白细胞介素31（IL-31）的直接致敏与激活效应仅限于猪背根神经节（DRG）中一类功能与转录已分类的神经元亚型

《Journal of Investigative Dermatology》：Direct sensitizing and activating effects of interleukin 31 are restricted to a single, functionally and transcriptionally classified porcine DRG neuron subtype.

　　

摘要：白细胞介素31（Interleukin-31，IL-31）是特应性皮炎等皮肤病及部分系统性疾病中慢性瘙痒的关键驱动因子。然而，IL-31受体阻断剂（如nemolizumab）在特应性皮炎患者中表现出的快速止痒作用机制尚未完全阐明，部分归因于人体研究的伦理限制及小鼠的种属差异。为此，研究人员采用猪感觉神经元原代培养体系探究IL-31对感觉神经元的直接作用。研究人员首先将编码人组胺性瘙痒的皮肤传入纤维功能特征，映射到已建立的基于转录组的猪DRG神经元分类体系以鉴定猪痒觉感受器（pruriceptor）。研究发现，IL-31仅在此类组胺与辣椒素（capsaicin，CAP）双响应的痒觉感受器中，急性致敏其对重复致痒原及电刺激的反应；且在体实验通过真皮轴突反射性红斑（axon-reflex erythema）测定证实，IL-31可激活具沉默伤害性感受器（silent nociceptor）表型的上述传入纤维。综上，本研究从功能与转录层面鉴定出介导IL-31驱动慢性瘙痒的感觉神经元类群，并为针对特定神经元亚群通过特异性神经—免疫信号模式分别驱动皮肤炎症与临床慢性瘙痒的转化研究提供新视角。

论文解读：《Direct sensitizing and activating effects of interleukin 31 are restricted to a single, functionally and transcriptionally classified porcine DRG neuron subtype》由Zeinab Abbasi等人发表于《Journal of Investigative Dermatology》。

【研究背景】

白细胞介素31（Interleukin-31，IL-31）是慢性瘙痒（chronic pruritus）的关键介质，血浆及皮肤中IL-31水平与特应性皮炎（atopic dermatitis，AD）等疾病的瘙痒强度正相关。临床中应用IL-31受体α亚基（IL-31 receptor α，IL31RA）阻断抗体nemolizumab或抑瘤素M受体β（Oncostatin M receptor β，OSMRβ）阻断抗体vixarelimab后，患者瘙痒在皮损改善前即迅速缓解，提示IL-31可能直接作用于躯体感觉神经元。虽然小鼠及人DRG中TRPV1⁺神经元可检测到IL-31受体亚基（IL31RA与OSMRβ），但IL-31直接促痒的确切神经元机制仍不清楚——人组织取材受限，小鼠皮神经缺乏典型机械不敏感C类化学伤害性感受器（mechano-insensitive C-chemonociceptors / silent nociceptors），且不同种属报道不一致（有的见即刻抓挠、有的仅见延迟或全身反应）。猪皮肤生理、炎症病理及皮肤传入神经纤维生物学均与人类高度相似，故研究人员选用猪DRG为模型，结合转录组与功能性分类，明确IL-31直接作用的神经元亚型。

【主要关键技术方法】

研究人员取12头雄性家猪（Sus scrofa domesticus）胸腰段DRG进行原代神经元培养，以Fluo-8AM钙成像记录化学与电刺激诱发的胞内钙信号，按组胺（200 μM）与辣椒素（10 μM）响应将神经元分为CAP⁺/His⁺（组胺+辣椒素+）、CAP⁺（辣椒素+组胺?）及CAP^?（双?）三组。电刺激采用矩形波（100 mA，1/2/4脉冲，2 ms）及正弦慢波（250 ms，4 Hz）与快波（20 ms，50 Hz，5–50 mA递增）。重组猪IL-31（recombinant porcine IL-31，rpIL-31）经STAT3报告基因实验验证种属特异性及效价。单细胞转录组数据（猪DRG snRNA-seq，GSE263532）用于验证HRH1、TRPV1、IL31RA、OSMR、JAK1在各转录簇的表达。在体部分通过激光散斑对比成像（laser speckle contrast imaging）检测猪皮肤内毒素皮内注射rpIL-31诱导的轴突反射性红斑面积，评估C-纤维活化。统计学采用Kruskal-Wallis检验、卡方趋势检验、贝叶斯删失回归（Bayesian censored mixed-effects regression）等。

【研究结果】

化学响应模式作为转录定义神经元类型的替代指标（Chemical response patterns as proxy for transcriptionally defined neuron-types）

