小胶质细胞介导的 T 细胞浸润驱动 tau 病变中的神经退行性变

Microglia-mediated T cell infiltration drives neurodegeneration in tauopathy

作者信息Xiaoying Chen, Maria Firulyova, Melissa Manis, Jasmin Herz, Igor Smirnov, Ekaterina Aladyeva, Chanung Wang, Xin Bao, Mary Beth Finn, Hao Hu, Irina Shchukina, Min Woo Kim, Carla M Yuede, Jonathan Kipnis, Maxim N Artyomov, Jason D Ulrich, David M Holtzman
PMID36890231
期刊Nature
发布时间2023-03
DOI10.1038/s41586-023-05788-0

实验完整度

高

包含多层级证据:单细胞测序、免疫组化、细胞共培养、抗体清除/中和、动物行为学及人类样本验证,功能验证与机制验证完备。

主要模型

P301S tau 转基因小鼠 (TE4, TE3) Aβ 沉积小鼠 (A/PE4, 5xFAD) AD 患者脑组织 (Braak 分期)

重点核对

TE4 小鼠 9.5 月龄出现脑萎缩及 T 细胞浸润 T 细胞清除 (anti-CD4/CD8) 可减轻脑萎缩、tau 病理及行为缺陷 小胶质细胞清除 (PLX3397) 可减少 T 细胞浸润及 tau 病理 中和 IFN-γ 或 PD-1 抗体可改善脑萎缩 AD 患者高 Braak 分期脑区 T 细胞数量显著增加

摘要

细胞外淀粉样蛋白-β (Aβ) 沉积形成神经炎性斑块,以及细胞内过度磷酸化、聚集的 tau 蛋白形成神经原纤维缠结,是阿尔茨海默病 (AD) 的两个特征性标志。AD 中脑萎缩的区域性进展与 tau 蛋白积累高度相关,但与淀粉样蛋白沉积无关,且 tau 介导的神经退行性变的机制仍不清楚。先天免疫反应代表了一些神经退行性疾病发生和进展的共同通路。迄今为止,在存在 Aβ 或 tau 病理的情况下,关于适应性免疫反应及其与先天免疫反应相互作用程度和作用知之甚少。我们系统比较了具有淀粉样蛋白沉积或 tau 蛋白聚集和神经退行性变的小鼠大脑中的免疫环境。我们发现,患有 tau 病变而非淀粉样变性的小鼠发展出独特的先天性和适应性免疫反应,并且清除小胶质细胞或 T 细胞可阻断 tau 介导的神经退行性变。T 细胞,尤其是细胞毒性 T 细胞,在 tau 病变小鼠和 AD 大脑中 tau 病理区域显著增加。T 细胞数量与神经元丢失程度相关,并随着独特的 TCR 克隆扩增,将其细胞特征从激活状态动态转变为耗竭状态。抑制 IFN-γ 和 PD-1 信号均显著改善脑萎缩。因此,我们的结果揭示了一个涉及活化小胶质细胞和 T 细胞反应的、与 tau 病变和神经退行性变相关的免疫枢纽,这可能作为预防 AD 和原发性 tau 病变中神经退行性变的治疗靶点。

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
tau 蛋白病变而非淀粉样蛋白病变引起的神经退行性变是否与特定的适应性免疫反应有关,以及这种免疫反应如何在其中发挥作用?
核心机制
tau 病变中,活化的小胶质细胞(表达 MHCII、CD11c)通过产生趋化因子等将 T 细胞招募至脑实质,T 细胞(特别是 CD8+ T 细胞)在局部扩增并分泌 IFN-γ,进一步激活小胶质细胞,形成促进 tau 病理和神经元损伤的免疫枢纽。
主要证据
单细胞 RNA 测序及 TCR 测序显示 tau 病变小鼠脑内活化/耗竭 T 细胞克隆扩增;清除小胶质细胞或 T 细胞均能减轻脑萎缩、tau 病理和行为缺陷;中和 IFN-γ 或阻断 PD-1 亦可改善脑萎缩;在 AD 患者脑组织中观察到与 tau 病理相关的 T 细胞增加。
研究意义
该研究提示靶向小胶质细胞与 T 细胞相互作用的免疫枢纽可能成为预防 AD 和原发性 tau 病变中神经退行性变的治疗策略。

