Science Immunology：小胶质细胞帮助大脑对抗病毒感染

　　

冬天的早晨，当你走在寒冷的街头，往往会被烤红薯的香味所吸引。那是因为鼻腔内的嗅觉感觉神经元（OSN）会对吸入的气味作出反应，并将此信息发送到大脑中一个称为嗅球（OB）的区域。

按理说，这些神经元暴露在外部环境中，容易成为病毒攻击的目标，但实际上，病毒性呼吸道感染很少从嗅球传播到大脑的其他部位，引起致命性脑炎。这表明此区域的免疫系统很擅长保护大脑，但具体的机制尚不清楚。

近日，美国NIH下属国家神经疾病和中风研究所（NINDS）的研究人员确定了小胶质细胞在大脑抗病毒感染中的重要作用。这种机制可以让感染局限于嗅球，并保护嗅球的神经元免受损伤。这项成果于6月发表在《Science Immunology》杂志上。

鼻腔VSV感染引发强烈的免疫反应

在这项研究中，研究人员采用水泡性口炎病毒（VSV）作为模型来研究鼻腔感染，因为这种病毒能够优先靶定嗅觉上皮细胞（OE）。为了精确了解嗅觉上皮细胞感染后病毒如何侵入中枢神经系统，他们向小鼠鼻腔注射了表达DsRed的VSV。通过共聚焦成像，他们观察到病毒在第六天侵入嗅神经层，而嗅球中的病毒滴度也在第六天达到了最高。

在稳定状态下，嗅球受到常驻的小胶质细胞的保护；然而，VSV的突然入侵也引发了周围免疫细胞的大量涌入。最初的三天主要是以嗜中性粒细胞和NK细胞为主，之后则被CD8+ T细胞和Ly6Chi单核细胞所取代，CD4+ T细胞也在这个时间点到达（图1）。这些数据表明，嗅球对鼻腔VSV感染有着强大的免疫防御能力。

图1. 鼻腔VSV感染促使大量免疫细胞涌入嗅球

T细胞防止VSV的致命性扩散

之后，研究人员探索了这些T细胞在防止VSV致命性扩散中的作用。他们发现，部分C57BL/6J小鼠在CD8+或CD4+ T细胞耗竭后会形成致命性的VSV脑炎。此外，对于几乎所有鼻腔感染VSV的小鼠，两个T细胞亚群的耗竭都会导致致命性的疾病。同时，T细胞耗竭也促进病毒向大脑其他区域转移。不过，TNFα、IFNγ或穿孔素似乎都不是影响T细胞功能和数量的关键。这表明嗅球中存在控制VSV的冗余效应机制（图2）。

尽管CD4+和CD8+ T细胞在感染后可能发挥互补的抗病毒作用，但研究人员决定将重点放在CD8+ T细胞上，因为它们有着更多的潜在靶细胞。利用活体双光子显微镜（TPM），他们在病毒感染的嗅球中观察了抗病毒T细胞的行为。与非特异性T细胞相比，病毒特异性的CD8+ T细胞在嗅球中的迁移速度下降了，表明这些细胞在移动过程中可能遇到了抗原。

图2. T细胞防止VSV的致命性扩散

CD8+ T细胞的迁移速度为何下降

为了更准确地评估病毒特异性CD8+ T细胞在体内遇到的抗原，他们设计了一种通过双光子显微镜监测T细胞钙流的方法。当T细胞结合组织相容性抗原I（MHC I）分子时会产生快速的胞内钙信号。他们发现，病毒特异性CD8+ T细胞的钙信号活动增强，同时CD8+ T细胞迁移的速度与钙流的活跃程度呈负相关。
此外，他们还注意到T细胞会在一些“自发荧光”细胞参与时形成钙流，而这些细胞在形态、大小和空间分布上与嗅球中被感染的细胞差异很大（图3）。由于VSV感染后造血细胞大量浸润了嗅球，研究人员推测是浸润细胞群向病毒特异性CD8+ T细胞呈递了抗原。

于是，他们敲除了小鼠中枢神经系统中的MHC I分子，发现细胞毒性淋巴细胞的钙流显著下降，这表明向CD8+ T细胞呈递抗原的主要是脑细胞群体，而不是浸润的造血细胞。β2M是MHC I表面复合物的主要成分，其敲除会严重影响I类肽的呈递。然而，β2M条件性敲除小鼠（由赛业生物构建）在鼻腔感染病毒后竟然活了下来。这些结果表明CD8+ T细胞并不与病毒感染的神经元直接相互作用。

 
图3. 激活T细胞的是一种未被感染的细胞类型

小胶质细胞向T细胞呈递抗原

那么，究竟是哪种细胞为T细胞呈递抗原呢？他们发现，在VSV感染后六天，嗅球中的小胶质细胞显示出激活的迹象，其特征是MHC I、CD80和CD86的明显上调，以及CD40和MHC II的适度上调。抗原呈递分子的这些变化表明小胶质细胞能够将病毒的抗原呈递给CD8+ T细胞。此外，他们还发现，大约72%的CD8+ T细胞钙流发生在与小胶质细胞相接触时，表明小胶质细胞很有可能向病毒特异性T细胞呈递了抗原。
之后，研究人员评估了小胶质细胞是否能够从VSV感染的嗅觉感觉神经元中获得抗原。在VSV感染六天后，他们发现嗅球中大约5%的小胶质细胞含有神经元的碎片。定量检测也发现，嗅球中含有病毒抗原的小胶质细胞比例增加（图4）。

他们接着采用他莫昔芬来处理基因编辑小鼠，以便在保留单核细胞和抗病毒T细胞的同时消除小胶质细胞。六天后，他们观察到在小胶质细胞减少的小鼠中，病毒特异性CD8+ T细胞的钙流显著下降，表明小胶质细胞减少时抗原呈递受损。与此同时，采用PLX3397抑制小鼠小胶质细胞的增殖后，VSV感染导致大脑病毒滴度升高，且存活率下降。这些数据表明，小胶质细胞能够向大脑浸润的CD8+ T细胞呈递病毒抗原。

 
图4. 小胶质细胞获取并呈递抗原，激发抗病毒的CTL反应

总的来说，这项研究表明，CD8+ T 细胞似乎并没有直接与被感染的主要神经元细胞发生相互作用，而是与小胶质细胞相互作用。当病毒感染发生时，小胶质细胞似乎会从周围环境中获取病毒物质，并将其呈递给免疫系统，就好像它们自己被感染了一样。

通过这种方式，被感染的嗅觉神经元可以将病毒颗粒“传递”给小胶质细胞，然后被 T 细胞检测到。接着 T 细胞作出响应，释放抗病毒分子，以不杀死细胞的方式将病毒从神经元中清除。由此可见，小胶质细胞为防止大脑感染病毒建立了第一道防线。（生物通 余亮）

原文检索

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