《Frontiers in Microbiology》：Vascular-associated bacterial burden and neuroinflammatory transcriptional responses observed in models of pneumonic plague
编辑推荐：
摘要：引言：鼠疫耶尔森菌（*Yersinia pestis*）是鼠疫的病原体，该病分为多种形式，包括腺鼠疫、败血性鼠疫和肺鼠疫。鼠疫性脑膜炎是一种罕见但严重的并发症，估计占确诊病例的6-11%，最常见于接受不足或未接受抗生素治疗的15岁以下腺鼠疫患者。迄今为止
摘要：引言：鼠疫耶尔森菌（*Yersinia pestis*）是鼠疫的病原体，该病分为多种形式，包括腺鼠疫、败血性鼠疫和肺鼠疫。鼠疫性脑膜炎是一种罕见但严重的并发症，估计占确诊病例的6-11%，最常见于接受不足或未接受抗生素治疗的15岁以下腺鼠疫患者。迄今为止，尚无关于肺鼠疫实验室动物模型中出现鼠疫性脑膜炎的报道。方法：因此，研究人员利用BALB/c小鼠肺鼠疫模型，研究暴露于雾化鼠疫耶尔森菌（*Y. pestis*）后中枢神经系统（CNS）的受累情况。采用多维度方法分析暴露后3天内不同时间点收集的小鼠脑匀浆中的细菌负荷、组织病理学、转录组数据和细胞因子表达。结果：攻毒后2天，脑匀浆中即检测到鼠疫耶尔森菌（*Y. pestis*）。脑匀浆中促炎细胞因子（包括IL-6）表达升高进一步支持CNS受累。在小鼠中开展并在非人灵长类（NHP）组织切片中确认的组织病理学分析未显示脑膜炎，而是表明细菌仍局限于小脑、大脑和鼻甲血管内。然而，针对小鼠神经炎症反应的转录组数据显示多个基因集转录特征发生改变，包括调节星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞功能的基因集。讨论：在急性肺鼠疫模型中，尽管鼠疫耶尔森菌（*Y. pestis*）似乎并未突破血管导致脑膜炎，但研究人员在感染小鼠的脑匀浆中发现了神经炎症反应的证据。还将该肺鼠疫小鼠模型与由类鼻疽伯克霍尔德菌（*Burkholderia pseudomallei*）引起的一种已知神经侵袭性疾病——吸入性类鼻疽的小鼠模型进行了比较。本文所述鼠疫诱导神经炎症小鼠模型的建立将有助于动物模型的优化、针对神经系统感染或全身感染相关神经系统影响的医学对策开发，以及鼠疫耶尔森菌（*Y. pestis*）诊断策略的改进。
**论文解读文章**
**1. 研究背景与问题**
鼠疫由革兰阴性菌鼠疫耶尔森菌（Yersinia pestis）引起，历史上曾导致三次大流行，包括导致欧洲30-40%人口死亡的黑死病。目前鼠疫在包括美国西部在内的多个地区仍呈地方性流行，近期刚果民主共和国和马达加斯加有显著暴发。鼠疫的临床形式包括腺鼠疫、败血性鼠疫和肺鼠疫，分别侵袭淋巴系统、血管系统和呼吸系统。其中，鼠疫性脑膜炎是一种罕见但严重的并发症，约占确诊案例的6-11%，在15岁以下未接受或接受不充分抗生素治疗的腺鼠疫患者中最为常见。然而，在肺鼠疫的实验室动物模型中，尚缺乏鼠疫性脑膜炎的报道。既往研究未能在小鼠模型中检测到鼠疫性脑膜炎或与鼠疫相关的神经炎症反应，相关数据极为匮乏。因此，研究人员旨在利用BALB/c小鼠肺鼠疫模型，探究中枢神经系统（CNS）在雾化鼠疫耶尔森菌暴露后的受累情况。
**2. 研究内容与结论**
研究人员采用多维度方法，包括分析细菌负荷、组织病理学、细胞因子表达和宿主转录组模式，系统评估了雾化感染鼠疫耶尔森菌CO92株后的BALB/c小鼠脑部反应。结果显示：攻毒后2天即在小鼠脑匀浆中检测到鼠疫耶尔森菌；脑匀浆中IL-6等促炎细胞因子显著升高，支持CNS受累；组织病理学分析表明，细菌局限于大脑、小脑和鼻甲的血管内，未扩散至实质组织，也未形成脑膜炎；但转录组数据揭示了神经炎症相关基因集的显著改变，尤其是星形胶质细胞功能相关基因上调，少突胶质细胞功能相关基因下调。重要的是，在非人灵长类（非洲绿猴）脑组织中也观察到相似的血管内细菌局限现象。通过与已知具有神经侵袭性的类鼻疽伯克霍尔德菌（Burkholderia pseudomallei）吸入感染模型比较，研究人员发现两种感染模型在脑匀浆中细菌负荷水平相似，但病变特征截然不同：类鼻疽菌可直接侵入脑实质引起坏死性脑膜脑炎，而鼠疫耶尔森菌仅局限于血管内。转录组比较显示，尽管部分基因集基因计数相似，但神经炎症基因表达的方向和幅度差异显著，类鼻疽模型呈现更强的上调趋势。该研究首次在实验动物模型中描述了肺鼠疫相关的神经炎症转录反应，为动物模型优化、医学对策开发及诊断策略改进提供了基础。
**3. 关键技术与方法**
- **动物模型**：采用雌性BALB/c小鼠（Charles River，Frederick, MD，7-9周龄）经全身气溶胶暴露室雾化感染鼠疫耶尔森菌CO92株；同时利用“组织共享”方式获取非洲绿猴（Chlorocebus aethiops）脑组织切片进行确认分析。**样本队列来源**：BALB/c小鼠购自Charles River，非人灵长类经认可供应商购买。
