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创伤性脑损伤（TBI）后IL-1受体1（IL-1R1）信号通过促进神经炎症和神经元稳态紊乱导致认知障碍。本研究通过IL-1R1 KO小鼠模型，发现敲除该受体显著减少TBI后3天脑皮质白细胞浸润及30天血浆神经丝轻链（NfL）升高，并降低7天海马和皮层IL-1β、TNF-α等炎症因子mRNA表达。IL-1R1 KO还改善30天TBI小鼠的条件恐惧反射记忆缺陷，并抑制海马神经元pCREB活性降低。snRNA-seq分析显示，IL-1R1 KO使海马齿状回和CA1区域TBI诱导的DEGs减少73%-96%，涉及学习记忆、T细胞信号及突触维持相关通路。
阿玛拉·C·戴维斯（Amara C. Davis）| 伊桑·J·古德曼（Ethan J. Goodman）| 林德·M·旺格勒（Lynde M. Wangler）| 乔纳森·M·帕克（Jonathan M. Packer）| 拉齐恩·塔马查克（Razeen Thammachack）| 维达特·O·伊尔迪兹（Vedat O. Yildiz）| 普里亚·夏尔玛（Priya Sharma）| 麦茨杰·皮耶特扎克（Maciej Pietrzak）| 莫晓奎（Xiaokui Mo）| 安宁·权（Ning Quan）| 乔纳森·P·戈德布特（Jonathan P. Godbout）
俄亥俄州立大学韦克斯纳医学院神经科学系，美国哥伦布市西10街333号
摘要
创伤性脑损伤（TBI）会增加患神经精神疾病和认知障碍的风险。先前的研究表明，与白细胞介素（IL）-1和干扰素信号通路相关的炎症反应在TBI后会在大脑中持续存在。大脑中的多种细胞类型表达白细胞介素-1受体-1（IL-1R1），包括内皮细胞、星形胶质细胞和神经元。因此，本研究的目的是确定TBI后IL-1R1介导的信号传导是否会导致神经炎症，并破坏神经元的稳态和认知功能。实验中使用了野生型及全球IL-1R1敲除（KO）小鼠。这些小鼠接受了中线液体冲击损伤引起的弥漫性TBI，并在损伤后3天、7天和30天分别评估了多个参数。在损伤后3天，TBI导致了胶质增生、皮质炎症以及皮质中白细胞的积累；而IL-1R1 KO小鼠则表现出这些现象的减轻。在损伤后7天，TBI仍导致皮质和海马区的胶质增生，但这一过程与IL-1R1无关。IL-1R1 KO小鼠还减少了海马区和皮质中Il1b、Tnfa和Irf7 mRNA的水平升高。此外，TBI还降低了7天时的恐惧记忆能力，并增加了血浆中的神经丝轻链（NfL）水平，但这些缺陷在IL-1R1 KO小鼠中得到了缓解。IL-1R1 tdTomato报告基因小鼠证实，IL-1R1在海马齿状回中表达，并在TBI后表达增强。进一步的研究显示，TBI显著改变了海马齿状回（DG）和CA1区域的RNA谱型，其中CA1区域有2572个基因，DG区域有1012个基因发生差异表达。在这些差异表达基因中，大多数在TBI后表达减少，其中73%和96%的基因在IL-1R1 KO小鼠中得到了恢复。这些基因与学习与记忆、T细胞信号传导以及突触组织和维持相关。此外，IL-1R1 KO小鼠在TBI后30天的恐惧条件反射能力也有所改善。总体而言，这些数据表明TBI后的IL-1R1信号传导会引发与认知障碍相关的神经元功能障碍。
引言
