《Nature》：组织透明化结合单细胞数据揭示循环髓源性MMP8在应激易感性和抑郁症中的作用
2024-05-07 16:43:33
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压力相关的精神障碍，如重度抑郁障碍（MDD），在全球范围内具有较高的患病率和巨大的个体负担。尽管有许多有效的MDD治疗方法，但超过三分之一的患者在接受现有抗抑郁药物或已确立的心理治疗后未能完全缓解症状。长期心理社会压力是抑郁症的重要风险因素之一。因此，阐明心理社会压力影响的病理生理机制对于推进我们对MDD等障碍的理解以及最终开发治疗选择和预防策略至关重要。中枢神经系统（CNS）和外周器官系统之间的免疫相互作用受到严密调节。心理社会压力可以深刻影响这种双向沟通，而紊乱的神经免疫相互作用越来越被认识为压力障碍发病机制中的重要因素。慢性压力激活先天免疫系统，导致外周髓样细胞（如单核细胞和中性粒细胞）的动员和促炎细胞因子（如白细胞介素-6（IL-6））的产生。在人类中，已经确认压力相关神经精神障碍的一部分患者，如重度抑郁障碍（MDD），表现出慢性低级别炎症状态，其特征是循环促炎细胞因子和白细胞增多。除了这些外周免疫变化外，压力还会干扰小鼠的内皮血脑屏障（BBB），使循环蛋白质更容易进入大脑奖赏区域，如伏隔核NAc。尽管这些发现为压力和抑郁症的病理生理学提供了重要见解，但我们对压力诱导的这些免疫变化如何影响神经元功能和最终行为的机制仍知之甚少。大脑中神经元和非神经元细胞之间通过细胞外空间（ECS）和细胞外基质（ECM）分隔，ECM由神经元和胶质细胞分泌的蛋白质和糖胞组成。ECM分子在大脑内稳态过程中发挥重要作用，包括突触功能。ECM的降解和重塑由各种酶调节，如基质金属蛋白酶（MMPs）。循环中的MMPs与许多炎症过程和疾病，如癌症和心肌梗死有关。虽然一些研究已将中枢神经系统（CNS）的MMPs与通过改变ECM组分来改变突触重塑和传输联系起来，但我们对心理社会压力背景下外周免疫原性MMPs的影响知之甚少。为了研究外周免疫系统的变化与压力存在的潜在机制，2024年2月美国西奈山伊坎医学院Scott J. Russo等研究人员发表了题为“Circulating myeloid-derived MMP8 in stress susceptibility and depression”文章，揭示了外周免疫因子如何影响压力背景下的中枢神经系统功能和行为的机制，针对特定外周免疫细胞来源的基质金属蛋白酶可能构成压力相关神经精神障碍的新治疗靶点。
心理社会压力是一种常见的心理应激源，可导致重大抑郁发作。研究采用了慢性社会逆境应激（Chronic Social Defeat Stress， CSDS）模型，这是一种经过验证的小鼠心理社会压力模型。该模型通过将实验小鼠置于受到攻击性CD-1小鼠支配的环境中，使其经历物理接触和感觉暴露，模拟了人类面临的社会冲突和欺凌。这些小鼠被称为应激易感小鼠(SUS)，然而，有一部分小鼠表现出与无应激对照(CON)小鼠相似的行为和生理特征，这些小鼠被称为弹性小鼠(RES)。研究者发现CSDS导致SUS和RES小鼠的血液中出现炎症性Ly6Chi单核细胞和中性粒细胞的增加，以及B细胞的减少。此外，MDD患者表现出白细胞增多，主要是由单核细胞和中性粒细胞增加引起，而淋巴细胞（包括各类B细胞）数量无明显变化，并且观察到单核细胞和中性粒细胞数量与感知压力之间存在显著正相关。这项研究结果强调了外周髓样细胞在压力相关的障碍（如MDD）中的重要性，并提供了压力如何影响免疫系统的机制线索。
图1 应激增加循环和大脑中的单核细胞数量并诱导SUS小鼠单核细胞的促炎转录特征
