組織免疫和對損傷的反應依賴生理係統間的協調行動和溝通。組織受損後，對微生物群的適應性反應促進了感覺神經元的再生。在體內平衡時，組織駐留的共生特異性T細胞與真皮內的感覺神經纖維共存，表達與神經元相互作用和修複相關的轉錄程序，並促進損傷後軸突生長和局部神經再生。近期，《Cell》期刊發表了題為“Immunity to the microbiota promotes sensory neuron regeneration”的論文，作者團隊揭示了損傷後由共生特異性Th17細胞釋放的細胞因子白介素-17A (IL-17A)通過IL-17受體A直接向感覺神經元發出信號，IL-17受體A的轉錄在損傷的神經元中特異性上調。總的來說，作者團隊揭示了在組織損傷的情況下，對微生物群的免疫可以通過直接促進神經元修複來快速橋接生物係統，同時也將IL-17A確定為這一基本過程的主要決定因素。
01前言
損傷或感染後組織完整性和功能的恢複對宿主的生存至關重要。屏障組織不僅是環境應激源的組成目標，也是居住微生物的生態位，被稱為微生物群。因此，保護屏障的完整性對宿主和微生物群均有利。
微生物群在哺乳動物免疫係統的誘導、培養和功能方麵發揮著基本作用。相反，在微生物或環境暴露的情況下，免疫係統運作以維持和恢複組織功能。屏障位點既是微生物群的家園又是環境壓力源的主要目標，宿主-微生物群對話在屏障位點上特別重要。與這種控製相關的機製之一是通過誘導持久的微生物反應性T細胞發生的，這些T細胞可以廣泛促進組織功能，包括抗菌防禦和上皮再生。
所有的屏障組織，包括皮膚，都是密集的感覺神經纖維網絡的家園，這些神經纖維參與了觸覺、溫度、疼痛和瘙癢的感知。最近的研究表明，除了這些基本功能外，感覺神經元還可以影響其他生物過程，包括宿主代謝、炎症和保護性免疫。這些研究結果加深了作者團隊對生物係統之間，特別是免疫係統和神經係統之間相互聯係的理解。
在感染或損傷的情況下，宿主的生存需要保護和修複所有組織成分，每個組織成分都需要特定的修複程序。
周圍神經係統的修複和組織的神經再生對於感覺的恢複以及組織再生、新生血管和傷口愈合的協調尤為重要。因此，確定周圍神經恢複的關鍵機製是一個活躍的研究領域，對於減少殘疾和提高生活質量具有重要意義。為了應對微生物的定植，屏障位點組成了組織常駐的共生特異性T細胞。這意味著損傷或感染是在對微生物群的回憶反應的背景下發生的。在這種情況下，適應性免疫，特別是對微生物群的適應性免疫，是否有助於周圍神經再生仍是未知的。基於微生物群與其宿主之間的深刻聯盟，作者團隊假設微生物群也可以作為加強組織保護的一種手段，在連接生物係統方麵發揮重要作用。
在這裏，對宿主-微生物群相互作用的探索讓作者團隊揭示了由共生特異性T細胞協調的外周神經元修複機製。具體地說作者團隊揭示了組織常駐微生物群特異性T細胞可以直接促進損傷後的神經元修複，並確定IL-17A是這一基本過程的主要決定因素。
02金黃色葡萄球菌定殖誘導的Th17細胞對宿主保護無影響
金黃色葡萄球菌(S.aureus)在作為病原體之前可以作為共生菌存在數十年。在這種情況下，在共生期間獲得的先發免疫對於在隨後的損傷和/或感染時保護和/或恢複組織完整性可能特別重要。
