与年龄相关的疾病期间探索性活动抑制与脑膜淋巴功能障碍和小胶质细胞激活有关

Age-associated suppression of exploratory activity during sickness is linked to meningeal lymphatic dysfunction and microglia activation

作者信息Dylan H Goldman, Taitea Dykstra, Igor Smirnov, Susan M Blackburn, Sandro Da Mesquita, Jonathan Kipnis, Jasmin Herz
PMID37065770
期刊Nat Aging
发布时间2022-08
DOI10.1038/s43587-022-00268-y

实验完整度

高

包含行为学实验、组织学分析、单细胞RNA测序、细胞耗竭实验及基因操作等多个独立证据层级,并结合功能验证和机制探讨。

主要模型

成年雄性C57BL/6小鼠(2-4月龄) 老年雄性C57BL/6小鼠(24月龄) IL-1β KO小鼠 条件性基因敲除小鼠(Il1r1flox/flox与Syn1Cre、Cx3cr1CreER、GfapCreER杂交)

重点核对

脑膜淋巴管消融方法:使用Visudyne光动力消融,对照组为aCSF或Visudyne未光激活。 IL-1β腹腔注射剂量:成年小鼠1 μg,老年小鼠0.5 μg。 行为测试时间点:注射后1、2、3、6小时进行旷场测试。 小胶质细胞耗竭方法:PLX5622饲料处理2周。 数据统计分析:使用双因素或三因素方差分析,并报告了样本量和重复次数。

摘要

外周炎症会引发一组短暂、明确的行为变化,称为疾病行为,但源自外周、进入大脑的炎症信号改变大脑活动的机制仍不清楚。新出现的证据已确定脑膜淋巴管是中枢神经系统与免疫系统之间的重要接口,负责促进大脑溶质清除和脑脊液灌注。在此,我们证明脑膜淋巴管既协助小胶质细胞激活,也支持对外周炎症的行为反应。脑膜淋巴管消融导致对IL-1β诱导的炎症的行为反应增强,并减弱小胶质细胞的转录和形态表型。此外,我们的发现支持小胶质细胞在缓和疾病行为严重程度中的作用,且与衰老相关的脑膜淋巴功能障碍具有特定相关性。对脑髓系细胞的转录谱分析揭示脑膜淋巴功能障碍对小胶质细胞激活的影响。此外,我们证明在老年小鼠中实验性增强脑膜淋巴功能足以减少探索异常的严重程度,但不能减少愉悦性消费行为。最后,我们在对外周炎症作出反应的小胶质细胞中识别出实验性脑膜淋巴消融和衰老共有的失调基因和生物学通路,这些可能源于年龄相关的脑膜淋巴功能障碍。

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
外周炎症信号如何通过脑膜淋巴管影响大脑行为反应,以及这一过程与衰老的关系。
核心机制
脑膜淋巴管功能受损会导致小胶质细胞对IL-1β的激活反应减弱,而小胶质细胞的激活对于缓和IL-1β诱导的探索性活动抑制是必需的。
主要证据
脑膜淋巴管消融加剧IL-1β诱导的探索活动减少,并减弱小胶质细胞形态和转录激活;小胶质细胞耗竭加重了行为反应;增强老年小鼠脑膜淋巴功能改善了探索活动。
研究意义
本研究揭示了脑膜淋巴管在调节神经免疫通信和疾病行为中的新角色,为理解与年龄相关的活动减退及相关神经精神疾病提供了新视角,并为未来干预策略提供了潜在靶点。

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

建立脑膜淋巴管消融模型并诱导疾病行为

确定脑膜淋巴管消融是否影响外周IL-1β诱导的疾病行为。

通过脑池内注射Visudyne并进行光激活消融脑膜淋巴管,对照为aCSF或未光激活的Visudyne。7天后腹腔注射IL-1β或盐水,在不同的时间点进行旷场测试。

2

评估其他疾病行为(摄食、饮水和快感缺失)

