Cell | 心理压力通过肠神经系统介导加重肠道炎症
心理健康对身体炎症反应有着深远影响，这在炎症性肠病(IBD)中尤其明显。因此改善患者的精神状态可能是一种有效治疗炎症等疾病的有效策略。心理压力对IBD的影响尤其显著，虽然已有许多流行病学研究支持压力可加剧IBD发作，然而，应激相关IBD发生和加重的内在机制尚不完全清楚。近日，来自宾夕法尼亚大学的Christoph A. Thaiss和Maayan Levy教授团队在国际顶级期刊《Cell》上发表了题为“The enteric nervous system relays psychological stress to intestinal inflammation”的研究型文章（图1）。在这项研究中，研究人员发现了肠神经系统(ENS)介导的慢性应激加重肠道炎症的关键作用。他们发现糖皮质激素水平的长期升高能驱动肠胶质细胞炎症亚群的产生，并且通过TGF-β2导致肠神经元转录不成熟、乙酰胆碱缺乏和运动障碍。他们还在IBD患者中验证了心理状态、肠道炎症和运动障碍之间的联系，揭示了心理应激通过肠神经系统(ENS)影响肠道炎症的机制。为了研究心理应激对肠道炎症影响的潜在机制，研究人员使用长期心理应激和葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导结肠炎小鼠模型(图2A)。从体重减轻、结肠镜检查、死亡率、组织学和粪便脂钙素水平来看，心理应激加剧了肠道炎症(图2B-2E)。结肠组织RNA测序显示，心理应激诱导的基因表达发生显著变化。在改善环境压力的条件下，也观察到约束应力诱导的结肠炎加重，这表明心理压力可能是肠道在随后遇到结肠炎触发因素时增强炎症的先决条件。接下来，研究人员试图鉴定应激反应加重结肠炎的潜在效应细胞。为此，研究人员从应激小鼠和对照小鼠的结肠组织中分离的23696个CD45+白细胞，并进行单细胞RNA测序共产生13种不同的免疫细胞类型 (图2F)。在所有集群中，T细胞、巨噬细胞/单核细胞和先天淋巴样细胞(ILCs)在应激小鼠中基因表达差异最大，表明这些细胞类型是应激诱导的肠道炎症增强的潜在驱动因素。随后通过一系列研究发现先天淋巴细胞和适应性淋巴细胞都不是肠道炎症对应激反应的必要驱动因素。因此，他们将重点放在骨髓细胞，特别是单核细胞和巨噬细胞上。单细胞数据的亚聚类显示了5个骨髓细胞群，3个单核细胞群(Mono 1、2和3)和2个巨噬细胞亚群(Mac 1和2) (图2F)。研究人员发现应激小鼠会发生单核细胞积累(图2G)。为了确定单核细胞积累是否在功能上参与了炎症表型，他们使用CCR2-DTR小鼠在体内消耗单核细胞，发现心理应激可以改变肠髓细胞的景观，导致炎症单核细胞的积累，并导致TNF介导的结肠炎恶化。接下来，研究人员想要确定心理压力是如何从大脑传递到肠道。中枢神经系统对压力的感知会导致外周的儿茶酚胺和皮质类固醇水平升高。他们发现，应激激素去甲肾上腺素和皮质酮在经历约束应激的小鼠血清中显著增加(图3A)。为了评估儿茶酚胺释放对结肠炎的影响，研究人员用6-羟多巴胺(6-OHDA)耗尽交感神经元，发现肾上腺素能信号的消失进一步加剧了应激小鼠的结肠炎，而儿茶酚胺在慢性压力下能抵消炎症。为了研究糖皮质激素升高在应激诱导的严重结肠炎中的作用，研究人员用促肾上腺皮质激素释放激素受体1 (CRHR1)拮抗剂安塔拉明降低了皮质酮水平，并使小鼠抵抗约束应激对结肠炎的影响。同样，使用肾上腺切术除或使用米非司酮(RU-486)抑制糖皮质激素受体(GR)信号传导也可防止心理应激导致的结肠炎加重(图3B-3D)，提示了糖皮质激素介导应激对肠道炎症的有害影响。这些数据表明，长期升高的糖皮质激素可能介导大脑对结肠炎恶化的压力感知的影响。基于上述发现，研究人员假设髓细胞中的GR信号是心理应激对IBD有害影响的主要原因。然而，骨髓细胞(Nr3c1LysM)中特异性缺乏GR基因Nr3c1的小鼠与对照组一样容易受到应激对肠道炎症的影响 (图4A-4F)。这表明糖皮质激素对单核细胞的影响是间接的。在免疫系统之外，糖皮质激素对上皮细胞和神经元细胞都有很强的作用。因此，研究人员测试了ENS细胞是否可能受到慢性心理应激的影响。他们发现，成年胶质细胞中GR的缺失能保护小鼠免受应激引起的结肠炎加重效应(图4H-4K)。这些结果表明ENS，特别是肠胶质细胞，是来自下丘脑-垂体-肾上腺轴的糖皮质激素和肠道炎症反应之间的关键中继。为了了解心理应激对ENS的分子效应，研究人员对肠胶质细胞和神经元进行了单核RNA测序。