為了探索這種可能性，作者團隊利用以前從健康小鼠皮膚中分離出的金黃色葡萄球菌菌株(42F02)。局部接觸(TA)後，金黃色葡萄球菌42F02定植於皮膚數周，表皮厚度無變化，有少量中性粒細胞浸潤。這種穩態關係與皮膚腔室中T細胞的強烈聚集有關，這些細胞主要是表達RORγt的CD4+T (Th17)細胞(圖1A和1B)。這些反應在2周達到峰值，並持續至少2個月(圖1A)。相比之下，對同一種微生物作為病原體的反應(皮內感染[ID]後)以組織損傷、炎症和高度極化的Th1反應為特征(圖1B)。與T細胞對其他皮膚共生生物的反應一致，Th17細胞在皮膚中的積累依賴於細胞因子IL-1、活微生物和完整的淋巴結構。
為了評估Th17對金黃色葡萄球菌定植反應的特異性，作者構建了T細胞受體(TCR)轉基因小鼠(SA1Tg)，其中產生的所有T細胞都對金黃色葡萄球菌有反應。進一步強調了金黃色葡萄球菌的高度多樣性，轉基因T細胞的擴增僅在42F02菌株中被觀察到，而對其他金黃色葡萄球菌菌株則沒有反應。在局部接觸金黃色葡萄球菌之前，SA1Tg細胞被轉移到小鼠體內，與多克隆反應一致，金黃色葡萄球菌特異性T細胞在皮膚內積聚，主要發育為Th17細胞(圖1C和1D)。這與感染同一細菌形成鮮明對比，在同一細菌中，SA1Tg主要以Th1細胞的形式發育(圖1D)。
先前的報道提出了IL-17對金黃色葡萄球菌感染的保護作用。為了評估Th17對金黃色葡萄球菌的反應是否能提供對後續感染的保護性免疫，非相關小鼠和先前定植金黃色葡萄球菌的小鼠被金黃色葡萄球菌皮內感染(分別為TA單獨感染和TA+ID感染)。先前定植的小鼠(TA+ID)感染促進了高度極化的Th17召回反應(包括多克隆和抗原特異性)，在皮內感染後持續至少7天(圖1E和1F)。這些Th17在皮內感染後的召回反應在先前與金黃色葡萄球菌共生的小鼠中占主導地位，而在先前感染相同細菌的小鼠中則不是這樣(圖S1H)。相比之下，先前的感染主要召回Th1細胞。盡管有強烈的Th17召回反應，但先前的局部關聯對皮膚內的細菌負擔沒有影響(圖1G)。此外，在這些設置下，僅在局部淋巴結內觀察到保護作用(圖1H)，令人驚訝的是，全身細菌控製不依賴IL-17a，正如IL-17a-/-小鼠、抗IL-17a阻斷抗體處理的小鼠和Th17細胞缺乏的小鼠(Ox40Cre+Rorcf/f)所證明的那樣。
因此，Th17對金黃色葡萄球菌作為共生體的反應對宿主產生局部或全身保護以抵禦隨後金黃色葡萄球菌感染的能力沒有影響。這些觀察結果指出共生體誘導的Th17細胞在組織生理學中的替代作用。
為了探索金黃色葡萄球菌誘導的Th17細胞的生理作用，作者團隊重點分析了與每種治療相關的主要免疫反應，即TA誘導的Th17和皮內感染(ID)誘導的Th1(圖1A和1B)。為此，作者分別從感染(ID)後2周和感染後1周的小鼠皮膚中分離Th17 (CCR6+CD4+Foxp3-)和Th1富集細胞(CCR6-CD4+Foxp3-)進行RNA-seq分析(圖2A)。作為對照，CD4+T細胞(T效應記憶[TEM]: CD44highCD62LlowCD4+Foxp3-)也從非相關小鼠的區域(耳)淋巴結中分離出來。與來自ID的Th1相比，來自TA的Th17細胞顯示了超過3000個差異表達的轉錄本。和預期一樣，與17型相關的基因(II17a、II17f、Il22、Ccr6、Rorc和Rora)在Th17 (TA)中表達更高(圖2A)。與共生特異性T細胞在上皮再生中的作用一致，與Th1細胞(ID)相比，Th17細胞(TA)中上調的許多轉錄物與組織修複有關，包括Tgfb1、Vegfa、Pdgfb、Furin、Mmp10、Mmp25和Areg(圖2A)。
