炎症与微环境调控IL-13诱导小胶质细胞极化的机制及其在脊髓损伤修复中的意义

　　本研究针对脊髓损伤（SCI）后微环境因素限制IL-13介导的小胶质细胞M2样极化的问题，通过体外模拟神经创伤微环境（如LPS炎症、高钾、高谷氨酸、酸中毒和纤维连接蛋白沉积），系统评估了IL-13极化效力的变化。研究发现，多种病理因素显著削弱IL-13诱导Arg-1表达和抑制炎症因子释放的能力，而补充TGFβ、M-CSF等内稳态信号可恢复其极化潜力。该研究为开发多模式免疫调节疗法提供了关键实验依据，对神经损伤修复具有重要转化价值。

　　

脊髓损伤是一种毁灭性的神经系统创伤，通常导致患者终身感觉、运动和自主神经功能障碍。其病理过程包括原发性机械损伤和由小胶质细胞等免疫细胞驱动的继发性炎症反应阶段。虽然适度的炎症反应有助于限制损伤扩散并启动修复，但慢性的、无法解决的神经炎症反而会阻碍功能恢复。因此，免疫调节策略，特别是针对特定免疫细胞群体（如巨噬细胞和小胶质细胞）的极化调控，被认为是促进修复和限制继发性损伤的关键途径。

在众多细胞因子中，白细胞介素13（IL-13）因其能诱导髓系细胞（包括巨噬细胞和小胶质细胞）向替代性激活（M2样）表型极化而备受关注。M2样表型具有抗炎和促修复的特性，例如分泌神经营养因子、促进组织重塑和减少炎症介质的释放。先前的研究表明，在脊髓损伤的小鼠模型中，递送IL-13可以通过极化巨噬细胞为M2样表型来改善功能和组织学恢复。然而，尽管小胶质细胞在体外对IL-13有强烈的反应，但在体内损伤环境中，它们却表现出对IL-13介导的极化具有抵抗性。这种差异表明，损伤后的脊髓微环境中存在某些外在因素，约束了小胶质细胞的表现可塑性，限制了免疫调节疗法的效力。那么，究竟是哪些因素在作祟？它们又是如何干扰IL-13的信号传递？解答这些问题，对于设计出有效的、针对小胶质细胞的神经免疫疗法至关重要。

为了回答这些问题，由Emmanuelle D. Aiyegbusi和James P. Reynolds作为共同第一作者，Dearbhaile Dooley领导的的研究团队在《Inflammation Research》上发表了他们的最新研究。他们系统地探究了模拟脊髓损伤微环境的多种因素如何影响IL-13迫使小胶质细胞极化的能力。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：1) 使用永生化的小鼠小胶质细胞系BV2和小鼠诱导多能干细胞（miPSC）来源的小胶质细胞两种模型进行体外实验；2) 通过酶联免疫吸附测定（ELISA）检测细胞因子（如TNFα）的分泌；3) 采用实时定量聚合酶链反应（RT-qPCR）测量M1样（如TNFα, IL-1β, iNOS）和M2样（如Arg-1, CD206）标志物的基因表达；4) 利用免疫细胞化学（ICC）和高内涵筛选技术对蛋白表达（如Arg-1, F4-80）进行定量和形态学分析；5) 通过钙成像和划痕实验评估细胞活性和迁移行为。

IL-13 induces alternative activation of microglia

研究人员首先在BV2细胞上证实了IL-13能够诱导替代性激活状态。与脂多糖（LPS）诱导的经典促炎（M1样）激活不同，IL-13处理降低了促炎因子TNFα的分泌和基因表达（P<0.05），减少了细胞对划痕区域的浸润速度（P<0.001），并且不引起细胞内钙瞬变的频率增加。相反，IL-13显著提高了抗炎标志物精氨酸酶1（Arg-1）的蛋白和基因表达（P<0.001）以及甘露糖受体（CD206）的基因表达（P<0.05）。在miPSC来源的小胶质细胞中，IL-13同样成功诱导了Arg-1的表达，但未能像在BV2细胞中那样抑制TNFα的分泌。LPS处理则引起了miPSC小胶质细胞明显的形态学改变，细胞宽度增加，并高表达激活标志物F4-80（P<0.0001）。这些结果表明，IL-13在两种小胶质细胞模型中都能够诱导出不同于LPS刺激的、具有M2样特征的替代性激活状态。

Concomitant inflammatory challenge limits IL-13-mediated polarisation of microglia

接下来，研究团队探究了同时存在的炎症信号是否会限制IL-13的极化效力。当BV2细胞同时接受LPS和IL-13处理时，IL-13无法有效抑制LPS诱导的促炎基因（TNFα, IL-1β, iNOS）的表达，其mRNA水平依然显著高于对照组。同时，IL-13诱导抗炎基因CD206和Arg-1表达的能力也被大幅削弱（*P<0.001）。即使使用很高浓度的IL-13（500 ng/mL），其极化效果也远不如在没有LPS的情况下。这表明， concomitant（同时发生）的炎症挑战通过Toll样受体等信号通路，严重限制了IL-13迫使小胶质细胞向M2样表型极化的能力。

