Nature重磅研究：阿尔兹海默症中星形胶质细胞--小胶质细胞串扰的关键介质——IL-3

神经胶质细胞生态系统中的通信对神经元和大脑健康至关重要。但目前，神经胶质细胞对阿尔茨海默病(AD)患者大脑中β-淀粉样蛋白(Aβ)和神经纤维tau蛋白的积累和清除的影响尚不清楚。

最近Swirski和Tanzi团队在《Nature》上发表了题为“Astrocyticinterleukin-3 programs microglia and limits Alzheimer’sdisease”的论文。发现IL-3是星形胶质细胞-小胶质细胞串扰的关键介质，是AD治疗干预的一个节点，并讨论了IL-3是如何产生、并如何发挥作用。

有研究表明，IL-3水平与AD的风险和严重程度相关，也有体外研究表明IL-3与神经退行性变有关，但IL-3在AD患者大脑或AD小鼠模型中的作用仍不清楚。作者将Il3^−/−小鼠与5xFAD小鼠(表达5个家族性AD相关突变的小鼠模型)杂交，发现Il3^−/−5xFAD小鼠皮质中Aβ聚集物、Aβ斑块大小和Aβ水平增加。Il3^−/−5xFAD小鼠表现出短期和空间学习记忆受损，并表现出记忆保持能力下降的趋势。这表明IL-3在AD小鼠模型中具有保护作用。

图1：IL-3对5xFAD小鼠的Aβ积累和认知障碍有保护作用。

而后作者测量了血浆和脑脊液中的IL-3水平。有趣的是野生型和5xFAD小鼠的IL-3的水平相似，但脑脊液中的IL-3 浓度是血浆中的四倍，这表明IL-3可能在大脑中局部产生。为验证这一猜想，作者基于CRISPR-cas9的编辑策略设计了IL-3标记的小鼠(Il3^GFPfl/fl小鼠)。成像显示IL-3与GFAP⁺星形胶质细胞共定位，说明星形胶质细胞的一个亚群是小鼠大脑中IL-3的主要来源。

作者进一步使用星形胶质细胞报告(Aldh1l1^GFP)小鼠进行分析，发现IL-3与ALDH1L1- GFP⁺星形胶质细胞共定位，而不是与ALDH1L1-GFP⁻细胞(非星形胶质细胞)共定位。星形胶质细胞的激活并未改变IL-3的产生，Il3的缺失也没改变野生型或5xFAD小鼠星形胶质细胞的形态或分布。这些结果表明，一部分星形胶质细胞组成性地产成IL-3。

作者进一步的研究显示，5xFAD小鼠相比于野生型小鼠的小胶质细胞在更早的年龄显示IL-3Rα升高。在5xFAD小鼠中，IL-3Rα的过早增加仅仅是针对小胶质细胞。实验证实IL-3Rα在5xFAD小鼠而非野生型小鼠的小胶质细胞中具有强大的信号通路，并发现IL-3Rα与小胶质细胞在Aβ聚集物附近共定位。这些结果表明，在AD过程中，小胶质细胞通过表达IL-3Rα增加对IL-3敏感的敏感性。

通过RNA测序分析野生型、Trem2^−/−、5xFAD和Trem2^−/−5xFAD小鼠的小胶质细胞。结果显示，相对于野生型小鼠，5xFAD小鼠的小胶质细胞中富含IL3RamRNA，且呈现出年龄依赖性的IL-3Ra增加。此外，TREM2是一种免疫受体，Trem2的缺失使Il3ra表达降低，也减少IL-3Rα⁺小胶质细胞的出现。

在5xFAD小鼠的大脑中分析IL-3Rα^hi和IL-3Rα^lo小胶质细胞。最后发现IL-3Rα^hi小胶质细胞较IL-3Rα^lo小胶质细胞具有更高水平的TREM2和更高水平的TREM2接头蛋白DAP12(Tyrobp)的表达。这些发现表明IL-3Rα⁺小胶质细胞是一种独特的trem2依赖群体，具有免疫应答和激活表型。

