单核细胞浸润诱导中枢神经系统精氨酸分解代谢以促进神经炎症

Monocyte infiltration induces CNS arginine catabolism to fuel neuroinflammation

作者信息Martina Kerndl, Laszlo Musiejovsky, Andrea Komljenovic, Hon Shing Lam, Andrea Vogel, Tobias Bausbacher, Christian J Riedl, Roko Sango, Lenka Matejovicova, Anja Dobrijevic, Laura Oberbichler, Melanie Hofmann, Markus Kieler, Lucia Quemada Garrido, Lara Veronika Perko Budja, Julia Stefanie Brunner, James Lucas Cairns, Paul Cheng, Kerstin Kitt, Christine Isaguirre, Thomas Köcher, Kristaps Klavins, Thomas Rattei, Simon Hametner, Stephan Blüml, Carsten Hopf, Ryan D Sheldon, Omar Sharif, Gernot Schabbauer
PMID42151478
发布时间2026-07
DOI10.1038/s41590-026-02516-4

实验完整度

包含EAE小鼠模型、条件性基因敲除、代谢组学、质谱成像、人类MS样本等多层级实验,并进行功能验证(基因敲除改善疾病)和机制验证(精氨酸代谢影响氧化应激)。

主要模型

EAE小鼠模型 骨髓来源巨噬细胞(BMDMs) 多发性硬化症患者脑组织 R26tdTomatoCcr2-CreERT2Arg1-eYFP小鼠

重点核对

EAE诱导:MOG35-55皮下免疫,CFA和百日咳毒素 基因敲除:Arg1fl/flCx3cr1-Cre和Arg1fl/flCcr2-CreERT2小鼠 代谢组学和MALDI-MSI分析脊髓和CSF BMDM刺激:LPS/GM-CSF组合 饮食精氨酸缺乏:对照饮食和缺精氨酸饮食

摘要

炎症反应与单核细胞来源细胞(Mdcs)向组织募集相关。尽管组织特异性Mdc重编程已确立,但Mdc浸润如何改变组织代谢仍不清楚。在此,利用小鼠神经炎症模型结合遗传命运图谱、代谢组学和代谢物成像,我们确定中枢神经系统(CNS)Mdc浸润与显著的代谢变化相关,并鉴定了与疾病相关的代谢物。特别是,我们发现由病变相关的表达精氨酸酶1(Arg1)的Mdcs驱动的精氨酸分解代谢增强促进氧化损伤、脂质积累和Mdc功能障碍。神经炎症期间Mdc内的遗传性ARG1缺陷增加了细胞外精氨酸,并与CNS代谢格局的重塑相关,包括疾病相关代谢物的减弱。这伴随着Mdc驱动的抗炎增强、调节性T细胞扩增和疾病结局改善。在饮食精氨酸缺乏时观察到相反效应。总之,我们的工作强调了Mdcs在CNS代谢中的关键作用,并揭示了精氨酸在神经炎症中的多效性有益效应。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
单核细胞来源细胞浸润如何影响中枢神经系统代谢,并影响神经炎症?
核心机制
病变相关的ARG1+ Mdcs通过精氨酸酶1分解精氨酸,导致局部精氨酸缺乏,增强氧化应激、脂质过氧化和LDAM样表型,促进炎症和疾病进展。
主要证据
EAE小鼠模型结合遗传命运图谱鉴定ARG1+ Mdcs;靶向代谢组学和MALDI-MSI显示精氨酸减少、下游代谢物增加;Arg1条件性敲除重建精氨酸并改善疾病,饮食精氨酸缺乏恶化疾病。
研究意义
作者提出精氨酸分解代谢是神经炎症中Mdc驱动的代谢紊乱,揭示精氨酸的多效性保护作用,可能作为治疗靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

