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颅骨骨髓(skull bone marrow, BM)已成为与中枢神经系统(central nervous system, CNS)之间的关键免疫界面。血管通道与板障静脉将颅骨BM与硬脑膜相连,为细胞及可溶分子交换提供途径;脑脊液可进入颅骨BM微环境,颅骨BM
颅骨骨髓(skull bone marrow, BM)已成为与中枢神经系统(central nervous system, CNS)之间的关键免疫界面。血管通道与板障静脉将颅骨BM与硬脑膜相连,为细胞及可溶分子交换提供途径;脑脊液可进入颅骨BM微环境,颅骨BM向脑膜甚至在一定条件下向CNS实质供给髓系细胞与未成熟B细胞。脑膜静脉丛周围已发现含生发中心(germinal center, GC)B细胞的淋巴枢纽,可维持局部体液免疫。近期研究还显示神经元来源蛋白可蓄积于颅骨相关边界并被驻留免疫细胞采样。然而,颅骨BM能否针对CNS来源抗原组织抗原特异性适应性免疫此前不明。Park等人在颅骨BM中鉴定出GC样淋巴结构,并显示其可对CNS来源抗原产生适应性免疫反应,在实验性胶质瘤中贡献抗肿瘤免疫。研究人员比较不同骨BM发现,颅骨BM富集IL-21+CXCR5+滤泡辅助T(T follicular helper, Tfh)细胞,该类细胞表达Th1相关标志并与B细胞成簇;颅骨BM还含类别转换及GC样B细胞、IgG+浆母细胞与抗体分泌细胞。相关聚集体含T细胞、B细胞、抗原提呈细胞(antigen-presenting cell, APC)、CXCL13、B细胞活化因子、滤泡树突状细胞及活化诱导胞苷脱氨酶(activation-induced cytidine deaminase, AID)表达B细胞;GC样B细胞与抗体分泌细胞发生克隆扩增与体细胞高频突变,依赖CD4+T细胞、IL-21及CD40-CD40L信号。该环境可支持局部体液免疫。肠道微生物群与饮食抗原参与IgA及GC样B细胞生成但不完全解释其存在。研究人员用神经元分泌卵清蛋白(ovalbumin, OVA)模型,在颅骨BM检出抗原并观察到抗原特异性CD4+T与B细胞激活。在颅内接种CT2A胶质瘤后,颅骨BM中T、B细胞反应增强;HEL-OVA肿瘤与抗原特异性淋巴细胞模型显示肿瘤反应性T、B细胞在颅骨BM早期激活。缺乏常规次级淋巴器官小鼠中该反应仍存在但减弱且依赖外周招募细胞。局部阻断CD40L破坏颅骨GC样结构、减少瘤内淋巴细胞聚集与CD8+T细胞激活并缩短生存;CD40激动剂联合IL-21与IFNγ增强颅骨B细胞反应、提升肿瘤内免疫浸润与细胞毒活性并延长生存。自然发生胶质母细胞瘤(glioblastoma, GBM)虽具“冷”肿瘤特征,但患者颅BM中存在肿瘤反应性CD8+T细胞且与原发肿瘤共享T细胞受体克隆型;免疫检查点阻断临床获益有限,说明抗原识别未必转化为有效抗肿瘤反应。研究人员由此确立:颅骨BM含可应答CNS来源抗原并影响实验性胶质瘤免疫的淋巴结构,但其在生理与疾病中何时具功能重要性、耐受与免疫平衡由何信号决定、相对脑膜及常规次级淋巴器官贡献几何、人颅骨是否存在类似结构仍待阐明。
研究背景方面,颅骨骨髓正被逐步认识为与中枢神经系统之间的免疫界面,血管通道、板障静脉以及脑脊液通路使颅骨骨髓、硬脑膜和脑膜之间可发生细胞与分子交换。已有研究在脑膜静脉丛周围发现含生发中心B细胞的淋巴枢纽,也发现脑源蛋白可到达颅骨相关免疫微环境并被采样;但同时,颅骨邻近脑膜存在针对中枢神经系统抗原的B细胞耐受检查点,脑源抗原到达颅骨相关生态位并不必然引起免疫激活。因此,颅骨骨髓是否能够像次级淋巴器官一样组织抗原特异性适应性免疫、这种反应在脑肿瘤中是否具有功能意义,是领域中的关键空白。正是为了回答颅骨骨髓可否支持针对中枢神经系统来源抗原的局部适应性免疫并参与脑肿瘤免疫监视,Park等人开展了本研究,论文发表于《Cell Research》。
