《Microbiology Spectrum》：TRPV1–STAT3 signaling as a driver of lethal pathology during pneumococcal nose-to-brain invasion
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鼻-脑侵染（nose-to-brain infection）是一种病原体经由神经通路而非血行途径侵入中枢神经系统的感染方式。嗅神经和三叉神经系统被认为参与该过程，但致死性病理的分子机制仍未完全阐明。研究人员假设三叉神经TRPV1及其下游STAT3信号参与肺炎球
鼻-脑侵染（nose-to-brain infection）是一种病原体经由神经通路而非血行途径侵入中枢神经系统的感染方式。嗅神经和三叉神经系统被认为参与该过程，但致死性病理的分子机制仍未完全阐明。研究人员假设三叉神经TRPV1及其下游STAT3信号参与肺炎球菌鼻-脑侵染期间的疾病进展。研究建立了使用肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的小鼠鼻内感染模型，并通过甲巯咪唑诱导嗅觉上皮损伤和/或树脂毒素介导的三叉神经TRPV1消融。研究评估了细菌载量和生存率。对包含鼻腔和嗅球的冠状头部切片进行了空间转录组学（spatial transcriptomics）分析，以鉴定区域特异性转录应答。嗅觉上皮损伤显著增加了肺炎球菌向嗅球的侵袭，但三叉神经TRPV1消融提高了生存率。空间转录组学分析鉴定出一个在甲巯咪唑处理小鼠中富集的独特转录簇，该簇定位于嗅觉上皮及邻近嗅球。该簇表现出以STAT3为中心的转录调控网络，并富集炎症和组织重塑通路。这些特征提示，嗅觉上皮损伤相关局部炎症微环境的形成。研究提示，嗅觉上皮损伤与三叉神经TRPV1激活通过STAT3介导的炎症信号协同加剧鼻-脑侵染。该TRPV1-STAT3轴可能是连接感觉神经元激活与致死性神经炎症的关键机制。靶向该通路可能为预防呼吸道感染相关的严重中枢神经系统并发症提供新的治疗策略。
论文解读：TRPV1–STAT3信号在肺炎球菌经鼻-脑侵染致死性病理中的作用
一、研究背景与科学问题
中枢神经系统通常受到血脑屏障的保护，但某些病原体可通过非血行途径从鼻腔直接侵入脑组织。颅骨中分布着众多供神经纤维通过的孔道，这些解剖结构为病原体提供了经鼻-脑侵染的潜在通路。中枢神经系统感染病情危重、预后差，并可能导致运动、感觉或认知功能障碍。因此，阐明鼻-脑侵染的分子机制对于理解中枢神经系统感染性疾病和寻找新的治疗靶点具有重要意义。
鼻腔的感觉神经系统在鼻-脑侵染中发挥关键作用，主要包含嗅神经和三叉神经。嗅感觉神经元在鼻腔内形成上皮屏障，可物理性限制病原体经鼻-脑途径进入中枢神经系统；三叉神经元则能检测潜在有害刺激并启动保护性反应，促进异物清除。这种由感觉神经元调控免疫应答的机制被称为“感觉免疫学”。瞬时受体电位香草酸亚型1（TRPV1）是一种可感知伤害性和炎症刺激的离子通道，在嗅神经和三叉神经元中均有表达。尽管肺炎球菌多糖疫苗已临床应用，肺炎链球菌仍是侵袭性感染的重要病原体，尤其威胁幼儿和老年人。
研究人员前期工作已证明，鼻-脑侵染过程中三叉神经TRPV1激活可诱导白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的过度表达，导致致死性病理。然而，TRPV1激活如何引发这些炎症反应的分子机制尚不清楚。鉴于JAK/STAT3信号通路在感染和组织损伤相关的炎症反应中发挥核心作用，研究人员提出假设：三叉神经TRPV1激活可能通过STAT3信号通路加剧感染。
二、研究目的与实验设计
本研究旨在利用小鼠鼻内肺炎球菌感染模型，结合空间转录组学分析，探究嗅觉上皮损伤和三叉神经TRPV1在鼻-脑侵染致死性病理中的作用机制。研究人员将6–8周龄野生型（WT）小鼠随机分为四组：对照组、甲巯咪唑（MZ）处理组、树脂毒素（RTX）处理组、甲巯咪唑联合树脂毒素（MZ-RTX）处理组。甲巯咪唑可选择性地损伤嗅觉上皮（包括嗅感觉神经元），树脂毒素则选择性消融表达TRPV1的三叉神经元。所有小鼠经鼻内接种肺炎链球菌6A血清型菌株，于感染后72小时评估细菌播散情况，并在部分实验中观察生存率至336小时。
三、主要关键技术方法
