《Brain, Behavior, and Immunity》：CX3CL1-CX3CR1 signaling shapes the sex- and region-dependent neuroimmune response to LPS: Impact on plasticity and kynurenine pathway metabolism in the hippocampus
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全身性脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）以一种性别依赖和背腹侧依赖的方式调节海马长时程增强（long-term potentiation，LTP）。CX3CR1缺失在LPS处理后对雄性和雌性小鼠的LTP产生差异性影响。在Cx3cr1-/-小
全身性脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）以一种性别依赖和背腹侧依赖的方式调节海马长时程增强（long-term potentiation，LTP）。CX3CR1缺失在LPS处理后对雄性和雌性小鼠的LTP产生差异性影响。在Cx3cr1-/-小鼠中，LPS处理后的犬尿氨酸通路（kynurenine pathway，KP）激活被减弱。这些发现表明，CX3CL1-CX3CR1信号在炎症挑战下以性别和区域特异性的方式塑造了海马的突触可塑性和代谢反应。
一、研究背景、现存问题与研究目的
海马体沿其背腹轴在功能上存在显著分离，背侧海马（dorsal hippocampus，DH）主要参与空间学习与记忆，而腹侧海马（ventral hippocampus，VH）则更侧重于情绪调节。小胶质细胞作为中枢神经系统的固有免疫细胞，在响应外周炎症信号时表现出高度的异质性，其形态、密度和基因表达在不同脑区及不同性别间均存在差异。CX3CL1（fractalkine）是一种由神经元特异性表达的趋化因子，其受体CX3CR1几乎仅表达于小胶质细胞，构成了神经元与小胶质细胞之间独特的通讯系统。已有研究表明，在生理条件下，敲除CX3CR1会以一种性别和区域特异性的方式调节海马突触可塑性。此外，犬尿氨酸通路（kynurenine pathway，KP）是色氨酸代谢的主要途径，其下游产物包括具有神经活性的代谢物，如具有神经毒性的喹啉酸（quinolinic acid，QUINA）和具有神经保护作用的犬尿喹啉酸（kynurenic acid，KYNA）。炎症刺激可通过激活吲哚胺2,3-双加氧酶（indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO）将色氨酸代谢转向KP，从而影响神经元功能。然而，目前尚不清楚在炎症状态下，CX3CR1介导的神经元-小胶质细胞通讯如何在不同性别和海马亚区中调控突触可塑性和KP代谢。因此，本研究旨在探究系统性炎症如何差异性影响雄性和雌性小鼠的DH和VH，并明确这种反应是否依赖于fractalkine介导的神经元-小胶质细胞通讯。
二、研究内容、主要结论与意义
研究人员采用腹腔注射脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）建立急性外周炎症模型，结合电生理记录和代谢组学分析，系统研究了野生型（C57BL/6J）和Cx3cr1-/-小鼠在炎症挑战后海马突触可塑性和KP代谢的变化。主要结论如下：1）LPS以一种时间、性别和区域特异性的方式调节海马LTP：在雄性野生型小鼠中，LPS注射后3小时抑制DH的LTP，24小时后选择性增强VH的LTP；而在雌性野生型小鼠中，LTP仅呈现微弱的增强趋势。2）CX3CR1缺失改变了LPS对LTP的调节模式：在雄性Cx3cr1-/-小鼠中，LPS增强了DH而非VH的LTP；在雌性Cx3cr1-/-小鼠中，LPS则显著抑制了VH的LTP。3）LPS诱导的KP激活呈性别和基因型依赖性：在雄性野生型小鼠中，LPS广泛激活了KP，表现为犬尿氨酸（kynurenine，KYN）/色氨酸（tryptophan，TRP）比值升高，以及向小胶质细胞驱动的神经毒性分支的偏移；而在Cx3cr1-/-小鼠中，KP的激活程度显著减弱且更具区域性。这些发现揭示了CX3CR1信号在炎症挑战下作为海马突触可塑性和神经化学反应的性别和区域特异性调节因子的关键作用，为理解神经免疫交互作用的复杂性提供了新的视角。