图2：小胶质细胞对星形细胞来源的IL-3敏感

对人类大脑中的IL-3信号进行评估，AD患者和年龄匹配的无痴呆对照组捐赠者的死后额叶皮质样本的组织学分析显示IL-3与星形胶质细胞共同定位。健康对照组供体的额叶皮质中的小胶质细胞缺乏IL-3Rα，相比之下，AD患者的小胶质细胞中IL-3Rα被明显染色。

最后，作者发现，AD的病理进程和严重程度驱动小胶质细胞表达IL3RΑ，并表明大脑中的IL-3信号在AD发病过程相关。

对IL-3的保护功能进行研究，在5xFAD小鼠中，IL-3的缺失并没有改变小胶质细胞的数量或增殖能力。通过5xFAD和Il3^−/−5xFAD小鼠的小胶质细胞进行RNA测序，发现IL-3调节免疫反应、白细胞迁移和形态学途径的改变。IL-3的缺失改变trem2相关基因的表达，也改变了trem2和Tyrobp的表达，

这进一步证实IL-3信号在trem2下游的作用。最终数据显示IL-3诱导小胶质细胞转录组的广泛编程，部署免疫和运动反应。

对IL-3在塑造小胶质细胞形态、运动和分布中的作用进行测试，发现IL-3缺乏阻碍小胶质组织的动员，并抑制它们向Aβ沉积物迁移和聚集的能力。在Il3^−/−5xFAD小鼠中，小胶质细胞密度更均匀，导致接近Aβ的细胞浓度更低，小胶质细胞扩散率降低。由此可知，IL-3在促进小胶质细胞免疫激活、实质再分配和Aβ聚集方面有特殊作用。

图3：IL-3信号与AD患者大脑的疾病病理相关

为直接探索IL-3介导人小胶质细胞运动的能力，作者使用了模拟人体内AD环境的3D微流控培养系统。微流控系统的中心腔内装载野生型或AD星形胶质细胞和神经元，在侧室中接种了小胶质细胞。作者发现，将IL-3添加到 AD三元培养物中有力地增加了小胶质细胞向中心的移动，说明IL-3在将小胶质细胞募集到含有p-tau神经原纤维缠结和Aβ聚集细胞过程中起到关键作用。

建立星形胶质细胞特异性IL-3敲除的5xFAD小鼠，并反复注射他莫昔芬，可阻断星形胶质细胞IL-3的产生，使得脑脊液中IL-3水平降低75%。星形胶质细胞来源的IL-3缺失导致Aβ沉积增加，抑制小胶质细胞中Apoe等因子的表达和降低小胶质细胞在Aβ区域的聚集。这些表明，IL-3介导的星形胶质细胞-小胶质细胞通信是小胶质细胞编程的一个关键调控因子，可以保护AD病理。

为了探讨在AD治疗中使用IL-3的可能性，作者将rIL-3立体定向注射到5xFAD小鼠的皮质中。结果导致了小胶质细胞的强大和快速的动员，在Aβ周围聚集。尽管注射rIL-3没有改变小胶质细胞的数量，但增加了小胶质细胞与Aβ的结合，改善了AD小鼠的认知。总的来说，这些数据揭示了IL-3在AD中的治疗潜力和可能性。

图4：IL-3编程并促进小胶质细胞在小鼠大脑和3D人体微流控培养系统中Aβ的运动和聚集。

IL-3在AD小鼠模型中具有保护作用，它的主要来源为小鼠大脑中星形胶质细胞的一个亚群。在AD过程中，AD的病理和严重程度驱动小胶质细胞表达IL3RΑ，IL-3诱导小胶质细胞转录组的广泛编程，部署免疫和运动反应，并促进小胶质细胞免疫激活、实质再分配，也在神经纤维p-tau中和Aβ聚集方面有特殊作用。

小胶质细胞通过表达IL-3Rα增加对IL-3的敏感性，而IL-3Rα⁺小胶质细胞是一种独特的trem2依赖群体，具有免疫应答和激活表型。近年来抗AD治疗的反复失败，需要探索新的疾病病理生理机制。

在本研究中，描述了IL-3作为星形细胞-小胶质细胞通讯、小胶质细胞编程和AD病理的关键介质，揭示了IL-3在AD中的治疗潜力和证明了使用IL-3治疗AD的可能性。