特別有趣的是，與Th1細胞(ID)相比，從金黃色葡萄球菌相關小鼠(TA)皮膚分離的Th17細胞表達了更高水平的與神經元相互作用和再生相關的轉錄物，包括Neu3、Lif、Marveld1、Ramp1、Ramp3、Ccr4和Tnfsf8(圖2A)。與抗原體驗細胞(TEM)相比，在Th17 (TA)的3168個差異表達基因中也發現了這些特征。
皮膚上神經密集地分布著感覺神經元，它們將感覺信息從環境傳遞到中樞神經係統(CNS)。基於此，作者團隊接下來追蹤金黃色葡萄球菌特異性T細胞與感覺神經元的潛在關係。為此，SA1Tg細胞被轉移到感覺神經元可視化的小鼠(alphaCGRP-GFP報告小鼠)。隨後將小鼠與金黃色葡萄球菌聯係起來，並利用活體雙光子顯微鏡進行成像。在確定的活體記錄時間內，對SA1TgT細胞與神經纖維之間的距離進行量化，結果顯示部分SA1TgT細胞與真皮層內的感覺神經元直接接觸或接近(<10 mm, 75%)。在所有評估的時間點上金黃色葡萄球菌特異性T細胞明顯更接近alphaCGRP+神經纖維(平均±SEM, 5.9±0.2 mm)，而不是血管(平均±SEM, 14±0.4 mm)(圖2B)。這與感染背景下誘導的金黃色葡萄球菌特異性Th1細胞形成對比，後者與感覺神經元無關。因此，在穩態條件下金黃色葡萄球菌局部聯合促進了與皮膚內感覺神經元共定位的Th17細胞的積累。
在感染或損傷的情況下，共生特異性T細胞由於暴露於微生物抗原的增加而被召回。Th17細胞存在於各種構型中，從穩態到致病性，其特征是由確定的核心基因。與共生特異性T細胞的替代功能一致，局部聯合誘導的Th17細胞表現出穩態轉錄組特征，而單獨感染誘導的Th17細胞則表現出更具致病性的特征(ID)(圖2C)。與Th1細胞(ID)相比，感染關聯後(TA+ID)召回的Th17細胞的功能富集分析也顯示了與神經相互作用和再生相關的三種不同的基因本體(GO)富集，特別是髓係白細胞激活(小膠質細胞調節)、細胞投射組織調節(軸生)和神經遞質轉運(圖2C、D)。此外，與Th1細胞(ID)相比感染後關聯(TA+ID)召回的Th17細胞也豐富了其他7個與組織修複廣泛相關的GO富集，包括上皮細胞的形態建成、ECM受體相互作用和對損傷的反應(圖2D)。當將召回的Th17細胞(TA+ID)與抗原體驗細胞(TEM)進行比較時，也證實了GO術語在神經相互作用、再生和組織修複方麵的富集。
與單純感染後關聯(TA或ID)的Th17細胞相比，感染後關聯(TA+ID)的Th17細胞也表達了更高水平的典型Th17相關基因以及與Th17細胞代謝相關的多個基因，包括轉運體(Tmem176a和Tmem176b)(圖2C-2F)。此外，與單獨感染TA或ID的Th17相比，先前局部相關(TA+ID)的感染小鼠召回的Th17細胞表達了更高水平的與組織修複和傷口愈合以及神經相互作用和再生相關的轉錄本(Neu3, Ramp1, Lif, Ccr4, Tnfs8和Marveld1)(圖2F)。因此，在侵入性感染的情況下，共生體誘導的Th17細胞表達了更多的神經相互作用和再生基因特征。