每年都有数百万人因跌倒、交通事故、袭击和运动损伤而遭受创伤性脑损伤（TBI）（CDC，2022年）。事实上，TBI是美国神经功能障碍的主要原因之一（Gooch等人，2017年）。此外，TBI还是导致神经精神并发症（如抑郁症、焦虑症和认知障碍）的重要风险因素（Bodnar等人，2018年；Corrigan等人，2021年；Himanen等人，2006年；Jorge等人，2004年；Millis等人，2001年；Perry等人，2016年；Silver等人，2009年；Till等人，2008年）。TBI后，15-30%的患者会出现认知能力下降（Crane等人，2016年；Himanen等人，2006年；Millis等人，2001年；Perry等人，2016年；Salmond等人，2006年；Till等人，2008年）。因此，TBI对健康和寿命有着长期的影响。
影响TBI恢复的一个关键因素是神经炎症。在啮齿动物和人类中，TBI后都存在持续的神经炎症（Ramlackhansingh等人，2011年；Ritzel等人，2023年）。此外，TBI还会增加患炎症性神经病理疾病的风险，包括阿尔茨海默病、额颞叶痴呆和帕金森病（Fleminger等人，2003年；Gardner等人，2015年；Gardner等人，2014年；Gardner和Yaffe，2015年；Kokiko-Cochran和Godbout，2018年；Perry等人，2016年；Stern等人，2013年；Stern等人，2011年）。功能性磁共振成像（fMRI）研究显示，TBI数十年后仍存在炎症，并且白质损失比健康对照组更为严重（Johnson等人，2013年；Spitz等人，2022年）。因此，更好地理解TBI后的神经炎症反应及其对行为和功能恢复的影响是重要的研究方向。
在人类和啮齿动物中，有证据表明慢性炎症是由小胶质细胞介导的（Witcher等人，2015年；Ziebell等人，2017年）。在TBI的临床前模型中，小胶质细胞的持续激活和神经元功能障碍普遍存在（Aungst等人，2014年；Graham等人，2021年；Wangler等人，2022年；Witcher等人，2018年）。无论是局灶性还是弥漫性TBI，这些炎症反应都会长期存在，炎症介质（如MHCII和CD68）在损伤后很长时间内都会升高（Barrett等人，2020a年；Loane等人，2014年；Witcher等人，2021年）。此外，炎症相关基因（Cd68、Tlr2、H2eb1）在TBI后急性期和亚急性期表达增加，并在损伤后30天仍保持高水平，这与小胶质细胞的重组过程相吻合（Bray等人，2022年；Witcher等人，2021年）。小胶质细胞还参与突触的维护，清除碎片以促进突触连接的重组（Cornell等人，2022年）。TBI后的神经元结构变化与记忆缺陷、认知灵活性下降和抑郁样行为有关（Byrnes等人，2012年；Piao等人，2013年；Xu等人，2021年）。总体而言，大脑中的免疫反应会影响神经元功能，而长期活跃的小胶质细胞会增加TBI后的认知衰退风险。
TBI后活跃的小胶质细胞产生的主要细胞因子之一是白细胞介素-1（IL-1β）。IL-1β在人类TBI后升高，与水肿、神经元功能障碍和细胞死亡相关（Allan等人，2005年；Lazovic等人，2005年）。IL-1β在TBI后迅速被诱导产生，并在慢性阶段持续存在，这与认知缺陷和其他促炎通路的调节有关（Basu等人，2004年；Witcher等人，2021年）。在小鼠的弥漫性TBI中，Il1b在损伤后8小时和7天升高，IL-1β激活下游的基因（Tnf、NFkb、Chuk）在损伤后30天也升高（Witcher等人，2021年；Witcher等人，2018年）。IL-1β通过白细胞介素-1受体-1（IL-1R1）传递信号，该受体存在于多种中枢神经系统（CNS）细胞类型上，包括星形胶质细胞、内皮细胞和神经元（Liu等人，2019年）。该受体也能结合IL-1α、IL-18和内源性IL-1受体拮抗剂（IL-1Ra）（Bodnar等人，2021年）。海马齿状回中的IL-1R1表达最高（Liu等人，2019年）。海马区是记忆和学习的关键区域，会受到TBI的影响（Arneson等人，2018年；Barrett等人，2020a年；Tapp等人，2022年）。先前的研究表明，反复闭合性头部损伤后的慢性海马依赖性记忆缺陷与IL-1R1有关（Vincent等人，2023年）。综上所述，TBI相关的IL-1信号传导可能通过激活海马神经元上的IL-1R1直接影响神经元稳态。
