创伤性脑损伤后早期肠道微生物群的耗竭对少突胶质细胞反应的影响

2024-07-31 Wed
脑外伤后肠道微生物群对白质修复的作用研究——《Journal of Neuroinflammation》分析引言每年，美国约有170万人经历创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury, TBI），其中超过500万人面临与TBI相关的残疾问题。这些非致命性TBI每年在美国的总体健康成本估计超过400亿美元。创伤性白质损伤（White Matter Injury, WMI）被认为是TBI幸存者长期认知功能障碍的主要原因。研究表明，髓鞘在中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）中的再生主要依赖于少突胶质细胞前体细胞（Oligodendrocyte Lineage Cells, OLCs）的新生。而在TBI发生后成熟的少突胶质细胞（Oligodendrocytes）很难贡献于再髓鞘形成。
近年来，肠道微生物群（Gut Microbiota）对神经发生、髓鞘形成及其功能和行为结果的影响引起了广泛关注，这种复杂的相互作用被称为肠脑轴（Gut-Brain Axis）。已有研究表明，TBI后肠道微生物群变化影响了肠道的炎症反应，调节了入侵外周的免疫细胞。这些因素可能对TBI后的恢复产生重要影响，但其具体机制尚未完全阐明。因此，本研究提出假设：肠道微生物群在调节少突胶质细胞对创伤性白质损伤反应中起关键作用，影响T细胞的分化和激活。
研究来源本研究由Kirill Shumilov、Allen Ni、Maria Garcia-Bonilla、Marta Celorrio和Stuart H. Friess等人撰写，分别来自弗吉尼亚联邦大学和华盛顿大学圣路易斯医学院等研究机构。论文发表在2024年《Journal of Neuroinflammation》上。
研究方法实验流程研究使用C57BL/6J小鼠和TCRβ−/−TCRδ−/−小鼠，后者缺乏αβ和γδT细胞受体。首先对小鼠进行控制性皮质撞击（Controlled Cortical Impact, CCI），随后通过饮用水中添加广谱抗生素（包括万古霉素、硫酸新霉素、氨苄青霉素和甲硝唑，简称VNAM）进行肠道微生物的清除。为进一步验证微生物群的影响，还进行了粪便微生物移植（FMT）实验。采集处理后的粪便，将其移植至无菌小鼠体内，再进行CCI。通过免疫组织化学和黑金II染色法（Black Gold II Staining）评估白质修复情况。
实验细节动物模型与试剂实验小鼠包括8周龄C57BL/6J小鼠和TCRβ−/−TCRδ−/−小鼠。
抗生素处理水的制备：在500毫升无菌过滤水中加入250毫克万古霉素、500毫克硫酸新霉素、500毫克氨苄青霉素、500毫克甲硝唑和10克葡萄味Kool-Aid。
实验步骤控制性皮质撞击（CCI）：在麻醉状态下使用电子撞击器对小鼠进行脑部冲击，随后进行抗生素处理。
粪便微生物移植（FMT）：采取VNAM处理后的粪便，悬浮于磷酸盐缓冲液（PBS）并移植到无菌小鼠体内。
CD3单克隆抗体注射：通过腹腔注射抑制T细胞表达，注射抗小鼠CD3ε抗体。
组织处理及免疫组化：通过冷冻切片和荧光标记组织观察少突胶质细胞的增殖和髓鞘修复情况。
流式细胞术及细胞共培养：从脾脏分离T细胞，与少突胶质细胞共培养，分析细胞间相互影响。
主要研究结果肠道微生物群耗竭对白质修复的长期影响研究发现，TBI后三个月，早期肠道微生物群耗竭明显减少白质的再髓鞘形成。这表现在损伤周围胼胝体的髓鞘化区域比例显著降低。
少突胶质细胞增殖和髓鞘碎片堆积在TBI后一周，肠道微生物群的耗竭显著抑制了少突胶质细胞的增殖，并增加了髓鞘碎片的堆积。这表明肠道微生物群对少突胶质细胞的增殖有关键调控作用。
T细胞在肠-脑通讯中的作用通过药理学和基因剔除法去除T细胞后，尽管肠道微生物群被耗竭，但少突胶质细胞的增殖和髓鞘化恢复正常。这说明T细胞是肠道微生物群通过肠-脑轴影响白质修复的重要环节。
细胞共培养实验在体外共培养系统中，与肠道微生物群耗竭后的小鼠T细胞共同培养，少突胶质细胞的增殖显著抑制，并且这一抑制作用需要直接细胞接触。同时，髓鞘形成调节性因子的表达变化表明少突胶质细胞可能发挥免疫调节作用。
研究结论本研究证实了肠道微生物群通过调控T细胞的分化和激活，影响TBI后的白质修复。发现少突胶质细胞在神经炎症和退行性环境中并非被动的，而是可以积极调节免疫反应。此外，肠道微生物群在TBI后通过影响T细胞，间接调控少突胶质细胞的增殖和髓鞘形成。这为未来开发肠道微生物群相关的白质修复治疗提供了新的思路。
研究亮点揭示了肠道微生物群在脑外伤修复中的关键调节作用。
提出了少突胶质细胞在神经炎症中的主动调节作用，扩展了对少突胶质细胞功能的认识。
通过细胞共培养实验进一步解析了T细胞和少突胶质细胞的相互作用机制。
研究意义本研究通过多途径和多层次的实验设计，深入揭示了肠道微生物群、T细胞和少突胶质细胞之间复杂的相互作用。这不仅为创伤性脑损伤后的治疗提供了新的研究方向，也为理解肠-脑轴在其他神经系统疾病中的作用奠定了基础。
未来展望未来研究应进一步探讨细菌代谢产物在调节T细胞和少突胶质细胞功能中的具体机制。此外，长时间、多维度的实验数据和更多临床实践验证，将有助于将这一发现转化为实际的治疗策略。对于不同性别和年龄的小鼠模型以及更接近临床实际的创伤模型的研究，也将有助于提高研究的适用性和准确性。