主要技术方法方面,研究人员采用不同骨骼骨髓比较分析,以胸骨与股骨骨髓作为对照评估颅骨骨髓免疫组成;构建神经元分泌卵清蛋白模型以追踪中枢神经系统来源抗原并检测抗原特异性CD4+T与B细胞激活;使用颅内移植CT2A胶质瘤模型,并引入表达HEL-OVA的肿瘤细胞与抗原特异性淋巴细胞以解析肿瘤反应性免疫细胞在颅骨骨髓中的早期激活;利用缺乏常规次级淋巴器官小鼠区分颅骨局部反应与外周免疫系统的贡献;通过局部阻断CD40L以及联合CD40激动剂、IL-21与IFNγ干预颅骨相关淋巴反应并评估肿瘤内免疫浸润、细胞毒活性和生存;临床相关性部分引用患者颅骨髓与匹配胶质母细胞瘤样本中的肿瘤反应性CD8+T细胞及共享T细胞受体克隆型证据。
颅骨骨髓富集滤泡辅助T与GC样B细胞
研究人员通过比较颅骨、胸骨与股骨骨髓,发现颅骨骨髓富集IL-21+CXCR5+滤泡辅助T(Tfh)细胞,该类细胞具Th1相关标志并与B细胞形成簇状分布;同时颅骨骨髓含有类别转换B细胞、GC样B细胞、IgG+浆母细胞和抗体分泌细胞。进一步显示聚集体包含T细胞、B细胞、抗原提呈细胞(APC)、CXCL13、B细胞活化因子、滤泡树突状细胞及AID+B细胞,GC样B细胞与抗体分泌细胞发生克隆扩增和体细胞高频突变,并依赖CD4+T细胞、IL-21以及CD40-CD40L信号,从而证明颅骨骨髓具备支持局部体液免疫的特化淋巴环境。
中枢神经系统抗原可到达并激活颅骨骨髓
研究人员发现肠道微生物群和饮食抗原可促成部分IgA与GC样B细胞,但不足以完全解释颅骨骨髓淋巴组成。使用神经元表达分泌型OVA后,研究人员在颅骨骨髓检测到中枢神经系统来源抗原,并观察到抗原特异性CD4+T细胞和B细胞被激活,说明脑源抗原有能力进入颅骨骨髓并启动适应性免疫应答。
颅骨骨髓参与实验性胶质瘤免疫
在颅内植入CT2A胶质瘤细胞后,颅骨骨髓内T细胞与B细胞反应增强;在HEL-OVA肿瘤与抗原特异性淋巴细胞模型中,肿瘤反应性T、B细胞在颅骨骨髓出现早期激活。即使小鼠缺乏常规次级淋巴器官,该反应仍存在但减弱,且仍依赖从外周招募的细胞,说明颅骨骨髓可支持局部适应性免疫,但不是脱离外周免疫系统的独立器官。
颅骨淋巴反应可改变脑内免疫与疾病结局
研究人员进行局部CD40L阻断,结果颅骨GC样结构被破坏,肿瘤内淋巴细胞聚集和CD8+T细胞激活下降,生存缩短;反过来,CD40激动剂联合IL-21与IFNγ可增强颅骨B细胞反应,增加肿瘤内免疫细胞浸润与细胞毒活动,并延长生存。这表明在实验条件下,操纵颅骨相关免疫反应能够改变脑内免疫状态并影响疾病结果。
临床与自然发病脑肿瘤的启示
研究人员指出,自然发生的胶质母细胞瘤通常属免疫“冷”肿瘤,以髓系细胞为主且生产性T细胞免疫有限;但患者颅骨髓中可发现肿瘤反应性CD8+T细胞,并与匹配肿瘤共享T细胞受体克隆型。免疫检查点阻断如nivolumab在复发胶质母细胞瘤中未能优于bevacizumab,说明肿瘤抗原被识别并不等于产生有效抗肿瘤反应,但也不排除颅骨相关免疫的贡献。
讨论与结论方面,研究人员强调,颅骨骨髓中含有可针对中枢神经系统来源抗原作出反应并影响实验性胶质瘤免疫的类生发中心淋巴结构,这一点已被确立;但仍不清楚这些反应在何时具有功能重要性,也不清楚是炎症、组织损伤还是其他信号决定中枢神经系统抗原遭遇导致耐受还是生产性免疫。类似结构是否见于感染、自身免疫或神经退行性疾病,颅骨骨髓相对脑膜与常规次级淋巴器官对中枢神经系统免疫的贡献有多大,以及人类颅骨中是否存在可比的抗原应答淋巴结构,都是未解问题。研究结论可译为:Park及其同事证实,颅骨骨髓包含可组织针对中枢神经系统来源抗原的适应性免疫反应的淋巴结构,并在实验性胶质瘤中影响免疫;但颅骨骨髓在中枢神经系统免疫监视中的作用,取决于其相对于其他中枢神经系统边界组织和外周免疫区室的功能贡献,而决定该微环境中耐受与免疫平衡的信号仍有待界定。