小胶质细胞的消除促进脊髓损伤后胶质瘢痕的形成并加重炎症

doi:10.4103/1673-5374.357912

摘要/Abstract

摘要：

星形胶质细胞和小胶质细胞在脊髓损伤后发挥着协调作用；然而，脊髓损伤后小胶质细胞调节星形胶质细胞的分子机制尚不完全清楚。因而，实验试图通过药理学手段消除小胶质细胞，从而了解小胶质细胞对星形胶质细胞反应的影响，并进一步探讨涉及信号转导与转录激活因子3（STAT3）途径的潜在机制。（1）体内实验中，在构建脊髓挫伤小鼠模型后，为了消除小胶质细胞，于造模前2周开始使用集落刺激因子1受体抑制剂PLX3397。结果发现PLX3397消除小胶质细胞后，脊髓损伤胶质瘢痕增殖紊乱，结构稀疏，炎症因子表达明显升高，加剧神经元死亡。他们应用转录组学分析发现消除小胶质细胞后，脊髓组织大量差异基因富集在炎症、纤维瘢痕等相关通路上。该团队发现抑制小胶质细胞后，星形胶质细胞中STAT3磷酸化水平也随之减弱。（2）随后的体外实验构建了小胶质细胞和星形胶质细胞共培养体系，加入小分子化合物STA21抑制STAT3通路激活，进一步验证了小胶质细胞可通过激活星形胶质细胞中STAT3通路，促进星形胶质细胞增殖。（3）以上实验数据说明，PLX3397消除小胶质细胞后，脊髓损伤小鼠星形胶质细胞STAT3磷酸化水平降低，星形胶质细胞增殖活化减少，胶质瘢痕形成受阻，从而导致炎症浸润扩散，加重脊髓损伤。

https://orcid.org/0000-0001-6975-6314 (Hui Zhang)

Abstract: Astrocytes and microglia play an orchestrated role following spinal cord injury; however, the molecular mechanisms through which microglia regulate astrocytes after spinal cord injury are not yet fully understood. Herein, microglia were pharmacologically depleted and the effects on the astrocytic response were examined. We further explored the potential mechanisms involving the signal transducers and activators of transcription 3 (STAT3) pathway. For in vivo experiments, we constructed a contusion spinal cord injury model in C57BL/6 mice. To deplete microglia, all mice were treated with colony-stimulating factor 1 receptor inhibitor PLX3397, starting 2 weeks prior to surgery until they were sacrificed. Cell proliferation was examined by 5-ethynyl-2-deoxyuridine (EdU) and three pivotal inflammatory cytokines were detected by a specific Bio-Plex ProTM Reagent Kit. Locomotor function, neuroinflammation, astrocyte activation and phosphorylated STAT3 (pSTAT3, a maker of activation of STAT3 signaling) levels were determined. For in vitro experiments, a microglia and astrocyte coculture system was established, and the small molecule STA21, which blocks STAT3 activation, was applied to investigate whether STAT3 signaling is involved in mediating astrocyte proliferation induced by microglia. PLX3397 administration disrupted glial scar formation, increased inflammatory spillover, induced diffuse tissue damage and impaired functional recovery after spinal cord injury. Microglial depletion markedly reduced EdU+ proliferating cells, especially proliferating astrocytes at 7 days after spinal cord injury. RNA sequencing analysis showed that the JAK/STAT3 pathway was downregulated in mice treated with PLX3397. Double immunofluorescence staining confirmed that PLX3397 significantly decreased STAT3 expression in astrocytes. Importantly, in vitro coculture of astrocytes and microglia showed that microglia-induced astrocyte proliferation was abolished by STA21 administration. These findings suggest that microglial depletion impaired astrocyte proliferation and astrocytic scar formation, and induced inflammatory diffusion partly by inhibiting STAT3 phosphorylation in astrocytes following spinal cord injury.