EAE小鼠模型建立与代谢物分析

鉴定EAE发病进展中的中枢神经系统代谢变化及其与单核细胞浸润的关系。

C57BL/6J小鼠免疫MOG35-55诱导EAE,收集健康、发病高峰期和恢复期的脊髓和CSF进行靶向代谢组学,并分析免疫细胞浸润。

2

ARG1+ Mdcs的鉴定与功能分析

确定精氨酸分解代谢是否由ARG1+ Mdcs驱动,并表征这些细胞的表型。

使用Arg1-eYFP报告小鼠、命运图谱小鼠和流式细胞术鉴定ARG1+ Mdcs;通过RNA-seq、scRNA-seq分析和脂质染色评估其转录组和代谢特征。

3

空间定位和代谢物成像

验证ARG1+细胞是否位于病变部位并与精氨酸分解代谢共定位。

免疫荧光和MALDI-MSI分析脊髓病变区域ARG1表达和尿素循环代谢物分布。

4

ARG1功能验证

验证ARG1在Mdcs中的作用是否影响神经炎症结局。

通过Arg1fl/flCx3cr1-Cre和Arg1fl/flCcr2-CreERT2小鼠条件性敲除ARG1,诱导EAE,评估临床评分、代谢物变化和免疫细胞表型。

5

饮食精氨酸缺乏实验

验证精氨酸缺乏是否促进神经炎症和Mdc功能障碍。

给小鼠喂食对照或缺乏精氨酸的饮食,诱导EAE,评估疾病严重程度、脂质过氧化和免疫细胞变化。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
MOG35-55肽段Charité--
完全弗氏佐剂MerckF5506-10X10ML
百日咳毒素List/Quadratech181
百日咳毒素Hooke LaboratoriesBT-0105
他莫昔芬饮食ENVIGOTD.55125IC
缺精氨酸饮食Research DietsA10036
组织解离试剂盒Miltenyi Biotec130-110-201
木瓜蛋白酶Sigma-AldrichP4762
脱氧核糖核酸酶IRoche11284932001
胶原酶/分散酶Sigma-Aldrich10269638001
Percoll梯度Sigma-AldrichP1644
碎片去除溶液Miltenyi Biotec130-109-398
巨噬细胞集落刺激因子R&D Systems416-ML-050
RPMI-1640培养基Gibco61870-044
细胞剥离液Corning15313661
脂多糖Invivogentlrl-3pelps
干扰素γMiltenyi Biotec130-105-774
粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子R&D Systems415-ML-050
白细胞介素-4Miltenyi Biotec130-097-761
白细胞介素-13Miltenyi Biotec130-094-070
重组ARG1Bio CancerPEG-BCT-100
可固定活力染料Invitrogen65-0865-14
抗ARG1-PE抗体Invitrogen12-3697-80
抗ARG1-APC抗体Invitrogen17-3697-82
抗iNOS-PE抗体Invitrogen12-5920-82
抗iNOS-PE-Cy5.5抗体Invitrogen12-5920-80
抗IL-10-APC抗体Invitrogen17-7101-82
抗TGFβ1-PE抗体Biolegend141403
抗HO-1-AF647抗体Abcamab237268
脂质染料InvitrogenH34477
C11-BODIPY荧光探针InvitrogenD3861
CellRox氧化应激探针InvitrogenC10422
CytoFLEX S流式细胞仪Beckman Coulter--
FACSAria Fusion分选仪BD Biosciences--
安捷伦6470三重四极杆质谱仪Agilent--
Cortecs T3色谱柱Waters186008500
抗ARG1抗体InvitrogenPA5-85267
抗CD68抗体DakoM0814
链霉亲和素-Cy3Jackson ImmunoResearch016-160-084
DAPI染料Thermo Fisher ScientificD1306
抗IBA1抗体FujiFilm Wako019-19741
抗GFAP抗体Agilent DakoZ0334
抗SMI32抗体Sternberger Monoclonals801701
FlexAble试剂盒ProteintechKFA503

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
EAE诱导
MOG35-55剂量、CFA乳化比例、百日咳毒素剂量和给药时间
阅读提示:Methods:EAE induction
BMDM培养和刺激
M-CSF浓度、刺激细胞因子组合和浓度、作用时间
阅读提示:Methods:BMDM culture and stimulations
代谢组学
样品处理、色谱方法和质谱参数
阅读提示:Methods:Targeted metabolomics of CSF and spinal cord tissue
流式细胞术
抗体克隆、稀释倍数、染色时间和温度
阅读提示:Methods:Flow cytometry and cell sorting
基因敲除小鼠
Cre品系、他莫昔芬处理方案
阅读提示:Methods:Experimental animals 和 EAE induction