接下来作者进一步探究炎症性免疫细胞在大脑中的定位和影响，解决Ly6Chi单核细胞在大脑中的确切定位问题，特别是探究这些细胞在社交回避行为中的作用。通过使用Ccr2rfp报告基因小鼠模型，研究者标记了单核细胞，并利用组织透明化技术和光片显微镜对整个大脑进行了解剖学映射。通过对整个大脑进行细胞计数和解剖学映射，研究者发现，在社交压力敏感（SUS）小鼠中炎症性单核细胞数量增加，并且与社交互动比率呈负相关。进一步的分析显示，与社交回避行为高度相关的大脑区域，如NAc，炎症性单核细胞数量较多，这表明这些细胞可能参与了社交回避行为的调节。与NAc相比，前额叶皮层（PFC）中的单核细胞数量增加不显著，并且与社交回避行为之间没有明显的相关性。进一步的共聚焦显微镜观察显示，单核细胞附着在NAc的血管上，但没有进入脑实质或血管周围空间。接下来单细胞RNA测序显示，单核细胞显示出基于其转录谱的四个独特聚类。相对于CON和RES小鼠，SUS小鼠的簇0富集，已知参与炎症过程的几个基因在簇0中上调，Mmp8是在ECS和ECM途径中富集的顶级基因，它编码基质金属蛋白酶8。研究发现，Mmp8在循环Ly6Chi单核细胞中上调表达，并且在NAc微胶质细胞中没有观察到与压力相关的基因表达变化。
图2 基质金属蛋白酶8 mRNA (Mmp8)在SUS小鼠脑转运单核细胞中的表达升高
然后作者首先验证了慢性社会性击败应激（CSDS）后血浆中MMP8蛋白水平的增加，并展示了MMP8水平与社交互动比率（SI ratio）呈负相关。研究进一步证明，无论是10天的CSDS还是21天的慢性变量应激，都会增加雌性小鼠血浆中MMP8的水平。接下来，研究者测量了相同小鼠在进行了10天CSDS后血浆中其他MMP蛋白（如MMP2、MMP3、proMMP9和MMP12）的水平，并发现只有MMP8在易感性（SUS）小鼠中独特上调，而在对照（CON）或恢复性（RES）小鼠中未见此现象。最后，研究者验证了与健康对照组相比，MDD患者血清中MMP8增加，并且与自我报告的感知压力呈正相关。研究者通过电镜成像评估了大鼠在经历CSDS后，NAc（核心带）和PFC（前额叶皮质）组织切片中ECS的百分比。他们观察到，与未受压力的对照组相比，易感性（SUS）小鼠NAc中的ECS体积分数增加，而在PFC中未观察到任何组间差异，进一步支持了NAc ECS变化与社交行为改变之间的关联。
图3 NAc ECS的变化与社交行为的变化有关
最后作者探索MMP8蛋白在应激诱导的社会回避行为中的作用。首先通过给小鼠注射重组MMP8蛋白(rMMP8)，结合次阈社会挫败(stress-induced social defeat, CSDS)模型，观察了其对应激易感性的影响。结果显示，rMMP8与次阈社会挫败结合后，小鼠的社交互动比例降低，表现出更明显的社会回避行为。接着，研究者利用社会条件化偏爱测试(sCPP)探究了rMMP8对小鼠社交偏好的影响。结果显示，接受rMMP8处理的小鼠在sCPP测试中表现出社交偏好的减弱，与未接受处理的小鼠相比，对与同性幼年小鼠的社交环境不再显示明显的偏好。为了验证MMP8在外周白细胞中的作用，研究者进行了骨髓移植实验，创造了外周白细胞特异性缺失Mmp8的嵌合小鼠模型。结果表明，缺失MMP8的嵌合小鼠在CSDS后表现出更少的社会回避行为，这进一步证明了MMP8在外周白细胞中的重要作用。此外，研究者还观察到MMP8缺失对于其他非社交应激相关行为以及生理指标（如蔗糖偏爱测试、溅水测试、高架十字迷宫测试等）没有显著影响，表明MMP8在社会回避行为中的作用是特异性的。与野生型小鼠相比，Mmp8敲除小鼠NAc中的ECS减少。Mmp8耗竭减弱了应力诱导的神经元兴奋性增加和自发性电流。
图4 循环MMP8与压力引起的社会回避行为、大脑ECS和神经生理学的改变有因果关系
过去的研究已经表明，外周免疫系统中的因子，如细胞因子或不同类型的免疫细胞，可以影响行为，但这些作用通常是通过影响神经元直接的途径来实现的。本研究旨在探究一种不同的机制，即压力如何通过促进外周免疫细胞与大脑的相互作用来影响社会行为。压力诱导外周MMP8增加，导致NAc内环境发生变化，进而影响NAc的神经生理学和社会回避行为，这表明外周免疫系统可以通过影响神经元功能来影响行为。
图5 总结
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图6 动物实验平台
图7 三维标记透明成像分析一站式平台