為了測試金黃色葡萄球菌誘導的T細胞有助於周圍神經再生的可能性，作者團隊接下來采用導致軸突損傷的皮膚損傷模型。在這個模型中，受損的軸突生長回來，在損傷部位周圍形成神經纖維環(再生環)。與未接觸的小鼠相比，先前局部接觸金黃色葡萄球菌可增加CD4+T細胞的數量(圖3A和3B)，特別是Th17細胞積聚在再生環周圍。值得注意的是TA顯著增加了損傷部位周圍神經纖維的麵積和體積，表明神經元再生增強(圖3A和3B)。
另一方麵，與對照組相比先前與表皮葡萄球菌(LM087)的聯係降低了損傷時的纖維密度，這支持了定義菌株和/或微生物分離株可能對神經元修複有不同影響的觀點。為了測試IL-17A可能導致這一現象的可能性，作者評估了用抗IL-17A阻斷抗體處理的金黃色葡萄球菌相關WT小鼠和IL-17A-/-小鼠的神經元再生。兩種方法都表明，金黃色葡萄球菌加速損傷後神經再生的能力依賴IL-17A(圖3C, 3D)。盡管皮膚內的多種細胞類型都可以產生IL-17A，但T細胞中RORγt的選擇性消融顯示Th17細胞是支持這一過程所必需的(圖3E)。總之，這些數據表明金黃色葡萄球菌特異性Th17細胞(1)靠近真皮神經元，(2)在損傷部位邊緣富集，(3)能以IL-17a依賴的方式促進局部神經再生。
先前的研究表明，在秀麗隱杆線蟲中IL-17直鏈蛋白可以直接作用於中間神經元，從而調節行為。腦和腸內神經元的IL-17RA表達也影響社會行為。為了評估皮膚感覺神經元對IL-17A產生反應的可能性，作者團隊分離了背根神經節(DRG)感覺神經元。這些神經元包含著軸突，它們支配皮膚，也投射到脊髓，將感覺信息傳遞給中樞神經係統。由於解剖對神經元軸突有很強的損傷，培養的DRG神經元細胞體已被證明是研究神經元損傷和再生的相關模型。因此，他們將從WT小鼠分離的DRG神經元體外暴露於IL-17A(圖4A)。24小時後，IL-17A誘導7個基因的離散性上調，96小時後，與對照相比IL-17A處理的DRG中有61個差異基因表達 (圖4A)。值得注意的是，IL-17A促進了涉及神經元維持和再生的許多方麵的基因的表達，包括神經元發育、遷移、分化和軸突生長(Ccl11、Ccl2、Ereg、Mmp13、Il6、Mmp3、Fgf7和Cxcl5)(圖4A)。第二類基因上調與神經元反應/功能相關，包括神經元興奮、突觸和神經元代謝(Steap4、Mme、Hsd11b1、Cxcl1、Prg4、Slc7a11和Lgi2)(圖4A)。此外，IL-17A促進基質金屬蛋白酶(MMP)和表皮生長因子(EGF)轉錄本的表達(圖4A)，兩者之前都被報道與傷口愈合和角質細胞分化有關。因此，IL-17A可以直接向感覺神經元發出信號，並誘導與神經元和上皮修複相關的轉錄組程序。
先前的研究表明，神經損傷後，神經元會進行轉錄重編程，這需要激活轉錄因子3 (Atf3)的表達。該因子在損傷後迅速上調，促進軸突再生和功能恢複。在他們的實驗係統中(圖4B)， Atf3在穿孔活檢後頸椎DRG2神經元中特異性上調(圖4C, 4D)。雖然DRG神經元在穩定狀態下表達低水平的II17ra，但損傷引發了II17ra的顯著上調，並持續至少96小時(圖4C和4D)。值得注意的是，Atf3和II17ra的上調伴隨著類似的損傷後動力學(圖4D)。損傷神經元(Atf3+)表達的II17ra也明顯高於未損傷神經元(Atf3-)(圖4E)。坐骨神經橫斷後，腰DRG感覺神經元也觀察到II17ra在mRNA(圖4F、4G)和蛋白水平(圖4H和S4C)上的上調。此外，對公開數據的再分析證實了坐骨神經橫斷模型中受損神經元的II17ra表達上調。損傷後，Atf3缺陷神經元中II17ra的表達顯著降低，支持Atf3與II17ra表達之間的潛在聯係。因此，IL-17RA的上調可能是神經元損傷的保守反應。
