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免疫細胞關(guān)閉主要的代謝途徑可保護衰老的大腦

更新時間:2021-01-29 點擊次數(shù):1282
幾乎在每個組織中都發(fā)現(xiàn)了被稱為巨噬細胞的免疫細胞,對于維持器官健康和為抵抗致病生物提供道防線至關(guān)重要。巨噬細胞被激活后,其能量需求將急劇增加,因此它們會重新平衡或增強其兩個主要的能量產(chǎn)生代謝途徑(糖酵解和氧化磷酸化),從而迅速促進有效的免疫反應(yīng)。Minhas等人在Nature報告中指出巨噬細胞會在衰老過程中關(guān)閉這些代謝途徑,嚴重損害巨噬細胞的功能,進而損害大腦健康。這項工作不僅對保持衰老過程中的腦部健康有影響,而且對諸如阿爾茨海默氏病或敗血癥等并發(fā)癥產(chǎn)生不良狀態(tài),很多常見疾病也有同樣的影響。
 
隨著年齡的增長,大多數(shù)人都會出現(xiàn)慢性低度炎癥。一種不僅在衰老期間且在神經(jīng)退行性疾病期間都升高的炎癥信號蛋白是前列腺素E 2(PGE 2)。Minhas著手研究PGE 2是否可能引起巨噬細胞與年齡相關(guān)的變化。有趣的是,作者們發(fā)現(xiàn)人和小鼠巨噬細胞自身中PGE 2的產(chǎn)量增加了,無論是在大腦還是在身體的其他部位(外圍),這些都導致了PGE 2的激活受體蛋白EP2在細胞中,進而導致抑制氧化磷酸化和糖酵解。產(chǎn)生的能量不足狀態(tài)既限制了巨噬細胞的有益功能,又增加了炎癥。
 

為了確定這些變化是否會引起與年齡相關(guān)的認知功能障礙,作者研究了一種小鼠品系,其中EP2受體水平僅在人體和大腦的巨噬細胞中降低,并用EP2抑制劑治療了小鼠。令人驚訝的是,在兩種情況下,EP2抑制都能使巨噬細胞的新陳代謝恢復(fù)到年輕的水平,減少了周圍和大腦的炎癥,并減輕了認知能力下降(圖1)。這些結(jié)果表明(至少在小鼠中)衰老過程中的巨噬細胞功能障礙會影響大腦健康,并且可以通過逆轉(zhuǎn)細胞中的代謝關(guān)閉來恢復(fù)正常的細胞功能。

圖1 逆轉(zhuǎn)衰老巨噬細胞的代謝關(guān)閉。被稱為巨噬細胞的免疫細胞遍布全身(外圍)和大腦,在大腦中被稱為小膠質(zhì)細胞。

 

報告指出,在衰老過程中,外周巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生更多的蛋白質(zhì)前列腺素E2(PGE 2),該蛋白與細胞膜上的EP2受體結(jié)合。他們證明該信號通路的激活導致細胞中的代謝功能障礙,從而導致全身性慢性炎癥和認知能力下降。b:作者以兩種方式抑制EP2受體。首先,他們使用遺傳學方法降低巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞中的EP2水平。其次,它們在藥理學上抑制受體,但僅在外周血。在這兩種情況下,EP2抑制都能改善外周血巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞的代謝功能,減少炎癥并恢復(fù)認知能力。EP2的外周抑制導致小膠質(zhì)細胞改變的機制尚不清楚(虛線箭頭)。

Minhas和他的同事繼續(xù)深入研究了老年巨噬細胞的新陳代謝。他們發(fā)現(xiàn),相比于使用葡萄糖通過糖酵解或氧化磷酸化產(chǎn)生能量,這種巨噬細胞更傾向于以糖原(一種大的葡萄糖聚合物)的形式進行能量存儲。盡管糖原通常用作燃料儲備,但衰老的巨噬細胞盡管處于能量不足狀態(tài),但似乎并未使用該儲備。

