《Brain, Behavior, and Immunity》：Effects of lipopolysaccharide on energy metabolism and immune cell activation in different microglia model systems
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微胶质细胞在脂多糖（LPS）刺激下呈现显著的代谢差异，研究比较了鼠源BV-2细胞系、人iPSC衍生微胶质细胞及急性分离鼠微胶质细胞的代谢重编程与一氧化氮（NO）生成特征。发现鼠系细胞依赖NO抑制氧化磷酸化维持糖酵解，而人类及活体鼠源微胶质在LPS激活下保留线粒体呼吸且NO表达不明显。该研究揭示微胶质激活的代谢机制存在物种及培养条件特异性，对神经退行性疾病治疗靶点选择具有重要启示。
Susanne Michels | Johanna Eichberg | Fahd Alhamdan | Micha Engeser | Rafael Leite Dantas | Felix SR Picard | Mona Mathews-Ajendra | Oliver Brüstle | Martin K.H. Sch?fer | Judith Alferink | Holger Garn | Markus W?hr | Carsten Culmsee
马尔堡大学药理学与临床药学研究所，德国马尔堡
摘要
小胶质细胞是大脑中的固有免疫细胞，它们持续监测周围环境中的组织损伤或病原体迹象。当受到脂多糖（LPS）等刺激激活时，小胶质细胞会经历代谢变化并释放促炎介质。然而，人类和小鼠小胶质细胞之间的差异，以及体外和体内条件之间的差异，可能会影响小胶质细胞的机能及其对刺激的反应。在本研究中，我们比较了多种小鼠和人类模型系统，包括细胞系、原代培养物、诱导多能干细胞（iPSC）衍生的培养物以及急性分离的小胶质细胞，发现它们在LPS诱导的代谢变化和一氧化氮（NO）生成方面存在显著差异。利用小鼠小胶质细胞系BV-2，我们证明NO通过阻断氧化磷酸化过程对限制代谢为糖酵解至关重要。相比之下，人类iPSC衍生的小胶质细胞以及从腹腔注射的大鼠中急性分离的小胶质细胞在LPS激活后仍保持线粒体呼吸，并且没有表现出显著的一氧化氮生成和可诱导的一氧化氮合酶（iNOS）表达。此外，我们还发现NO并非LPS刺激下糖酵解速率增加或促炎细胞因子释放所必需的。我们的结果表明，无论是否产生NO，糖酵解对于小胶质细胞的激活和细胞因子生成都是必不可少的。然而，涉及的特定代谢途径可能因物种和实验条件而异。了解这些差异对于开发针对神经系统疾病中小胶质细胞功能障碍的有效治疗策略至关重要。
引言
小胶质细胞代表了大脑的先天免疫细胞，它们不断监测周围环境中的组织损伤或病原体迹象，分泌营养因子、细胞因子和趋化因子，具有吞噬能力，并调节突触的稳定性和修剪（Wolf等人，2017年）。小胶质细胞驱动的炎症反应对于感染和无菌损伤期间的神经元存活和维持至关重要（Cherry等人，2014年）。另一方面，过度或持续的神经炎症与神经元稳态的损害有关，可能会促进阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化症以及自闭症和抑郁症等精神疾病的发展和进展（Mondelli等人，2017年；Jurga等人，2020年；Soto-Heredero等人，2020年）。小胶质细胞对环境扰动非常敏感，在受到刺激时会从稳态状态转变为反应状态。这些适应性过程具有不同的代谢需求，细胞能量代谢的变化在其调节中起着关键作用（Orihuela等人，2016年；Riester等人，2020年）。小胶质细胞在能量上具有灵活性，能够进行糖酵解和氧化代谢（Zhang等人，2014年；Ghosh等人，2018年）。虽然效率较低，但糖酵解能够快速提供能量，并为细胞增殖、迁移、吞噬作用和细胞因子生成提供必要的分子中间产物（Bernier等人，2020年；Harry等人，2020年）。小鼠体外研究表明，与巨噬细胞类似，小胶质细胞在基础条件下主要依赖线粒体氧化磷酸化，在受到脂多糖（LPS）刺激时则切换到糖酵解（Kelly和O'Neill，2015年；Orihuela等人，2016年）。LPS是大多数革兰氏阴性细菌细胞壁中的高度免疫原性成分，作为病原体相关分子模式（PAMP）与Toll样受体4（TLR4）结合，触发随后的炎症反应，被认为是实验激活小胶质细胞的金标准（Hanisch和Kettenmann，2007年）。