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

模型建立与病理表型评估

确定不同病理模型(淀粉样蛋白 vs tau 病变)是否表现出不同的脑萎缩和神经退行性变表型。

对 9.5 月龄的 E4、TE4、A/PE4、5xE4 小鼠进行脑体积分析、NeuN 和 MBP 染色,评估神经元丢失和髓鞘变化。

2

免疫微环境图谱描绘

通过单细胞测序全面比较不同病理状态下脑实质和脑膜中的免疫细胞组成。

对脑实质 CD45Total 和 CD45high 细胞以及脑膜 CD45Total 细胞进行单细胞免疫 RNA 测序,分析免疫细胞类型和比例。

3

T 细胞浸润与病理相关性分析

验证 tau 病理是否伴随 T 细胞浸润,并分析其与神经元损伤的相关性。

通过免疫组化检测不同小鼠和人脑组织中的 CD3+ T 细胞,并与小胶质细胞(Iba1)及神经元标志物进行共定位和相关性分析。

4

T 细胞亚群及动态变化分析

明确浸润 T 细胞的亚群构成及其在 tau 病变中的状态转变。

利用单细胞 TCR 测序和轨迹分析,对脑实质和脑膜中的 CD4+ 和 CD8+ T 细胞进行亚群分类,分析其克隆扩增和活化/耗竭状态。

5

小胶质细胞状态与 T 细胞相互作用分析

探究 tau 病变中小胶质细胞的活化状态及其与 T 细胞相互作用的机制。

对小胶质细胞进行亚群分类,检测 MHCII、CD11c 等标志物表达,并通过细胞共培养和配体-受体分析验证其抗原呈递和相互作用。

6

功能验证:细胞清除与信号阻断

验证小胶质细胞和 T 细胞在 tau 介导神经退行性变中的必要性和机制。

使用 PLX3397 清除小胶质细胞,使用抗 CD4/CD8 抗体清除 T 细胞,使用抗 IFN-γ 或抗 PD-1 中和抗体阻断信号,评估脑萎缩、tau 病理和行为学改变。

