单核与单细胞转录组学揭示牙周炎与阿尔茨海默病之间的神经免疫串扰

《Cellular and Molecular Neurobiology》：Neuroimmune Crosstalk Between Periodontitis and Alzheimer’s Disease Revealed by Single-Nucleus and Single-Cell Transcriptomics

　　

摘要

系统性炎症越来越被认为是神经炎症和神经退行性疾病进展的贡献因素。牙周炎是一种慢性口腔炎症疾病，已在流行病学和实验上与阿尔茨海默病（AD）联系起来，但其对单细胞分辨率下大脑细胞状态的影响尚不清楚。我们使用互补方法研究了实验性牙周炎和急性暴露于Fusobacterium nucleatum衍生无细胞裂解液对大脑细胞组成和转录谱的影响。使用结合结扎放置与重复F. nucleatum接种的双刺激模型，在 C57BL/6 和 5×FAD 小鼠中诱导实验性牙周炎。针对急性中枢神经系统（CNS）反应，将F. nucleatum衍生无细胞裂解液脑室内注射入 WT 小鼠，并在注射后一小时进行全脑单核 RNA 测序。针对慢性相关反应，从 4 月龄 WT_Healthy 小鼠以及 5×FAD 健康（AD_Healthy）和 5×FAD 牙周炎（AD_Perio）小鼠中分离 CD11b⁺ 髓系富集细胞和 ACSA-2⁺ 胶质细胞富集细胞，用于单细胞 RNA 测序。使用 HALLMARK、GO BP 和 Reactome 基因集集合进行 GSEA。本研究生成的测序数据集已存入基因表达综合数据库，登录号为 GSE334979、GSE335285 和 GSE335179。实验性牙周炎导致牙槽骨吸收、脑内 IL-1β 和 TNF-α 升高以及小胶质细胞形态激活。脑室内注射F. nucleatum无细胞裂解液提高了神经元兴奋性/抑制性比例，并广泛重塑了预测的细胞间配体 - 受体通讯网络，类似于早期 AD 样神经元失衡特征。单细胞 RNA 测序在 CD11b⁺ 髓系细胞中鉴定出七个细胞群。与 WT_Healthy 相比，5×FAD 基因型驱动了稳态小胶质细胞的进行性收缩和疾病相关巨噬细胞（DAM）的显著扩张。在 AD_Perio 与 AD_Healthy 的比较中，实验性牙周炎叠加在淀粉样蛋白病理上，在 DAM、边界相关巨噬细胞（BAM）和早期激活的小胶质细胞中表现出趋同的 TNF-α/NF-κB 上调。在早期激活的小胶质细胞中，与 WT_Healthy 相比，5×FAD 小鼠向较晚的拟时序偏移，且与 AD_Healthy 相比，AD_Perio 中有适度的进一步富集。在 ACSA-2⁺ 区室中，5×FAD 驱动了Emx2⁺ 皮层/区域星形胶质细胞的进行性收缩，这与牙周炎无关。在 5×FAD 小鼠中观察到所有五种胶质细胞亚型的代谢和生物合成通路的广泛抑制。牙周炎选择性逆转了这种抑制，并上调了髓鞘化少突胶质细胞、稳态星形胶质细胞和皮层 Emx2? 星形胶质细胞中的胆固醇稳态。这些发现提供了一个多细胞和分子框架，将牙周炎症与早期 AD 病理相关的神经炎症和神经元改变联系起来，表明髓系 NF-κB 激活、改变的小胶质细胞轨迹状态、BAM 对外周炎症挑战的反应性、皮层星形胶质细胞胆固醇和炎症通路调节以及少突胶质细胞压力易感性，是全身性口腔炎症可能贡献于 AD 相关脑病理的关键细胞机制。

图形摘要

图形摘要说明了牙周炎对脑细胞的影响：急性模型显示，在脑室内注射Fusobacterium nucleatum衍生裂解液后，E/I 神经元比例改变和细胞 - 细胞通讯重塑。慢性模型描绘了在单纯淀粉样蛋白病理下以及添加牙周炎后，髓系和胶质细胞的转录变化。