确定脑膜淋巴管消融是否特异性地影响探索活动,而非其他疾病行为。

测量IL-1β注射后3小时和6小时的食物消耗,以及糖水偏好测试(12小时)。

3

检测外周IL-1β是否进入大脑并发挥信号作用

确定外周IL-1β是否必须通过大脑内源性IL-1β来影响行为。

使用IL-1β KO小鼠,腹腔注射IL-1β,评估探索活动。另外,通过条件性敲除不同脑细胞类型中的IL-1R1,测试其对行为的影响。

4

分析脑膜淋巴管消融后小胶质细胞的形态和转录变化

确定脑膜淋巴管消融是否影响小胶质细胞的激活状态。

在腹腔注射IL-1β或盐水后2小时,收集脑组织,进行免疫组化和单细胞RNA测序分析。

5

测试小胶质细胞耗竭对疾病行为的影响

确定小胶质细胞在介导IL-1β诱导的疾病行为中的作用。

使用PLX5622饲料耗竭小胶质细胞和巨噬细胞2周,然后腹腔注射IL-1β并评估探索活动。

6

比较衰老与脑膜淋巴管消融对小胶质细胞转录的影响

确定衰老是否模拟脑膜淋巴管消融对小胶质细胞的影响。

对24月龄老年小鼠,在IL-1β或盐水注射后2小时分离CD11b+细胞进行单细胞RNA测序,并与成年小鼠数据整合分析。

7

增强老年小鼠脑膜淋巴功能并评估行为改善

确定增强脑膜淋巴功能是否可以改善老年小鼠IL-1β诱导的探索活动抑制。

通过脑池内注射AAV1-CMV-VEGF-C或对照载体(AAV1-CMV-LacZ/GFP)增强淋巴功能,1个月后进行行为测试。

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
维速达尔Bausch HealthNDC
重组小鼠IL-1βPeproTech211-11B
相干Opal光活化器Lumenis--
抗Iba1抗体Abcamab5076
抗Lyve1-eFluor660抗体eBioscience50-0443
DAPI----
Aqua-Mount封片剂Thermo Fisher ScientificTA125
Prolong Gold封片剂Thermo Fisher ScientificP36931
奥林巴斯FV1200激光扫描共聚焦显微镜Olympus--
奥林巴斯VS200数字切片扫描仪Olympus--
EthoVision XT软件Noldus--
ExcelMicrosoft--
PrismGraphPad--
蔗糖VWRSS1020
PLX5622PlexxikonD1100404i
小鼠IL-1β ELISA试剂盒InvitrogenBMS611
CD11b磁珠Miltenyi130-126-725
AutoMACSMiltenyi130-092-545
10x Genomics Chromium平台10x Genomics--
Illumina NextSeq测序仪Illumina--
Chromium单细胞3'文库和凝胶珠试剂盒v210x Genomics--
Hank's平衡盐溶液Sigma-AldrichH9269
DNase IThermo Fisher ScientificEN051
木瓜蛋白酶Worthington BiochemicalLS003126
AAV-BR1-CAG-CreVector BioLabs--
AAV-BR1-CAG-GFPVector BioLabs--
AAV1-CMV-VEGF-CVector BioLabs--
AAV1-CMV-LacZVector BioLabs--
鸡抗山羊IgG Alexa Fluor 647InvitrogenA21469
酮洛芬Zoetis140-269
拜有利Bayer9012
肝素Sagent400-30
磷酸盐缓冲液Gibco14190-136
OCT包埋剂Thermo Fisher Scientific23-730-571
吐温-20Thermo Fisher ScientificBP337-500
Triton X-100Thermo Fisher ScientificBP151-500
鸡血清Sigma-AldrichC5405

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
脑膜淋巴管消融
小鼠品系、年龄、性别;Visudyne剂量和注射方式;光激活参数(波长、强度、时间、点数);对照处理(aCSF或Visudyne未光激活);术后恢复时间。
阅读提示:Methods中的Meningeal lymphatic ablation和Intra-cisterna magna injections小节
IL-1β诱导的疾病行为
IL-1β剂量(成年1 μg,老年0.5 μg)和注射途径(腹腔注射);注射后行为测试时间点(1、2、3、6小时);旷场箱尺寸和测试时间;每组样本量。
阅读提示:Methods中的IL-1β-induced sickness behavior和Open field test小节
小胶质细胞形态分析
脑组织固定和切片方法;Iba1抗体浓度;Sholl分析参数;每组分析的细胞数。
阅读提示:Methods中的Immunohistochemistry和Open field test小节,以及图2a,b图注
单细胞RNA测序
组织采集时间(注射后2小时);CD11b+细胞分离方法;建库试剂盒和测序平台;数据过滤标准;差异表达分析方法和阈值。
阅读提示:Methods中的Microglia isolation and single-cell sequencing和Single-cell RNA-sequencing analysis小节
小胶质细胞耗竭
PLX5622饲料浓度和处理时间(2周);对照组饲料;耗竭验证方法;行为测试时间。
阅读提示:Methods中的Microglia and macrophage depletion小节
增强脑膜淋巴功能
AAV血清型和启动子;注射剂量(10^13基因组拷贝)和途径(脑池内注射);表达时间(1个月);对照组载体;行为测试时间。
阅读提示:Methods中的AAV delivery和Intra-cisterna magna injections小节
行为测试条件
实验环境条件(光照、温度、湿度);动物适应性时间;行为测试箱的清洁;盲法设置;统计分析方法和多重比较校正。
阅读提示:Methods中的Behavioral testing and analysis和Statistical analysis and reproducibility小节