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2024年9月20日，加拿大哥伦比亚大学Annie Vogel Ciernia团队在Journal of Neuroinammation发表“Repeated LPS induces training and tolerance of microglial responses across brain regions”，揭示了通过多次低剂量的脂多糖注射在成年小鼠中诱导小胶质细胞的反应，从而研究了大脑不同区域中小胶质细胞的免疫记忆形成。
神经炎症是中枢神经系统疾病发病机制中涉及的一个关键因素。作为大脑的先天免疫细胞，小胶质细胞能够根据大脑环境的动态变化微调它们的活动。以往的研究表明，反复的外周炎症可以触发小胶质细胞基因表达和功能的长期变化，形成先天免疫记忆。在本研究中，作者使用成年小鼠多次低剂量的脂多糖（LPS）注射，研究了前额皮层、海马和纹状体中小胶质细胞的急性细胞因子、转录组和形态变化，这些变化有助于形成免疫记忆，以及这些变化对行为的长期影响。总的来说，研究结果表明在大脑免疫记忆形成过程中小胶质细胞的动态调节，小胶质细胞的免疫记忆可能在疾病或损伤的背景下才会显现出来。
图一 反复LPS注射在小鼠大脑中产生了强大的训练和耐受性
在作者的实验模型中，小鼠每天接受腹腔注射低剂量的LPS（0.5 mg/kg），持续四天，然后在最终处理PBS、1xLPS、2xLPS、3xLPS或4xLPS后的3小时评估行为。在最后一次注射后3小时对血清和来自四个不同大脑区域（额叶皮层、海马、纹状体、小脑）的组织进行了多重蛋白定量，发现促炎和抗炎分子的蛋白水平发生了显著变化。在血清中，发现1xLPS后G-CSF、IL-6、IP-10、KC、MCP-1、MIP-1a、MIP-1b和RANTES显著增加，这种反应在2xLPS后维持，并在大多数情况下在3xLPS和4xLPS后恢复到基线水平。在额叶皮层，作者发现1xLPS后G-CSF、IL-6和IP-10显著增加，但大多数变化是对2xLPS的反应（10种蛋白）。在海马、纹状体和小脑中观察到类似的模式，大多数显著增加发生在2xLPS后。进一步使用RT-qPCR在额叶皮层组织中对Il-1β和Tnf-α进行了研究，发现Il-1β和Tnf-α在2xLPS后诱导最大，这在3xLPS和4xLPS后恢复到接近基线水平。总的来说，这些发现表明2xLPS产生了炎症信号分子的最大增加，这些反应在3xLPS和4xLPS后减弱。这些模式也与在2xLPS后观察到的病状行为高峰和体重下降相平行，这些在4xLPS时恢复到接近基线水平。还测量了1xLPS和2xLPS后3小时与24小时的Il-1β和Tnf-α表达。细胞因子表达在1xLPS后24小时显著下降至基线水平，但在2xLPS后3小时又显著增加至之前水平以上，表明单次LPS注射会增强对随后LPS注射的反应（免疫训练）。细胞因子表达在2xLPS后24小时显著下降至基线水平，并且对3xLPS和4xLPS的随后反应显著减弱，表明发生了免疫耐受。此外，评估了Il-1β和Tnf-α表达在1xLPS后3小时、24小时、48小时和7天的变化，以分析单剂量LPS反应下细胞因子动态。细胞因子表达在1xLPS后3小时急性达到高峰，到24小时显著下降，并在48小时或7天达到基线表达水平。总的来说，作者的发现表明观察到的基因表达差异与LPS注射次数有关。
图二 在反复注射LPS数周后，动物行为没有长期变化
反复注射LPS产生了病状行为的训练和耐受：与PBS相比，在第二次注射LPS后达到高峰，所有治疗组中观察到体重下降。病状行为在第三次和第四次LPS注射后恢复到接近基线水平。尽管体重在第二次LPS暴露后2天内恢复到峰值体重损失，但LPS处理组的体重在峰值损失后长达6天内仍显著低于PBS组，并且在接受行为实验开始前，LPS处理组的任何小鼠都没有完全恢复到治疗前的体重。作者随后运用一系列行为实验评估了动物行为，运用明暗箱实验，旷场实验评估了动物焦虑水平变化，强迫游泳评估了动物抑郁样情绪，同时运用物体位置记忆测试评估了动物学习和记忆，以及运用埋珠实验评估了动物的重复行为。结果发现，各处理组之间没有长期差异，表明所有治疗条件都已完全恢复。
图三 随着重复的LPS注射，小胶质细胞排列成串状结构的现象会动态地出现并消失
作者量化了在给予1-4次LPS注射的雄性和雌性小鼠的大脑区域（额叶皮层、海马体、纹状体）中形态学上小胶质细胞群体的变化。通过无偏聚类分析，识别出四种小胶质细胞形态：分支状、杆状、肥大状和阿米巴状。在研究中，观察到随着对LPS的重复暴露，小胶质细胞出现了排列成串状结构的现象。在雄性小鼠中，2倍LPS剂量时，小胶质细胞排列成串状结构的发生率增加，3倍LPS剂量后开始减少，而在4倍LPS剂量时又重新出现，这一现象在前额叶皮层、海马体和纹状体中均有观察到。在雌性小鼠中，4倍LPS剂量时在前额叶皮层和海马中观察到这种排列行为的显著增加，但在纹状体中没有观察到。此外，研究还发现，重复LPS处理并没有导致小胶质细胞密度在不同大脑区域和两种性别中显著变化，表明小胶质细胞排列成串状结构的变化不是由于细胞数量的变化引起的。通过组织学进一步研究发现，在LPS模型中表现出这种排列行为的小胶质细胞包裹在所有三个脑区的血管周围。
综上所述，作者研究的发现为小胶质细胞在形成免疫记忆过程中的变化提供了新的见解。鉴于小胶质细胞是长寿细胞（在人类中为4-20年），它们在没有外周作用的情况下自我更新，并通过差异性增强子活性对大脑环境的功能进行表观遗传调节，因此在形成先天免疫记忆过程中引起的急性变化可能对大脑对疾病和损伤的反应产生持久影响。该研究提供了关于小胶质细胞在大脑中的免疫记忆形成和调节的新见解，并为理解神经炎症在大脑疾病中的作用提供了重要信息。
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