重新分析猪DRG snRNA-seq发现HRH1高表达几乎仅限C-OSMR-SST簇，且该簇共表达TRPV1。钙成像显示589个神经元中11.9%（70个）对组胺响应，其中>87%也响应辣椒素（CAP⁺/His⁺），符合C-OSMR-SST转录特征。CAP⁺组占43.8%，CAP^?组占55.0%。表明组胺+辣椒素双响应分组可有效代表转录定义的C-OSMR-SST痒觉感受器。

矩形电刺激的差异响应（Differential responses to rectangular electrical stimulation）

三类神经元均可被矩形电脉冲诱发动作电位（AP）关联钙瞬变。CAP⁺/His⁺神经元钙瞬变的半衰减时间（half-decay time，T50）显著长于另两类（p < 0.0001），而单脉冲诱发的钙瞬变幅度无差异。提示CAP⁺/His⁺神经元具更长钙信号持续时间，符合机械不敏感C-化学伤害性感受器特征。

正弦电刺激的差异响应（Differential responses to sinusoidal electrical stimulation）

慢正弦波（250 ms）比快正弦波（20 ms）更易激活CAP⁺/His⁺神经元，其慢正弦阈值显著低于快正弦阈值（慢正弦偏好，slow sine wave preference，p = 0.0002），且该组对慢正弦波的响应比例最高。矩形波及正弦波均显示CAP⁺/His⁺神经元具长T50及慢正弦偏好，与其在体内记录的机械不敏感组胺痒编码C-纤维电生理特征吻合，支持C-OSMR-SST即功能上的组胺痒觉感受器。

猪DRG神经元被IL-31直接激活（Direct stimulation of porcine DRG neurons by rpIL-31）

snRNA-seq显示IL31RA、OSMRβ、JAK1几乎仅共表达于C-OSMR-SST神经元。重组人IL-31不激活猪受体，rpIL-31在HEK293过表达系统中EC₅₀≈48 ng/mL。用rpIL-31（272 ng/mL，EC₇₅）孵育原代神经元，~5%（10/202）出现钙瞬变，其中CAP⁺/His⁺组26%（6/23）被直接激活，CAP⁺组仅4.5%（4/85），CAP^?组无响应（p < 0.0001）。在体皮内rpIL-31注射诱发剂量依赖性轴突反射红斑（apparent EC₅₀≈5 ng/mL），证实C-OSMR-SST纤维在体可被rpIL-31激活产生传入活动。

IL-31对猪DRG神经元的致敏作用（Sensitization of porcine DRG neurons by IL-31）

两次组胺刺激间隔给予rpIL-31处理，可显著减轻组胺快速脱敏（tachyphylaxis）——第二次组胺响应保留至首次的69±5%（对照仅45±9%，p = 0.0245），且响应细胞比例从22%升至72%（p = 0.0369），此过程不伴急性钙瞬变，说明致敏通路上游不依赖胞内钙动员。矩形电刺激阈值不受rpIL-31影响，但正弦快波阈值在CAP⁺/His⁺神经元中被rpIL-31降低约10 mA（贝叶斯后验概率P = 0.94），慢波阈值不变。说明IL-31除减轻致痒原快速脱敏外，还可选择性提高该类神经元对非偏好波形电刺激的兴奋性。

【讨论与结论翻译】

本研究成功将基于单核转录组定义的神经元簇（高表达SST、HRH1、OSMR、IL31RA、NPPB）与体内鉴定的机械不敏感组胺响应痒觉感受器相关联——不仅依据化学响应模式，还依据特征性电兴奋性（长钙瞬变T50、慢正弦偏好）。IL-31受体复合物是猪与人中同一特定神经元簇（机械不敏感C-伤害性感受器/C-OSMR-SST）的保守标志，该簇也介导人皮肤组胺性瘙痒。虽然IL-31直接诱发CAP⁺/His⁺神经元钙瞬变的比例不高，但其明显抑制组胺快速脱敏并降低部分电刺激阈值，提示IL-31主要通过神经元致敏而非单纯直接激活参与慢性瘙痒发生，这与nemolizumab在AD中快速止痒但滞后抗炎的临床特点相符。研究局限包括以钙信号而非全细胞钳记录动作电位、仅关注IL-31急性短效、使用重组猪IL-31（人IL-31不交叉反应）及仅取自雄性猪。总之，研究人员通过考虑种属差异的逆转化（back-translational）方法，功能鉴定了一类特异表达IL-31受体的组胺响应痒觉C-纤维神经元亚型，阐明IL-31对该类神经元的直接激活与致敏双重作用，为慢性瘙痒的神经—免疫机制及抗IL-31受体治疗的快速止痒机制提供了细胞学依据。