特应性皮炎外周-中枢免疫对话的跨物种转录组学证据——基于影像转录组学(Imaging Transcriptomics)与MC903诱导小鼠模型的研究

《Frontiers in Immunology》：Cross-species transcriptomic evidence for peripheral–central immune crosstalk in atopic dermatitis

　　

背景(Background)：特应性皮炎(Atopic dermatitis, AD)以外周炎症和剧烈瘙痒为特征。尽管AD中瘙痒诱发的大脑激活已有报道，但研究人员此前发现AD患者左侧额上回(left superior frontal gyrus, LSFG)存在异常静息态激活，该中枢功能障碍是否与外周免疫状态相关联尚不清楚。方法(Methods)：研究人员整合了AD患者(n=19)与健康对照(n=36)静息态功能磁共振成像(resting-state functional MRI, rs-fMRI)数据的神经影像转录组学(Imaging transcriptomics)，以及MC903诱导AD小鼠模型的转录组分析和实验验证。应用影像转录组学鉴定与LSFG异常激活相关的基因。采用滤泡辅助T细胞13条件性敲除(T follicular helper 13-conditional knockout, Tfh13-cKO)小鼠探讨减弱外周炎症是否影响中枢神经系统(central nervous system, CNS)神经炎症。采用RNA测序(RNA sequencing, RNA-seq)、流式细胞术(flow cytometry)、组织学及实时荧光定量PCR(real-time quantitative PCR, RT-qPCR)进行机制验证。结果(Results)：神经影像转录组学显示AD患者LSFG异常激活的空间模式与星形胶质细胞(astrocyte)和小胶质细胞(microglia)相关基因表达图谱、增强的炎症信号及多巴胺能(dopaminergic)和γ-氨基丁酸能(GABAergic)神经递质传递失调显著相关（基于Allen人脑图谱）。白细胞介素家族成员（IL13RA1、IL17RD、IL33）亦与LSFG影像表型呈强正相关。AD小鼠前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)呈现明显神经炎症表型，胶质标记物（Gfap、Aif1）及促炎介质（Tnf、Il6、Cxcl10）升高，伴突触可塑性受损的转录特征。值得注意的是，外周炎症减弱（IgE降低、效应T细胞及生发中心B细胞减少）的Tfh13-cKO AD小鼠其中枢神经炎症显著减轻，Ⅰ型干扰素α反应(interferon-alpha response)下调，突触可塑性相关基因表达恢复。结论(Conclusion)：慢性外周炎症可能与以LSFG和PFC为中心的神经炎症及神经递质失衡相关联，共同导致AD患者特异性大脑激活模式。本研究揭示了AD中新的外周-中枢免疫互作机制，为开发神经免疫靶向治疗策略提供了新思路。

本文对发表于《Frontiers in Immunology》的论文《Cross-species transcriptomic evidence for peripheral–central immune crosstalk in atopic dermatitis》进行解读总结。

研究背景

特应性皮炎(Atopic dermatitis, AD)是一种慢性炎性皮肤病，以干燥皮损、湿疹样病变和持续性瘙痒(pruritus)为特点。已知皮肤局部Th2相关细胞因子（如IL-4、IL-13、TSLP）与感觉神经元相互作用启动痒-抓循环，脊髓水平星形胶质细胞的活化也参与慢性瘙痒维持，但外周免疫系统与中枢神经系统(central nervous system, CNS)在AD中的关联仍不清楚。既往fMRI研究发现AD患者存在"痒矩阵(itch matrix)"区域异常激活，尤其是左侧额上回(left superior frontal gyrus, LSFG)静息态功能异常，且其功能连接强度与外周疾病严重程度负相关，提示外周炎症可能影响CNS功能。然而CNS异常激活的细胞分子机制尚未阐明。本研究旨在探究AD患者LSFG异常激活是否源于外周-中枢免疫对话介导的神经炎症(neuroinflammation)。

主要关键技术方法

研究人员招募AD患者19例（SCORAD>25）及健康对照(healthy control, HC) 36例，采集rs-fMRI数据并计算度中心性(degree centrality, DC)与功能连接(functional connectivity, FC)，以LSFG为种子点获得神经影像表型。采用影像转录组学(Imaging transcriptomics)工具将脑区基因表达谱（Allen Human Brain Atlas, AHBA）与影像表型进行Spearman相关分析，并对差异相关基因做细胞类型富集分析（Lake人脑细胞分型基因集）及基因集富集分析(gene set enrichment analysis, GSEA, Hallmark/KEGG/GO）。采用JuSpace进行MRI-核医学影像跨模态(cross-modal)相关分析评估LSFG神经递质系统。动物实验采用MC903（钙泊三醇calcipotriol）涂耳诱导C57BL/6N小鼠AD模型；构建IL-13^creBcl6^flox/flox（Tfh13条件性敲除，Tfh13-cKO）小鼠以减弱外周过敏性炎症；取前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)行RNA-seq、RT-qPCR验证炎症及胶质标记基因、免疫荧光染色观察Iba-1⁺小胶质细胞，流式细胞术分析引流淋巴结及脾脏免疫细胞亚群（Tfh、效应/记忆T细胞、生发中心germinal center, GC B细胞），ELISA检测血清IgE。