他们发现了与心理应激相关的肠神经胶质(eGAPS)表现为糖皮质激素诱导的Nur转录因子Nr4a1、Nr4a2和Nr4a3、泛素连接酶Arih1、细胞凋亡/坏死坏死介质Ripk1和转录因子Stat3的表达升高(图4N)。经过慢性地塞米松治疗后则足以产生eGAPS(图4M)。这些数据强调了肠胶质细胞对慢性应激的转录反应，并指出这些细胞可能是糖皮质激素和肠道炎症之间的联系。随后他们发现胶质细胞消融也阻断了结肠单核细胞的积累(图5H和5I)，这表明肠道胶质细胞和单核细胞之间的交流对于应激性结肠炎至关重要。随后研究人员深入探索了神经胶质-髓细胞相互作用参与炎症应激反应的模式。他们重点研究了eGAPS与Mono1簇之间的相互作用(图2G)。他们假设CSF1可能介导胶质细胞-单核细胞的通讯并驱动应激诱导的肠炎症加重。为了解决这个问题，研究人员用单克隆抗体中和CSF1信号，发现CSF1阻断能抵抗心理应激对结肠炎症的有害影响(图5q)。总的来说，这些数据提示慢性应激导致肠胶质细胞糖皮质激素暴露和eGAPS生成的模型。反过来，肠胶质细胞通过CSF1促进产生TNF单核细胞积累，增强对结肠炎损伤的炎症反应(图5R)。研究人员注意到约束压力除了加剧结肠炎外，还会导致结肠运输时间的明显延迟(图6A)。他们发现在应激组中，成熟神经元的胆碱能亚群和氮能亚群代表性不足。随后研究人员将来自应激小鼠和对照小鼠的神经元投射到伪时间轨迹上时，观察到在心理应激条件下细胞的分布向未成熟隔室转移(图6E)。这一发现表明，应激增加了前体样神经元的比例，而减少了成熟神经元的数量。他们发现Nes转录物表达水平较高(图6F)；应激降低了表达一氧化氮合酶(nNOS+)神经元的数量(图6K和6L)；表达胆碱乙酰转移酶(ChAT+)的神经元数量同样急剧下降(图6K和6M)，同时乙酰胆碱水平降低(图6N)。这些数据共同揭示了应激对肠道神经元种群的影响，使其向分化程度较低的表型转变，并减少氮能和胆碱能神经元，导致运动障碍。从成熟到前体样转录状态的转变和DSS诱导的神经元损失依赖于ENS中的GR信号。因此，研究人员假设观察到的神经元紊乱是糖皮质激素暴露引发的eGAPS -单核细胞-TNF机制的结果。然而，无论是胶质细胞中GR的缺失，还是CSF1或TNF的中和，都不能抵消应激对肠道运动或ENS组成的不利影响。这些结果表明，应激对肠神经元的影响可能是由不同的ENS -内源性糖皮质激素反应通路介导的。为了确定候选介质，研究人员比较了高(“成熟”)和低(“未成熟”)肠神经元的基因表达谱(图7E)。发现eGAPS - CSF1 -单核细胞轴不受应激介导的TGF-β2诱导的影响，肠神经元的糖皮质激素暴露诱导了由TGF-β2驱动的前体样表达程序，功能性氮能和胆碱能神经元的数量减少，对损伤诱导的神经元丢失易感性增加，并出现明显的运动障碍(图7P)。最后，研究人员进一步探讨了人类患者的心理压力、运动障碍和肠道炎症之间的联系，分析了来自UK Biobank 502505人的数据(图8A)。在为期10年的随访中，ICD编码表明慢性心理压力水平高的患者患IBD的风险明显高于没有压力的参与者(图8B)。此外，心理压力也与更严重的IBD病程有关，如血清c反应蛋白(CRP)升高和总死亡率增加(图8C和8D)。这些发现适用于两种主要类型的IBD，溃疡性结肠炎和克罗恩病。为了研究人类情绪压力是否与小鼠的机制类似，他们重点研究了炎症和运动障碍的标志物。发现压力患者更有可能对排便习惯和排便不满意(图8G、8H)。应激性IBD患者也更有可能发展为肠梗阻。为了探讨这些是社会心理压力的一般后果还是IBD患者的特异性后果，研究人员调查了UK Biobank的无疾病人群、肠外疾病患者和不同肠道疾病患者(肠易激综合征)，发现在所有人群中，人类的心理压力与运动障碍有关，使肠黏膜易于引发随后的结肠炎，并可能引发肠道炎症反应加剧。慢性心理压力与IBD发作的严重程度密切相关，在这项研究中，研究人员将应激感知与肠道炎症加剧联系起来，为肠胶质细胞的生物学提供了重要见解。这项研究表明，肠道胶质细胞的分子状态及其对肠道微环境的影响会受到中枢神经系统衍生信号的影响。因此，肠胶质细胞可能在CNS-ENS通信中执行以前未被识别的功能。这些发现为大脑对周围炎症的影响提供了解释，将ENS定义为心理压力和肠道炎症之间的中继，并表明压力管理可以作为IBD护理的重要组成部分，揭示了心理应激通过肠神经系统(ENS)影响肠道炎症的机制。