接下來，為了正式評估損傷神經元上直接IL-17A信號在體內修複過程中的貢獻，作者團隊在損傷神經元中特異性敲除II17ra (Atf3CreIl17raf/f)。使用這種方法，作者證實在先前與金黃色葡萄球菌相關的小鼠中，損傷神經元中II17ra的缺失顯著損害神經再生。因此，作者證明神經元IL-17RA信號通路促進神經元損傷後的感覺神經元再生。
如前所述，頸椎DRG神經元中有部分細胞體是Trpv1+感覺神經元(圖5A)。穿刺活檢後，作者團隊發現Trpv1+神經元中II17ra表達豐富(圖5A)。在這些設置下，強化再生不需要TRPV1的表達。與金黃色葡萄球菌相關的損傷後神經元再生增加，包括CGRP陽性和陰性纖維。值得注意的是，金黃色葡萄球菌還增加了抗GFRA-2抗體染色的非肽能感覺神經元的密度，支持了這種現象可能廣泛適用於大多數C纖維感覺神經元的觀點。為了評估IL-17A信號在需要修複的感覺神經元中的作用，他們在TRPV1+感覺神經元中特異性地敲除II17ra (Trpv1CreIl17raf/f)。在先前與金黃色葡萄球菌相關的小鼠中，與穿孔活檢後的對照組相比TRPV1+感覺神經元中II17ra的缺失顯著損害了神經元纖維的再生(通過泛神經元標記物b3-微管蛋白可見)(圖5B和5C)。特別有趣的是，缺乏IL-17RA時感覺神經元(α-CGRP表達纖維)的增強修複完全消失(圖5B和5D)。
接下來，作者團隊評估了金黃色葡萄球菌誘導的神經元修複對皮膚內痛覺的影響。機械感(機械性異響痛)采用von Frey試驗進行評估。在損傷後7天觀察到與未損傷和非相關損傷小鼠相比，相關損傷小鼠的機械性異常痛水平更高。機械感增強依賴於Th17(圖5E)。接下來，作者評估了先前與金黃色葡萄球菌相關或不相關的小鼠神經元修複。值得注意的是，在穿孔活檢後的第30天，相關和非相關小鼠的神經元修複水平都達到了相當的水平(圖S5D)。與這一觀察結果一致，與對照小鼠相比，先前與金黃色葡萄球菌相關的小鼠並沒有表現出增強的機械異位痛(圖5F)，這支持了加速修複並不以感官改變為代價的觀點。總而言之，這些數據表明，IL-17/IL-17RA軸對共生菌群的反應是在不影響長期機械感覺的情況下調節損傷後的感覺神經再生。
作者發現了適應性免疫在外周組織神經元修複中的一個以前不被重視的作用。更具體地說，作者發現由組織常駐共生特異性T細胞釋放的局部作用細胞因子可以協調皮膚內的神經元修複。
宿主的行為、代謝和炎症可以被神經係統和免疫係統之間的對話深刻影響。盡管目前大多數認識是強調先天免疫是免疫係統和神經係統之間的主要橋梁，但最近的研究發現，適應性免疫在控製宿主感覺處理和社會行為方麵發揮重要作用。值得注意的是，作者發現對常駐微生物群的適應性免疫也可被重新利用來介導神經元修複。
損傷後外周神經係統的修複需要在各種支持細胞介導的許可環境下迅速激活受損神經元的再生程序。周圍神經係統的修複和組織的神經再生對於感覺恢複，以及協調上皮組織再生、新生血管和傷口愈合尤為重要。周圍神經係統修複失敗會對宿主產生嚴重後果，包括神經性疼痛以及運動和感覺功能的喪失。