三、关键技术方法
研究人员使用了成年（8-12周龄）雄性及雌性C57BL/6J野生型小鼠和Cx3cr1-/-小鼠（源自美国Jackson实验室）。关键技术方法包括：1）通过腹腔注射LPS（830 μg/kg）建立急性外周炎症模型；2）制备离体海马脑片，进行细胞外场电位记录，检测Schaffer侧支-CA1突触的长时程增强（LTP）和配对脉冲比（paired-pulse ratio，PPR）；3）采用实时定量逆转录聚合酶链反应（qRT-PCR）检测海马组织中Cx3cr1和Cx3cl1的mRNA表达水平；4）运用高效液相色谱-电喷雾串联质谱法（HPLC-ESI-MS/MS）定量分析DH和VH中的KP代谢物及多种神经递质浓度。
四、研究结果
3.1 LPS处理降低C57BL/6J和Cx3cr1-/-雄性和雌性小鼠的体重
通过测量体重变化验证LPS处理效果。结果显示，LPS注射后24小时，所有基因型和性别的小鼠体重均显著下降，证实了模型的有效性。
3.2 LPS诱导海马LTP发生性别、区域和基因型依赖性的改变
通过记录CA1区场兴奋性突触后电位（field excitatory postsynaptic potential，fEPSP）评估LTP。结果表明，在雄性野生型小鼠中，LPS注射24小时后VH的LTP显著增强，而DH无变化；但在雄性Cx3cr1-/-小鼠中，LPS反而增强了DH的LTP，VH无变化。在雌性野生型小鼠中，LTP未受显著影响，仅VH有增强趋势；相反，在雌性Cx3cr1-/-小鼠中，LPS显著降低了VH的LTP。三因素方差分析进一步确认了基因型、处理和区域的交互作用，表明fractalkine信号在VH对免疫挑战的反应中起关键作用。
3.3 LPS处理不影响C57BL/6J和Cx3cr1-/-雄性和雌性小鼠的配对脉冲比
通过分析PPR评估短时程可塑性。结果显示，在所有实验条件下，LPS处理均未改变PPR，表明LPS对谷氨酸释放概率无显著影响，其调节LTP的作用可能涉及突触后机制。
3.4 基础海马fractalkine信号成分的表达显示区域和性别特异性差异
通过qRT-PCR检测Cx3cr1和Cx3cl1的基础mRNA表达水平。结果显示，在雄性小鼠中，Cx3cr1在VH的表达显著高于DH，而雌性小鼠无此区域差异。此外，在DH中，雌性小鼠的Cx3cr1表达显著高于雄性。Cx3cl1的表达未观察到显著的性别或区域差异。
3.5 LPS以一种性别和基因型依赖的方式差异性调节海马犬尿氨酸通路激活
通过HPLC-ESI-MS/MS定量分析KP代谢物及其比值。结果表明，在雄性野生型小鼠中，LPS广泛激活了KP，导致DH和VH中TRP、KYN和3-羟基犬尿氨酸（3-hydroxykynurenine，3-HK）水平升高，KYN/TRP比值增加，KYNA/KYN比值降低，以及多个3-HK相关比值升高，指示代谢流向小胶质细胞驱动的神经毒性分支。相比之下，在雄性Cx3cr1-/-小鼠中，KP激活程度减弱且局限于特定区域，例如KYN/TRP比值仅在VH显著增加，而3-HK相关比值的升高幅度较小。在雌性小鼠中，LPS同样激活了KP，但效应弱于雄性，且Cx3cr1-/-小鼠的KP激活反应更为微弱。此外，LPS还差异性调节了多巴胺、去甲肾上腺素、乙酰胆碱等神经递质的水平，且这种调节也受到基因型和性别的影响。
五、讨论与结论
本研究表明，系统性炎症通过CX3CR1信号以一种性别和区域依赖的方式调节海马突触可塑性和KP代谢。在雄性小鼠中，LPS早期抑制DH的LTP，晚期增强VH的LTP，这与应激模型观察到的模式相似，暗示免疫信号沿海马轴招募不同的可塑性程序。CX3CR1缺失将这种可塑性变化的空间模式反转，表明fractalkine信号是炎症反应中海马区域特异性调节的关键因素。在雌性小鼠中，LPS对LTP的影响较弱，而CX3CR1缺失则选择性地暴露了VH对炎症的脆弱性，提示fractalkine信号在维持雌性小鼠突触功能稳定性方面发挥保护作用。同时，LPS诱导的KP激活在雄性中更为强烈且偏向神经毒性分支，而Cx3cr1-/-小鼠的KP反应显著减弱，进一步支持了CX3CR1在促进炎症相关的下游KP代谢中的作用。总之，这些发现强调了CX3CR1信号在塑造大脑对炎症的性别和区域特异性神经免疫及代谢反应中的核心地位，为理解神经精神疾病中性别差异的机制提供了重要线索。