研究采用以下关键技术：（1）小鼠鼻内肺炎球菌感染模型：使用肺炎链球菌6A血清型菌株P2431，以1.0×103至1.3×103菌落形成单位（CFU）/μL的剂量经鼻内接种；该菌株具有荚膜、毒力强，可经鼻内感染引起脓毒症。（2）空间转录组学分析：利用10x Genomics Visium HD平台，对包含鼻腔和嗅球的冠状头部切片进行16 μm分辨率的空间基因表达分析，结合质量控制、降维聚类和差异基因鉴定。（3）功能富集分析：通过Metascape平台进行基因本体（GO）生物学过程富集分析和转录因子富集分析。（4）蛋白验证：采用Western blot检测嗅球匀浆中总STAT3蛋白表达；采用磷酸化STAT3（Tyr705）免疫荧光染色量化阳性细胞比例。（5）细菌载量测定与生存分析：收集鼻灌洗液、血液和嗅球组织，稀释涂板计数CFU；生存曲线采用log-rank检验比较。样本来源：WT C57BL/6J小鼠购自Charles River Laboratories Japan，TRPV1基因敲除小鼠（B6.129 X 1-Trpv1tm1Jul/J；JAX 003770）购自Jackson Laboratory，动物饲养和实验在和歌山医科大学动物设施中进行。
四、研究结果
1. 嗅觉上皮损伤促进颅内侵袭，而三叉神经TRPV1激活导致致死性
感染后72小时，MZ组和MZ-RTX组小鼠血液和嗅球中的细菌载量显著高于对照组，但RTX组与对照组无显著差异。MZ-RTX组鼻灌洗液中细菌载量也较对照组显著增加。生存分析显示，经甲巯咪唑预处理后，WT小鼠的生存率显著低于TRPV1敲除（KO）小鼠。结果表明，嗅觉上皮损伤促进细菌向颅内侵入，而三叉神经TRPV1主要参与感染后的致死性进展，而非细菌进入本身。
2. 空间转录组数据质量控制
对包含鼻腔和嗅球的冠状切片进行HE染色评估形态学。检测基因数（nFeature_Spatial）和唯一分子标识符（UMI计数，nCount_Spatial）在各样本中均呈广泛分布，表明获得了足够的转录组信息。去除低质量点后，剩余点主要定位于组织区域并与组织学结构吻合。UMAP嵌入显示各实验组点广泛分布，无明显的样本特异性聚集偏倚，排除技术伪影的影响。
3. 空间转录组鉴定转录簇
基于基因表达谱的聚类分析共鉴定出7个转录簇（簇0–6）。其中，簇4在MZ组中所占比例相对较高，而簇1、2、3在多个实验组中广泛分布。簇4约占全部空间转录组点的8%，但优先富集于MZ组。
4. 转录簇在鼻组织中的空间分布
将转录簇映射到组织切片后发现，点主要定位于嗅觉上皮（红色箭头）和嗅球（黑色箭头）。对照组以簇2为主，MZ组以簇4为主，RTX组和MZ-RTX组均以簇0为主。簇4在MZ组中主要定位于嗅觉上皮及部分嗅球区域。
5. 簇4的基因表达特征与功能表征
热图显示簇4具有相对独特的转录特征。转录因子富集分析发现STAT3是簇4基因最显著富集的转录因子，其他因子包括SRF、STAT1、SP1、SMAD3和FOS。GO生物学过程富集分析显示簇4基因显著关联炎症反应的正向调控、细胞运动的正向调控和组织形态发生等过程。结果提示簇4具有炎症反应和组织重塑相关的转录特征，且STAT3相关转录调控可能将三叉神经TRPV1信号与鼻-脑侵染中的炎症反应联系起来。
6. 甲巯咪唑处理小鼠中STAT3相关信号的验证
Western blot分析显示，MZ组嗅球匀浆中总STAT3表达（标准化至GAPDH）显著高于对照组，验证了空间转录组发现的STAT3相关转录程序。磷酸化STAT3免疫荧光染色显示，MZ-RTX组磷酸化STAT3阳性细胞数显著低于MZ组，表明三叉神经TRPV1功能障碍与嗅觉上皮损伤及肺炎球菌感染后STAT3相关信号的减弱相关。
五、讨论与结论
本研究表明，嗅觉上皮损伤是促进肺炎球菌鼻-脑侵染的关键因素，而三叉神经TRPV1对细菌进入贡献较小，但主要影响感染后的宿主反应。生存数据提示，疾病严重程度不能仅用细菌载量解释，三叉神经TRPV1依赖性炎症反应驱动了致死性病理。簇4可能代表与嗅觉上皮损伤相关的局部炎症微环境中的转录程序，该程序以STAT3为中心，并受三叉神经TRPV1信号的调控。研究将TRPV1–STAT3轴确定为连接感觉神经元激活与致死性神经炎症的关键机制。尽管本研究提供了两者关联的证据，但尚不能确立严格的因果关系，需注意甲巯咪唑可能引起广泛的上皮损伤和再生反应，树脂毒素也可能影响三叉神经元之外的其他TRPV1阳性感觉通路。
研究结论：嗅觉上皮损伤和鼻腔病毒感染可促进肺炎球菌经鼻-脑途径的细菌侵袭，而三叉神经TRPV1激活通过STAT3介导的炎症信号加剧宿主致死性反应。TRPV1–STAT3通路作为感觉免疫学的新靶点，为预防呼吸道感染相关的中枢神经系统严重并发症提供了潜在的治疗策略。