先前的工作揭示了巨噬細胞和中性粒細胞在神經元完整性恢複中的基本作用。在皮膚內部，真皮巨噬細胞監視並塑造神經纖維中的髓鞘，從而促進軸突在機械損傷時萌發。在腸道內，肌層巨噬細胞誘導神經元保護，並通過β-2腎上腺素能受體減少感染引起的神經元損失，這表明適應性免疫也可以促成這種現象。
屏障組織是環境應激源的組成目標，也是暴露於共生和致病微生物的主要部位。所有屏障表麵的微生物都被免疫係統積極識別，與共生微生物相遇促進同源T細胞反應和損傷後角質形成細胞再上皮化的誘導。因為屏障組織是由共生體和共生反應性組織常駐淋巴細胞組成的共存所定義的，任何感染或損傷都發生在對微生物群，尤其是Th17細胞的召回反應的背景下。他們的工作提出，這些典型的共生特異性Th17細胞可以通過IL-17A作為神經元修複的主要介質。
IL-17A促進神經元修複的機製仍有待充分研究，可能涉及多種途徑。例如作者團隊發現神經元對IL-17A的反應促進了能夠與神經元和上皮細胞通信的因子的產生(例如Fgf7, Mmp3和Mmp13)。先前的研究表明，體感神經元在應對各種神經損傷時經曆了保守的轉錄重編程，其中ATF3是損傷後神經元重編程的核心。雖然ATF3協調這些過程的精確機製仍有待完全了解，但這種轉錄因子已被證明可以促進軸突再生並抑製損傷神經元的細胞同一性。ATF3在細胞存活和維持中的作用也延伸到其他類型的細胞。例如在應激狀態下，上皮細胞可以誘導ATF3作為生存/愈合相關的有絲分裂介質。他們的工作揭示了Atf3在損傷後的快速上調與II17ra的表達同時發生，支持了Atf3在神經元中協調IL-17RA表達的觀點。在缺乏Atf3的損傷神經元中，II17ra的表達顯著降低，提示II17ra可能受Atf3的直接轉錄控製，Atf3可能促進感覺神經元獲得IL-17A的響應性。
作者的數據還顯示除了肽能感覺神經元(CGRP+)外，其他感覺纖維(非肽能)也表現出與金黃色葡萄球菌相關的加速修複，支持IL-17A可能廣泛促進C纖維感覺神經元修複的觀點。雖然加速修複並沒有以長期改變機械感覺為代價，但可以推測在IL-17A過度表達的高炎症環境下，作者發現的現象也可能是疼痛加劇的基礎。
07小結
組織功能的恢複和多係統修複的協調對宿主至關重要。對微生物群免疫的複雜功能的探索，可能為這些關鍵的公共衛生需求提供治療靶點。在這種情況下，作者團隊發現IL-17A/IL-17RA軸的上調代表了受傷神經元的保護反應，這種治療方法打開了大門，以增強損傷後的感覺恢複或限製糖尿病和化療背景下的神經病變。
編譯僅供參考，精讀文獻請下載原文：
Enamorado M, Kulalert W, Han SJ, Rao I, Delaleu J, Link VM, Yong D, Smelkinson M, Gil L, Nakajima S, Linehan JL, Bouladoux N, Wlaschin J, Kabat J, Kamenyeva O, Deng L, Gribonika I, Chesler AT, Chiu IM, Le Pichon CE, Belkaid Y. Immunity to the microbiota promotes sensory neuron regeneration. Cell. 2023 Feb 2;186(3):607-620.e17.