Extrinsic factors associated with neurotrauma constrain microglial phenotype and limit forced polarisation by IL-13

研究的核心部分是测试与神经创伤相关的特定微环境因素如何影响IL-13的极化。他们发现：

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  高钾血症（Hyperkalemia）：在细胞培养基中增加细胞外钾离子浓度（[K⁺]_e = 15 mM 或 35 mM）后，IL-13诱导Arg-1表达的能力呈剂量依赖性下降（P<0.01, *P<0.001）。

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  高谷氨酸（Excessive Glutamate）：在高细胞外谷氨酸浓度（[Glu]_e = 20 mM）环境下，IL-13同样难以有效诱导Arg-1的表达（*P<0.001），尽管它在一定程度上降低了IL-1β的表达。

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  细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）：在纤连蛋白（Fibronectin）包被的表面上培养的BV2细胞，其IL-13诱导的Arg-1表达显著低于对照组（*P<0.05），而胶原蛋白IV（Collagen IV）没有此效应。

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  酸中毒（Acidosis）：在酸性培养基（pH 6.7）中，IL-13处理的小胶质细胞表现出更低的IL-1β和Arg-1表达，暗示细胞进入了一种更为“静止”的状态，而非有效的M2样极化。

  在miPSC小胶质细胞中，高钾和高谷氨酸条件虽然未显著改变Arg-1的表达，但20 mM谷氨酸处理诱导了F4-80表达的显著增加，且此效应不被IL-13减弱。不过，IL-13的加入确实能在一定程度上降低这两种条件下TNFα的分泌。这些数据共同表明，神经创伤微环境中的多种外在因素可以直接作用于小胶质细胞，改变其反应状态，从而限制IL-13迫使极化的潜力，常常导致小胶质细胞进入功能失调或静息状态，而非理想的修复性表型。

LPS priming entrains mixed phenotypes in microglia following IL-13 treatment

研究还发现，炎症信号的“预刺激”或“ priming（引发）”具有持续效应。先用LPS处理BV2细胞24小时（模拟急性炎症期），然后再给予IL-13，会发现这些细胞在后续48小时内都表现出一种“混合”表型：促炎基因IL-1β的转录在24小时内持续升高（P<0.001），而抗炎基因Arg-1的转录在24小时即可被IL-13诱导（*P<0.01）。这表明，过去的炎症经历可以使小胶质细胞进入一种表型“僵化”状态，即使后续施加极化信号，也难以完全扭转其炎症倾向，这可能是慢性神经炎症难以消退的原因之一。

Recapitulation of microglial developmental cues facilitates forced polarisation by inflammation.

最后，研究团队探索了能否通过恢复小胶质细胞的内稳态信号来克服炎症环境的限制。他们假设，重现小胶质细胞在发育和维持稳态中所依赖的关键信号（如转化生长因子β（TGFβ）、巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）和胆固醇），可能使细胞更容易被极化。

在高内涵筛选实验中，他们发现，当BV2细胞在LPS和IL-13的共同刺激下，同时补充TGFβ1、TGFβ2、M-CSF和胆固醇，可以成功地“挽救”IL-13的极化效力，使Arg-1的表达水平恢复到与单独使用IL-13处理时相似的水平（*P<0.001）。在miPSC小胶质细胞中，这种组合处理也显示出类似的趋势，能够增强Arg-1的表达，并显著抑制LPS诱导的F4-80表达和TNFα分泌。这证明，通过多模式的信号干预，重新编程小胶质细胞的反应状态，可以有效克服损伤微环境施加的约束，解锁IL-13的极化能力。

本研究得出结论：脊髓损伤后的微环境，包括持续的炎症信号（如LPS）、离子失衡（高钾）、兴奋性毒性（高谷氨酸）、酸中毒以及特定的细胞外基质成分（如纤连蛋白），共同构成了一个限制性微环境，严重削弱了IL-13迫使小胶质细胞向抗炎、促修复的M2样表型极化的能力。这解释了为何先前研究中IL-13在体内对小胶质细胞效果不佳。

更重要的是，该研究强调了单一免疫调节策略（如单独使用IL-13）在复杂病理环境下可能面临的失败风险。其重要意义在于指出，未来针对小胶质细胞的免疫治疗需要采取多模式、组合式的策略。通过同时靶向多个关键信号通路（如提供TGFβ、M-CSF等内稳态因子），可能能够重新校准小胶质细胞的反应状态，使其能够突破微环境的限制，从而对IL-13等极化信号产生有效应答。这项研究不仅深化了我们对神经损伤后免疫微环境与小胶质细胞功能相互作用的认知，而且为开发更高效、更精准的神经修复疗法提供了关键的实验依据和新的方向。