- **细菌负荷测定**：在攻毒后第1、2、3天（约66小时）采集脑、肺、脾匀浆，进行菌落计数（CFU）。
- **细胞因子分析**：使用Luminex多因子检测试剂盒（Mouse ProcartaPlex 36-Plex）测定脑匀浆中36种细胞因子浓度。
- **组织病理学与免疫组化（IHC）**：对非灌注的小鼠及非人灵长类脑组织（包括嗅球、大脑、小脑、鼻甲、脊髓）进行苏木精-伊红（HE）染色和抗鼠疫耶尔森菌抗体IHC染色。
- **转录组分析**：使用NanoString nCounter Mouse Neuroinflammation Panel（770个靶基因）对脑匀浆RNA进行差异基因表达分析和基因集分析，采用Benjamini-Yekutieli方法校正p值，以≥|±1| log2倍数变化（LFC）和校正p<0.05为阈值筛选差异表达基因。
**4. 研究结果**
**3.1 鼠疫耶尔森菌存在于雾化暴露小鼠的脑匀浆中**
通过菌落计数发现，攻毒后第1天仅肺脏检出大量细菌；第2天感染系统化，脑匀浆中检出鼠疫耶尔森菌；第3天各组织（脑、肺、脾）细菌负荷进一步升高。
**3.2 鼠疫耶尔森菌在小鼠脑中诱导促炎性细胞因子谱**
Luminex检测显示，第2天起脑匀浆中G-CSF、CXCL1、CCL2、CCL5、IL-6、CXCL2、IL-1α等显著升高，其中G-CSF和CXCL1分别升高100倍和1000倍（p<0.001），表明强烈的中性粒细胞反应。IL-6的升高与血脑屏障（BBB）通透性增加相关。
**3.3 雾化暴露小鼠的神经炎症转录特征**
NanoString转录组分析显示，第1天仅3个基因差异表达；第2天和第3天分别增至46和56个基因，其中31个基因共有。基因集分析（DGSS）表明，星形胶质细胞功能相关基因集在第2天开始上调，第3天上调最为显著（DGSS≥1）；而少突胶质细胞功能相关基因集高度下调（DGSS=-4.127）。这表明CNS相关胶质细胞的转录活动发生明显改变。
**3.4 急性肺鼠疫中鼠疫耶尔森菌局限于小鼠和非人灵长类脑内血管**
IHC染色显示，攻毒后第3天，濒死小鼠脑膜、大脑、小脑血管内可检测到鼠疫耶尔森菌抗原，但实质组织内无阳性信号；非人灵长类脑组织也观察到类似现象，细菌局限于脑血管和毛细血管内。
**3.5 雾化暴露小鼠脑匀浆中鼠疫耶尔森菌与类鼻疽伯克霍尔德菌感染所致神经影响的比较**
两种感染模型在脑匀浆中的细菌负荷相似，但组织病理学截然不同。转录组比较显示，第2天时鼠疫感染小鼠的微胶质细胞和神经元相关基因集计数更高，而类鼻疽感染小鼠的星形胶质细胞、细胞因子信号、细胞应激基因集计数更高；第3天时类鼻疽感染小鼠几乎所有基因集计数均更高，但鼠疫感染小鼠69%的差异表达基因与类鼻疽模型共享。DGSS分析表明，类鼻疽模型的神经炎症基因集整体上调，而鼠疫模型呈早-促炎反应模式；星形胶质细胞相关基因集在两个模型中均高度上调，但类鼻疽模型上调幅度约为鼠疫模型的两倍；少突胶质细胞和神经元功能相关基因集在两个模型中均下调；微胶质细胞功能在鼠疫模型中整体下调，在类鼻疽模型中上调。关键基因如Lcn2、Agt、Fbln5（星形胶质细胞）、Opalin、Ugt8a、Sox10（少突胶质细胞）、Gpr34、P2ry12、Cx3cr1（微胶质细胞）的表达模式在两个模型间存在异同。
**5. 讨论与结论**
讨论部分指出，尽管小鼠模型中未观察到细菌性脑膜炎，但脑匀浆中的促炎细胞因子和转录组数据揭示了明确的神经炎症反应，尤其是星形胶质细胞功能相关基因的显著上调（如Lcn2、Agt、Fbln5）和少突胶质细胞功能相关基因（如Opalin、Sox10、Ugt8a、Pllp）的显著下调，提示髓鞘发育与维持可能受损。微胶质细胞相关基因的双向表达表明同时存在激活与功能抑制。C1q基因（C1qA、C1qB、C1qC）上调可能参与补体介导的突触修剪。研究还讨论了鼠疫耶尔森菌毒力因子（如纤溶酶原激活剂Pla和T3SS效应子Yops）在BBB破坏中的潜在作用。作者认为，在急性肺鼠疫模型中，疾病进展过快（3-4天致死），可能不足以发展成脑膜炎；未来需通过降低感染剂量或亚优抗生素治疗延长病程，以建立鼠疫性脑膜炎模型。
**结论翻译**：
尽管在急性肺鼠疫模型中鼠疫耶尔森菌（*Y. pestis*）似乎并未突破血管导致脑膜炎，但研究人员在感染小鼠脑匀浆中发现了神经炎症反应的证据。通过与已知具有神经侵袭性的类鼻疽伯克霍尔德菌（*B. pseudomallei*）吸入感染模型比较，揭示了两者神经炎症反应的相似性与差异。本文所述鼠疫诱导神经炎症小鼠模型的建立将有助于动物模型优化、针对神经系统感染或全身感染相关神经系统影响的医学对策开发，以及鼠疫耶尔森菌（*Y. pestis*）诊断策略的改进。
