后期的實(shí)驗(yàn)都是在病毒入侵6天后進(jìn)行的。

 

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

 

圖1. 免疫細(xì)胞增殖趨勢(shì)圖

 

2. 誰(shuí)是真正的戰(zhàn)斗力

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

 

T細(xì)胞不但抑制病毒的數(shù)量，也對(duì)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(xì)胞功能和數(shù)量的關(guān)鍵。

 

圖2. T細(xì)胞的保護(hù)作用

 

3. T細(xì)胞遷移速度為何降低

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

 

當(dāng)T細(xì)胞結(jié)合組織相容性抗原I（MHC I）時(shí)會(huì)產(chǎn)生快速的胞內(nèi)鈣信號(hào)，于是，利用鈣成像技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)病毒特異性的CD8+T細(xì)胞的鈣信號(hào)活動(dòng)會(huì)增強(qiáng)，同時(shí)CD8+T細(xì)胞遷移的速度和鈣流的活躍程度負(fù)相關(guān)。如果將MHC I分子敲除，也會(huì)造成CD8+T細(xì)胞中鈣信號(hào)活動(dòng)的減弱。CD8+T細(xì)胞是通過MHC I與另一細(xì)胞連接的。

 

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

 

圖3. 激活T細(xì)胞的是一種未被感染的細(xì)胞類型

 

4. 小膠質(zhì)細(xì)胞的改變

那么究竟是哪種細(xì)胞上的MHC I分子為T細(xì)胞呈遞著抗原呢？如果對(duì)比OB區(qū)的小膠質(zhì)細(xì)胞表面不同分子的表達(dá)情況，可以看到最明顯的區(qū)別在MHC I分子上，單個(gè)小膠質(zhì)細(xì)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(jīng)過病毒感染6天后小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞上的MHC I數(shù)量改變幅度最大。此外，雙光子檢測(cè)到鈣流的VSV特異性T細(xì)胞中，大部分都是與小膠質(zhì)細(xì)胞接觸的，說明小膠質(zhì)細(xì)胞很可能是引起這些CD8+T細(xì)胞產(chǎn)生鈣信號(hào)的關(guān)鍵。

 

圖4. 小膠質(zhì)細(xì)胞激活細(xì)胞中的鈣流

 

5. 小膠質(zhì)細(xì)胞收集并將病毒感染的抗原交給T細(xì)胞

接下來對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的功能進(jìn)行檢測(cè)。在VSV感染6天后OB區(qū)的小膠質(zhì)細(xì)胞上可以發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元的碎片，占所有小膠質(zhì)細(xì)胞比例的5%左右；另一方面，定量檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)OB中有病毒抗原的小膠質(zhì)細(xì)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(gòu)建），抑制小膠質(zhì)細(xì)胞，則病毒特異性激活的T細(xì)胞數(shù)量顯著降低，同時(shí)這些細(xì)胞的鈣流活動(dòng)也明顯減弱。此外，采用PLX3397抑制小膠質(zhì)細(xì)胞后也發(fā)現(xiàn)了OB中病毒含量的上升以及小鼠死亡速度的加快。

 

這些結(jié)果說明小膠質(zhì)細(xì)胞就是能捕獲病毒并向CD8+T+細(xì)胞交叉呈遞病毒抗原的細(xì)胞。

 

圖5. 小膠質(zhì)細(xì)胞是抗原交叉呈遞的關(guān)鍵

 

綜上，該研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞通過將抗原交叉呈遞給非細(xì)胞溶解性清理神經(jīng)元的抗病毒T細(xì)胞來提供針對(duì)神經(jīng)侵染型病毒感染的第一道防線，而破壞這種自主免疫反應(yīng)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