先前的研究表明，弥漫性TBI会导致持续的神经炎症（IL-1和I型干扰素通路），这些炎症通过小胶质细胞介导，从而导致行为和认知障碍（Bray等人，2022年；Packer等人，2024年；Witcher等人，2021年；Witcher等人，2018年）。因此，本研究的目的是确定IL-1R1对弥漫性TBI引起的病理机制和认知障碍的影响。实验结果表明，IL-1R1信号传导会导致弥漫性TBI后的神经元功能障碍，进而影响认知功能。
实验部分
小鼠
实验使用了8-16周大的野生型C57BL/6雄性和雌性小鼠，这些小鼠购自Charles River Laboratories（马萨诸塞州威尔明顿）。此外，还使用了8-16周大的全球IL1R1-/-或（IL1R1KO小鼠（DiSabato等人，2021年）。这些小鼠的Il1r1基因因loxP插入破坏性序列而发生表达异常。IL1R1KO小鼠的所有细胞类型中的IL-1R1功能均被敲除。
IL1R1KO小鼠减少了TBI后3天的外周髓系细胞积聚
弥漫性TBI会导致持续的神经炎症，这种炎症通过小胶质细胞介导，从而引发行为和认知障碍（Bray等人，2022年；Packer等人，2024年；Witcher等人，2021年；Witcher等人，2018年）。本研究的目的是确定IL1R1KO对弥漫性TBI引起的病理机制和认知障碍的影响。实验中，野生型（WT）和全球IL1R1敲除（IL1R1KO）小鼠接受了mFPI引起的弥漫性TBI，并评估了多个方面的变化
讨论
本研究探讨了白细胞介素-1受体1（IL-1R1，即IL-1β和IL-1α的受体）在弥漫性TBI发病机制中的作用。我们的先前研究表明，TBI后会发生大量基因变化，包括IL-1β及其下游效应因子的急性升高（Witcher等人，2021年）。重要的是，实验还评估了TBI后立即的小鼠翻正时间，这是一种评估工具，用于测量小鼠从仰卧位翻转到俯卧位所需的时间，以反映其即时损伤情况
CRediT作者贡献声明
阿玛拉·C·戴维斯（Amara C. Davis）：概念提出、数据整理、实验设计、数据分析、方法论制定、软件使用、结果验证、可视化处理、初稿撰写及审稿编辑。伊桑·J·古德曼（Ethan J. Goodman）：审稿编辑、软件使用、实验设计、数据分析。林德·M·旺格勒（Lynde M. Wangler）：审稿编辑、实验设计、数据分析。乔纳森·M·帕克（Jonathan M. Packer）：实验设计。拉齐恩·塔马查克（Razeen Thammachack）：审稿编辑、实验设计。维达特·O·伊尔迪兹（Vedat O. Yildiz）：审稿编辑、实验设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢娜塔莉·加拉格尔（Natalie Gallagher）和布雷丹·奥利弗（Braedan Oliver，来自美国俄亥俄州立大学）在项目中的技术支持。本研究得到了美国国防部（USAMRAA Focused Program）的资助（项目编号：HT9425-23-1-1003，资助对象：JPG）。JMP、LMW和ACD均隶属于俄亥俄州立大学的神经科学研究生项目（NGP）。JMP、LMW和ACD还获得了俄亥俄州立大学的杰出大学奖学金。LMW还获得了美国国立神经疾病和中风研究所（NINDS）的资助。