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
P301S tau 转基因小鼠Jackson Laboratory008169
ApoE 敲除小鼠Jackson Laboratory002052
OT-I 小鼠Jackson Laboratory003831
B6.SJL-Ptprca Pepcb/BoyJ 小鼠Jackson Laboratory002014
苏丹黑Sigma-Aldrich199664-25G
Floromount-G 封片剂Southern Biotech0100-01
徕卡 SM2010 切片机Leica--
滨松 NanoZoomer 显微镜Hamamatsu--
AT8 生物素化抗体Thermo Fisher ScientificMN1020B
VECTASTAIN Elite ABC-HRP 试剂盒Vector LaboratoriesPK-6100
cytoseal60 封片剂Thermo Fisher Scientific8310-4
prolong gold 抗淬灭封片剂InvitrogenP36930
抗 CD3 抗体Novus BiologicalsNB600-1441
抗 CD8 抗体InvitrogenMA1-145
抗 Iba1 抗体Wako019-19741
抗 Iba1 抗体Abcamab5076
抗 AT8 抗体InvitrogenMN1020B
抗 Aβ 抗体--HJ3.4B
抗 P2ry12 抗体----
抗 NeuN 抗体Abcamab177487
抗 MBP 抗体Abcamab7349
抗 MHCII 抗体BioLegend107650
X34 染料Sigma-Aldrich1954-25MG
抗 CD206 抗体Bio-RadMCA2235
Hoechst 染料Sigma-Aldrich94403
驴抗大鼠 488 二抗InvitrogenA21208
驴抗兔 405 二抗InvitrogenA48258
驴抗兔 568 二抗InvitrogenA10042
链霉亲和素 568InvitrogenS11226
驴抗山羊 647 二抗InvitrogenA21447
蔡司 LSM800 显微镜Zeiss--
PLX3397(CSF1R/c-kit/FLT3 抑制剂)SelleckChem--
抗小鼠 IFN-γ 抗体Leinco TechnologiesI-1190
对照 IgGLeinco TechnologiesP376
抗 PD-1 抗体Bio X CellBP0146
IgG 同型对照Bio X CellBP0089
抗 CD4 抗体Bio X CellBP0003-1
抗 CD8 抗体Bio X CellBP0061
IgG 同型对照Bio X CellBP0090
裂解缓冲液Thermo Fisher Scientific78503
Micro BCA 蛋白定量试剂盒Thermo Fisher Scientific23235
光电活动监测仪Hamilton-Kinder--
场景恐惧条件反射箱Med-Associates--
FreezeFrame 图像分析软件Actimetrics--
NF-Light Simoa 检测试剂盒Quanterix--
FACsAria II 流式细胞分选仪BD Biosciences--
10X Genomics Chromium 平台10x Genomics--
Chromium 单细胞 5' 文库制备试剂盒 V210x Genomics--
Illumina NovaSeq6000 测序仪Illumina--
Liberase TM 消化酶Roche5401119001
透明质酸酶Sigma-AldrichH3506
脱氧核糖核酸酶 IRoche10104159001
RPMI1640 培养基Gibco11875093
CD11c 磁珠Miltenyi Biotec130-125-835
初始 CD8α+ T 细胞分选试剂盒Miltenyi Biotec130-096-543
CellTrace Violet 细胞增殖染料Thermo Fisher ScientificC34571
卵清蛋白Worthington BiochemicalLS003049
U 底 96 孔板Corning07-200-720
eBioscience FOXP3/转录因子染色试剂盒Invitrogen00-5523-00
LIVE/DEAD 可固定 Aqua 死细胞染色试剂盒InvitrogenL34966A
TruStain FcX PLUS (抗小鼠 CD16/CD32)BioLegend156604
BD Symphony A3 流式细胞仪BD Biosciences--
抗 CD16/32 抗体BioLegend--
抗 CD45 抗体BioLegend30-F11
抗 CD19 抗体BioLegend6D5
抗 CD3 抗体BioLegend145-2C11
抗 CD44 抗体BioLegendIM7
抗 CD4 抗体BioLegendPM4-5
抗 CD8 抗体BD Biosciences53-6.7
抗 FOXP3 抗体InvitrogenFJK-16s
FACS CantoII 流式细胞仪BD Biosciences--
抗 CD11b 抗体BioLegendM1/70
抗 I-A/I-E 抗体BioLegendM5/114.15.2
抗 TCRVβ5 抗体BioLegendMR9-4
抗 TCRVα2 抗体BioLegendB20.1
抗 CD45.2 抗体BioLegend104
抗 CD45.1 抗体BioLegendA20
抗 CD8α 抗体BioLegend53-6.7
抗 CD62L 抗体BioLegendMEL-14

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
动物模型
小鼠品系(P301S tau 转基因小鼠、ApoE 敲入/敲除小鼠)、基因型、性别、年龄
阅读提示:Online-only Methods - Animals 部分
体积分析
脑区定位(bregma 坐标)、切片厚度、采样间隔、染色方法
阅读提示:Online-only Methods - Volumetric analysis 部分
免疫组化/免疫荧光
一抗/二抗的克隆号、稀释比例、抗原修复条件,图像采集和分析方法
阅读提示:Online-only Methods - Immunohistochemistry 部分
小胶质细胞/ T 细胞清除/阻断
药物(PLX3397)或抗体(αCD4、αCD8、αIFN-γ、αPD-1)的给药剂量、频率、时间窗和给药途径
阅读提示:Online-only Methods - PLX3397 formulation and supplement、IFN-γ treatment、Anti-PD-1 treatment、T cell depletion 部分
行为学测试
测试设备、实验流程、参数设置(如声音、电击强度)、统计方法
阅读提示:Online-only Methods - Behavior tests 部分
体外抗原呈递实验
细胞分离方法、共培养比例、OVA 浓度、IFN-γ 浓度、培养时间
阅读提示:Online-only Methods - Microglia antigen presentation in vitro assay 部分
单细胞测序数据分析
测序平台、分析软件版本、质控参数、聚类分辨率
阅读提示:Online-only Methods - Single cell immune sequencing 和 Single cell data processing and TCR analysis 部分