Key words: astrocytes, coculture, colony-stimulating factor 1 receptor inhibitor, EdU, glia scar, inflammatory response, microglia, phosphorylation, proliferation, spinal cord injury, STAT3

. 小胶质细胞的消除促进脊髓损伤后胶质瘢痕的形成并加重炎症[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2023, 18(6): 1325-1331.

Zhi-Lai Zhou, Huan Xie, Xiao-Bo Tian, Hua-Li Xu, Wei Li, Shun Yao, Hui Zhang. Microglial depletion impairs glial scar formation and aggravates inflammation partly by inhibiting STAT3 phosphorylation in astrocytes after spinal cord injury[J]. Neural Regeneration Research, 2023, 18(6): 1325-1331.

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引言

出版重点

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期刊出版来自于脑损伤与神经再生、脊髓损伤与神经再生、周围神经损伤与神经再生和神经退行性病与神经再生、神经影像与神经再生的相关研究。期刊关注神经损伤与再生过程中的轴突再生、突触生长、神经可塑性、神经修复和替代、神经移植等最新研究成果。尤其关注应用细胞治疗、基因治疗、生物因子治疗、药物治疗、手术治疗、康复治疗、物理疗法、组织工程、生物工程、生物材料、神经假体等干预性方法产生神经再生效果的相关研究。文章应清晰描述抑制神经元损伤、减轻神经元损伤的一系列变化，保护损伤神经元的过程、方法、程度与评价，突出从细胞分子水平以及分子生物学水平解释神经元损伤后以及预后再生的机制。

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延伸阅读

NRR：广东省第二人民医院张辉团队报道小胶质细胞在脊髓损伤后促进胶质瘢痕形成及减轻炎症浸润中发挥积极作用

来自中国广东省第二人民医院的张辉团队最新研究发现，脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）后，小胶质细胞可通过调控星形胶质细胞中STAT3信号，影响胶质瘢痕形成，在SCI小鼠的功能恢复中起重要作用。集落刺激因子1受体（CSF1R）抑制剂PLX3397消除小胶质细胞后，SCI小鼠星形胶质细胞STAT3磷酸化水平降低，星形胶质细胞增殖活化减少，胶质疤痕形成受阻，从而导致炎症浸润扩散，加重SCI。

星形胶质细胞是中枢神经系统（central nervous system, CNS）内数量最多的细胞，与神经元、轴突、小胶质细胞等密切接触，可为神经元供应营养、促进突触形成、修剪异常轴突、维持血脑屏障等，对维持CNS 的稳态起重要作用。SCI后，星形胶质细胞被激活，其形态和功能发生一系列改变，并在损伤周边形成一层致密胶质瘢痕，可阻止炎症扩散，保护神经组织。因此，星形胶质细胞功能状态的稳定对SCI后恢复极其重要。

早年由于缺乏简单有效手段来区分常驻的小胶质细胞和外周血来源的单核/巨噬细胞，导致探索小胶质细胞在CNS损伤后的具体作用较为困难。近年来，一种崭新的基于集落刺激因子1受体（CSF1R）抑制剂的药理学策略能够特异性清除CNS中99%的小胶质细胞。他们发现CSF1R抑制剂PLX3397消除小胶质细胞后，SCI胶质疤痕增殖紊乱，结构稀疏，炎症因子表达明显升高，加剧神经元死亡。他们应用转录组学分析发现消除小胶质细胞后，脊髓组织大量差异基因富集在炎症、纤维瘢痕等相关通路上。该团队发现抑制小胶质细胞后，星形胶质细胞中STAT3磷酸化水平也随之减弱。随后，他们构建小胶质细胞和星形胶质细胞共培养体系，加入小分子化合物STA21抑制STAT3通路激活，进一步验证了小胶质细胞可通过激活星形胶质细胞中STAT3通路，促进星形胶质细胞增殖。该研究成果进一步明确了小胶质细胞在SCI功能恢复中发挥积极作用，为临床SCI的治疗提供理论依据及实验基础。

该研究发表在《中国神经再生研究（英文版）》杂志2023年6期。