迄今为止，大多数研究小胶质细胞代谢和炎症反应的研究都是在小鼠体外培养物中进行的（Orihuela等人，2016年；Wang等人，2019年；Cheng等人，2021年）。然而，人类和小鼠小胶质细胞在蛋白质同源性和基因表达模式上存在显著差异（Hanger等人，2020年；Hasselmann和Blurton-Jones，2020年）。此外，培养的小胶质细胞与其自然大脑环境中的小胶质细胞相比，在表型和转录特征上存在显著差异（Butovsky等人，2014年；Bernier等人，2020年）。总体而言，这些差异可能会影响小胶质细胞的机能及其对刺激的反应。在本研究中，我们比较了不同小鼠和人类小胶质系统（即细胞系、原代培养物、iPSC衍生的培养物以及体内模型）对LPS的代谢和炎症反应。
BV-2细胞培养（BV-2）
永生化的小鼠（C57BL/6）BV-2细胞（Blasi等人，1990年）在RPMI 1640培养基中培养（含有11.1 mM D-葡萄糖，Fisher Scientific GmbH，德国Schwerte），该培养基添加了10% FBS（Merck KGaA，德国Darmstadt）、100单位/ml青霉素（Merck KGaA，德国Darmstadt）、100 μg/ml链霉素（Merck KGaA，德国Darmstadt）和2 mM谷氨酰胺（Capricorn Scientific GmbH，德国Ebsdorfergrund），以及55 μM β-巯基乙醇（Fisher Scientific GmbH，德国Schwerte），培养温度为37°C。
结果
我们研究了不同来源的小胶质细胞对LPS介导的生物能量学和炎症介质分泌的影响。小鼠BV-2细胞被500 ng/ml LPS刺激24小时（图1A）。然后通过使用Seahorse XFe96分析仪测量氧消耗率（OCR，即线粒体呼吸的指标）和细胞外酸化率（ECAR，即糖酵解的指标）来研究细胞能量代谢（图1B,D）。
讨论
尽管小胶质细胞在发育起源和转录特征上具有独特性，但它们与外周巨噬细胞在表型和炎症信号通路方面有许多共同点（Harry等人，2020年；Soto-Heredero等人，2020年）。在炎症激活过程中，小鼠巨噬细胞会从氧化磷酸化代谢转变为有氧糖酵解，这与我们在体外培养的小鼠小胶质细胞（BV-2、rPMG、rMG 7DIV）中获得的结果相似（图1、图2、图3）。
CRediT作者贡献声明
Susanne Michels：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、方法学、研究、正式分析、概念化。
Johanna Eichberg：验证、研究。
Fahd Alhamdan：撰写 – 审稿与编辑、可视化、正式分析。
Micha Engeser：验证、研究、正式分析。
Rafael Leite Dantas：研究、正式分析。
Felix SR Picard：研究、正式分析。
Mona Mathews-Ajendra：资源、方法学。
Oliver Brüstle：
资助
本工作属于“情感障碍的神经生物学”研究单元（FOR2107）、合作研究中心“治疗期望”（CRC 289）和“情感障碍的轨迹”（CRC 393）的一部分，并得到了德国研究基金会（DFG）的资助（CC项目ID 465484942；FOR2107项目ID 240413749；CRC393项目ID 521379614；MW项目ID 1732/4-2；CRC/TRR 289项目ID 422744262；CRC/TRR 393项目ID）和MW项目ID）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Annuska Berz、Marek Ellenberger、Katharina Els?sser、Hauke Fender、Anneke Fu?、Mathangi Ganesan、Madeline Günther、Lukas Hinder、Jens Kocksk?mper、Oliver Kübeck、Nicole L?wer、Melanie Merkel、Rainer K.W. Schwarting、Stephan Tang和Marion Zibuschka在LPS体内项目中的支持。我们还要感谢Christian Felski在整理hiPSC MG方法部分时提供的帮助。