目前尚不清楚為什么衰老的巨噬細胞會儲存額外的糖原,但樹突狀細胞(一種相關(guān)的細胞類型)會利用它們的糖原儲備來促進其早的炎癥反應(yīng)。因此,可以想象衰老的巨噬細胞增加了糖原的儲存,因此它們在急性炎癥激活過程中可以產(chǎn)生更強的免疫反應(yīng)。與這個想法一致,*,老化的小膠質(zhì)細胞(腦巨噬細胞)已被引發(fā),與年輕的小膠質(zhì)細胞相比,對炎癥的反應(yīng)更加強烈。Minhas和他的同事沒有直接分析糖原存儲量的增加是否能引發(fā)小膠質(zhì)細胞啟動。但是,這種可能性肯定值得研究,因為一些證據(jù)表明,老年大腦中加劇的免疫反應(yīng)會導致神經(jīng)退行性疾病。

值得注意的是,也有證據(jù)表明小膠質(zhì)細胞代謝功能異常在腦部疾病,尤其是阿爾茨海默氏病中起作用。在小膠質(zhì)細胞受體蛋白TREM2中攜帶突變的人患阿爾茨海默氏癥的風險增加了數(shù)倍。在小鼠中,TREM2缺乏會導致小膠質(zhì)細胞代謝的破壞和阿爾茨海默氏病的惡化。此外,小膠質(zhì)細胞長期暴露于聚集的淀粉樣β蛋白,這是阿爾茨海默氏病的標志,導致小鼠這些細胞中氧化磷酸化和糖酵解的分解。在這兩種情況下,增強小膠質(zhì)細胞新陳代謝都會在小鼠模型中導致較輕度的阿爾茨海默氏病。

在敗血癥(一種因感染引起的過度炎癥導致的疾病)中,PGE 2的水平也會增加,長期的認知缺陷通常會發(fā)展。在此,巨噬細胞進入一種稱為免疫麻痹狀態(tài),其特征還在于通過兩個氧化磷酸化的抑制和糖酵解。因此,在膿毒癥或衰老和神經(jīng)退行性疾病期間巨噬細胞的細胞關(guān)閉可能分別是對過度或慢性免疫刺激的反應(yīng)。從進化的角度來看,這種適應(yīng)將是有益的,因為它將保護有機體免受可能引起組織損傷的過度活躍的免疫反應(yīng)。但是,在生物體衰老的情況下,它似乎使大腦容易出現(xiàn)功能障礙甚至變性。在這些不同條件下,巨噬細胞免疫狀態(tài)是否確實相似尚待研究。
Minhas和他的同事研究的另一個有趣的方面是發(fā)現(xiàn),即使EP2抑制作用僅限于老年小鼠的周圍(使用無法進入大腦的物質(zhì)),大腦炎癥也可以逆轉(zhuǎn)并且認知功能得以恢復(fù)(圖1)。這證實了先前的發(fā)現(xiàn),即在大腦外部產(chǎn)生的免疫信號會影響小膠質(zhì)細胞,并且在敗血癥之后和在阿爾茨海默氏病小鼠模型的小膠質(zhì)細胞刺激大腦外部免疫細胞可以部分恢復(fù)外周巨噬細胞的代謝和功能。因此,越來越多的證據(jù)表明,在小鼠中,即使在疾病和衰老過程中,巨噬細胞仍對免疫刺激保持反應(yīng)。

下一個挑戰(zhàn)將是證明這種巨噬細胞可塑性也將在人類更長的壽命結(jié)束時得以保留,并且PGE 2 -EP2途徑與人腦衰老和疾病有關(guān)。此外,在衰老動物中誘導初的小膠質(zhì)細胞關(guān)閉或使小膠質(zhì)細胞恢復(fù)到年輕狀態(tài)的免疫信號仍然未知。

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