研究结果

3.1 Neuroimaging transcriptomics unveils the involvement of neuroinflammation in LSFG in AD patients

将AD患者与HC的DC及FC差异图映射于人脑基因表达谱，细胞类型富集显示LSFG区DC差异与星形胶质细胞显著相关（NES=2.09, p=0.001, FDR=0.03），FC差异与微胶质细胞及内皮细胞显著相关（p<0.05）。GSEA分析显示DC差异富集于"inflammatory response"和"interferon alpha response"等Hallmark通路及"asthma""staphylococcus infection"等KEGG通路。白细胞介素家族成员IL3RA、IL13RA1、IL17RD、IL33的表达与LSFG影像表型呈强正相关（padj<0.05），提示LSFG存在神经炎症相关的免疫激活。

3.2 MRI-nuclear imaging cross-modal correlations indicate the dysregulation of neurotransmitter system in LSFG of AD patients

跨模态相关分析发现LSFG区DC差异与多巴胺转运体(dopamine transporter, DAT)及¹⁸F-氟左旋多巴(¹⁸F-fluoro-L-dopa, FDOPA)呈负相关；FC差异与多巴胺D2受体(dopamine receptor D2, DRD2)、GABA_A受体(GABA subtype A receptor, GABAA)及去甲肾上腺素转运体(noradrenaline transporter, NAT)呈正相关，表明LSFG及异常连接脑区存在多巴胺能、GABA能和去甲肾上腺素能神经递质系统失调。

3.3 Integrated transcriptomic and experimental analyses recapitulate an augmented neuroinflammatory phenotype in AD mouse models

MC903诱导AD小鼠PFC转录组显示74个差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)，富集于"inflammatory response""immune response""chemokine activity"。GSEA示突触相关通路（"synaptonemal structure""GABA-A receptor complex"）下调，"interferon alpha response"上调，核心基因为Isg15、Ifit3、Oas1a、Stat2、Irf7、Irf9等干扰素刺激基因(interferon-stimulated genes, ISGs)。RT-qPCR验证PFC中Tnf、Il6、Cxcl10及小胶质标记Aif1（编码Iba-1）、星形胶质标记Gfap显著上调；免疫荧光示前扣带回皮质(anterior cingulate cortex, ACC)内Iba-1⁺小胶质细胞密度增加且形态呈活化状（胞体增大、突起缩短），证实AD小鼠PFC存在神经炎症及突触可塑性受损。

3.4 Peripheral immunological changes in AD mice may influence neuroinflammation signature in prefrontal cortex

3.4.1 Immune cell characterization in mice with Tfh13 cell-conditional knockout

流式细胞术显示Tfh13-cKO小鼠脾脏总T细胞增多、Tfh(CXCR5^hiPD-1⁺CD4⁺)细胞显著减少，效应CD4⁺T细胞(CD44⁺CD62L^-)减少、记忆CD4⁺T细胞(CD44^-CD62L⁺)趋势性增加，GC B细胞(B220⁺Fas⁺GL-7⁺)反应性改变，证实Tfh13缺失削弱效应T细胞活化及高亲和力IgE产生。

3.4.2 Deletion of Tfh13 cells can alleviate the onset of AD in mice

Tfh13-cKO AD小鼠耳部皮损更轻（水肿、脱屑减轻），H&E示表皮及真皮炎性浸润减少，血清IgE下降趋势，引流淋巴结效应CD4⁺T细胞及GC B细胞比例显著降低，证实Tfh13缺失通过减弱外周过敏性炎症缓解AD表型。

3.4.3 The prefrontal cortex of Tfh13-cKO AD mice exhibited attenuated neuroinflammation and enhanced synaptic plasticity

比较WT-AD与Tfh13-cKO AD小鼠PFC转录组，GSEA示Tfh13-cKO组突触可塑性相关通路（axon guidance、neuron remodeling）及多种神经递质系统通路上调，炎症相关（chemokine receptor signaling）、星形胶质细胞相关基因集及"interferon alpha response"通路下调。RT-qPCR示Tnf、Cxcl10、Aif1显著下调，Il6趋势下降；免疫荧光示ACC区Iba-1⁺小胶质细胞密度较WT-AD组降低，证实外周炎症减弱伴随CNS神经炎症减轻及突触可塑性恢复。

讨论与结论总结

讨论指出，本研究通过人脑影像转录组学与小鼠模型联合揭示AD患者LSFG异常激活由星形胶质细胞-小胶质细胞介导的神经炎症及多巴胺/GABA递质失衡驱动；AD小鼠PFC重现相似神经炎症特征（胶质活化、I型干扰素信号上调、突触可塑性下调）；Tfh13-cKO小鼠中外周炎症减弱后中枢神经炎症同步减轻，支持外周-中枢免疫轴(peripheral–central immune axis)的存在，I型干扰素-小胶质细胞轴可能为关键中介。跨模态分析提示LSFG多巴胺能信号增强（DAT下调、D2R上调、FDOPA降低）可能参与痒-抓循环。研究局限包括横断面设计及样本量偏小。

结论(Conclusion)：慢性外周炎症可能与以LSFG和PFC为中心的神经营炎及多巴胺能/GABA能神经递质失衡相关联，共同参与AD患者特异性大脑激活模式的形成。本研究揭示了AD中新型的外周-中枢免疫互作(peripheral–central immune crosstalk)机制，为开发神经免疫靶向治疗策略提供了新依据。