IL-34 依赖的血管周围巨噬细胞对脑血管功能的调控机制及意义

本文聚焦中枢神经系统（CNS）巨噬细胞，研究发现脑边界相关巨噬细胞（BAMs）发育依赖集落刺激因子 1（CSF-1），成年期稳态依赖白细胞介素 - 34（IL-34）。IL-34 缺失影响脑血管功能，揭示了血管细胞与 CNS 巨噬细胞间的相互作用，为相关疾病研究提供新思路。

　　

研究背景

中枢神经系统（CNS）包含多种巨噬细胞群体，如实质小胶质细胞和边界相关巨噬细胞（BAMs）。BAMs 与 CNS 的边界相关，包括血管周围间隙、脑膜（硬脑膜和软脑膜）和脉络丛。小胶质细胞和 BAMs 均起源于胚胎外卵黄囊中的早期红系髓系祖细胞（EMPs），在成年期，硬脑膜和脉络丛中的部分巨噬细胞会逐渐被骨髓来源的单核细胞取代，而血管周围、软脑膜和脉络丛中的巨噬细胞大多在局部自我维持。

BAMs 可通过表达 CD206（Mrc1）、CD38 和高水平的 F4/80 来识别，但它们在边界内和边界间存在转录异质性。小胶质细胞依赖巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF 或 CSF-1）受体（CSF-1R），其信号通过 CSF-1 和白细胞介素 - 34（IL-34）两种配体传导。CSF-1 对小胶质细胞的发育和成年期小脑小胶质细胞的稳态至关重要，而 IL-34 对小胶质细胞的生成并非必需，但控制其在成年大脑中的维持，尤其是在前脑。

BAMs 在健康或患病大脑的各种边界中的功能尚不完全清楚。已有研究表明，BAMs 在感染中具有神经保护作用，血管周围巨噬细胞（PVMs）在清除脑淀粉样血管病中的淀粉样 β 蛋白方面也有益处，但在其他小鼠脑血管疾病模型中，PVMs 也参与了疾病的发病机制。此外，BAMs 还参与调节脑脊液流动。神经血管单元（NVU）将神经元、神经胶质和血管连接成一个功能和结构单元，然而，PVMs 在脑血管功能（包括血管运动）中的作用仍不明确。

研究方法

1. 构建转基因小鼠模型：通过构建多种转基因小鼠模型，如Cx3cr1^CreERCsf1r^fl/fl、Il34^LacZ/LacZ、Tbx18^CreERIl34^fl/fl和Mrc1^CreCsf1r^fl/fl等小鼠，用于研究不同细胞因子和细胞类型对 BAMs 及脑血管功能的影响。
2. 细胞分析技术：运用高维流式细胞术、组织学、单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）等技术，分析 BAMs 的发育、维持以及与其他细胞的相互作用；使用免疫荧光染色观察细胞和分子的定位；通过透射电子显微镜（TEM）观察脑血管的超微结构。
3. 功能检测方法：采用激光散斑对比成像（LSCI）和 Pia-FLOW 技术检测脑血流（CBF）；通过体内双光子显微镜观察血管运动；注射伊文思蓝和荧光标记的葡聚糖评估血脑屏障（BBB）的完整性。

研究结果

1. BAMs 对 CSF-1R 信号的依赖：Cx3cr1^CreERCsf1r^fl/fl转基因小鼠实验表明，BAMs 的发育和维持均依赖 CSF-1R 信号。Csf1- 缺陷小鼠的分析显示，CSF-1 控制 BAMs 的发育，但在成年期对其维持并非必需；而 IL-34 在成年期对 BAMs 的稳态至关重要，Il34- 缺陷小鼠在出生后约 P14 开始出现 BAMs 数量减少，成年后更为明显。
2. IL-34 的来源及对 BAMs 的影响：基质细胞（MCs）和血管周围成纤维细胞是大脑中 IL-34 的重要来源。在Tbx18^CreERIl34^fl/fl小鼠中，特异性删除这些细胞中的Il34，导致 BAMs 数量减少，重现了Il34^LacZ/LacZ小鼠的表型，表明 IL-34 对 PVMs 的稳态至关重要。
3. IL-34 缺失对血管细胞的影响：scRNA-seq 分析发现，IL-34 缺失导致脑血管相关细胞的基因表达变化，影响细胞间的相互作用。例如，PVMs 中一些基因的表达改变，同时血管细胞间的多条信号通路，如 NOTCH、PDGFRB 和 ANGPT1-TEK1 等信号通路受到影响，提示脑血管功能可能失调。
4. IL-34 缺失对脑血管结构和功能的影响：伊文思蓝和双光子显微镜实验表明，Il34^LacZ/LacZ小鼠的 BBB 完整性未受影响，但 TEM 观察到其部分小动脉存在结构改变，如血管周围间隙增宽、基底膜不清晰、血管平滑肌细胞（VSMC）偶尔肥大和星形胶质细胞终足肿胀等。此外，Il34^LacZ/LacZ小鼠的动脉血流动力学和血管运动发生改变，表现为脑皮质灌注和 CBF 增加，血管运动增强。
5. PVMs 缺失对脑血管功能的影响：Mrc1^CreCsf1r^fl/fl小鼠特异性缺失 PVMs 后，也出现了 CBF 增加和灌注异常的现象，且这种变化主要发生在穿透小动脉，表明 PVMs 在维持脑血管功能中起关键作用。

研究讨论

本研究表明，CSF-1 对胚胎期所有 CNS 巨噬细胞的发育至关重要，但在 BAMs 成年后的稳态维持中作用较小；而 IL-34 在成年期对除硬脑膜外的所有 BAM 亚群的维持至关重要。在Il34- 缺陷小鼠中，虽然未发现血脑屏障缺陷，但脑血管细胞的转录变化导致细胞间相互作用改变。

研究还发现，MCs 和血管周围成纤维细胞是大脑中 IL-34 的重要来源，其分泌的 IL-34 对 PVMs 的维持起关键作用。此外，Il34- 缺陷小鼠和Mrc1^CreCsf1r^fl/fl小鼠均表现出脑血管动力学异常，包括 CBF 增加和血管运动增强，这进一步证实了 PVMs 在维持脑血管动态平衡中的重要作用。

然而，本研究也存在一定的局限性。虽然有研究表明Il34缺陷对神经元或神经胶质没有总体影响，但不能排除 IL-34 对神经元和星形胶质细胞上表达的 PTPRZ1 有其他作用的可能性。此外，Il34- 缺陷小鼠中小胶质细胞数量大幅减少且基因表达改变，可能影响毛细血管结构和功能，进而对血流动力学产生影响。未来研究可进一步探讨慢性缺乏 PVMs 导致的血流增加如何引起长期血管功能障碍，以及 PVMs 对血管细胞的具体信号传导机制。