在多發(fā)性硬化等神經(jīng)炎癥疾病中，巨噬細(xì)胞既能加劇損傷，也能促進(jìn)修復(fù)，具體取決于它們所處的“狀態(tài)”。但哪些信號(hào)在真實(shí)體內(nèi)環(huán)境中決定這些狀態(tài)，一直不清楚。

基于此，2025年12月4日，慕尼黑大學(xué)Martin Kerschensteiner?研究團(tuán)隊(duì)在nature neuroscience雜志發(fā)表了“In vivo CRISPR screen reveals regulation of macrophage states in neuroinflammation”揭示了體內(nèi)CRISPR篩選揭示神經(jīng)炎癥中巨噬細(xì)胞狀態(tài)的調(diào)控機(jī)制。

作者開發(fā)了一種基于可基因編輯祖細(xì)胞的體內(nèi)CRISPR篩選平臺(tái)，用于研究多發(fā)性硬化（MS）小鼠模型中巨噬細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制。通過(guò)對(duì)100多個(gè)細(xì)胞因子受體和信號(hào)分子的篩選，發(fā)現(xiàn)干擾素-γ、TNF、GM-CSF 和 TGF-β 是巨噬細(xì)胞極化的關(guān)鍵調(diào)控因子。單細(xì)胞測(cè)序證實(shí)，移植的祖細(xì)胞能分化為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中所有髓系細(xì)胞類型。結(jié)合生物傳感器，該方法還能在體內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞因子對(duì)髓系細(xì)胞遷移、碎片清除和氧化活性的影響。跨物種和腦區(qū)的比較分析揭示了保守的神經(jīng)炎癥細(xì)胞因子特征，明確了驅(qū)動(dòng)MS患者腦內(nèi)髓系細(xì)胞功能的核心信號(hào)通路。這一平臺(tái)為高分辨率解析巨噬細(xì)胞狀態(tài)提供了可擴(kuò)展的新工具。

圖一 體內(nèi)CRISPR篩選鑒定出調(diào)控神經(jīng)炎癥病灶中巨噬細(xì)胞極化的細(xì)胞因子受體

為解析神經(jīng)炎癥中巨噬細(xì)胞狀態(tài)的調(diào)控機(jī)制，作者利用可基因編輯的 Hoxb8FL 造血祖細(xì)胞，在EAE中開展體內(nèi)混合CRISPR篩選。

這些細(xì)胞在體外編輯并初步分化后，于疾病早期注入小鼠，能有效遷入脊髓病灶（依賴CCR2），占病灶髓系細(xì)胞約15%并像內(nèi)源細(xì)胞一樣分化為 iNOS?（促炎）或Arg1?（抗炎）亞型。

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研究人員構(gòu)建了靶向64個(gè)細(xì)胞因子受體及45個(gè)下游信號(hào)分子的CRISPR文庫(kù)，在EAE高峰期分選不同極化狀態(tài)的移植細(xì)胞，通過(guò) sgRNA 富集分析鑒定關(guān)鍵調(diào)控因子。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：CCR2是髓系細(xì)胞進(jìn)入中樞所必需；干擾素γ受體和TNF受體驅(qū)動(dòng) iNOS? 極化，TGF-β受體1 抑制該過(guò)程；Arg1?極化由 TGF-β受體1和GM-CSF受體促進(jìn)，但被干擾素γ受體1抑制。

該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了在體內(nèi)高通量、高分辨率地解析巨噬細(xì)胞功能的細(xì)胞因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

圖二 細(xì)胞因子受體對(duì)巨噬細(xì)胞極化作用的驗(yàn)證及其關(guān)鍵下游效應(yīng)分子的鑒定

作者通過(guò)更精細(xì)的單基因敲除實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了在EAE中，有兩類細(xì)胞因子信號(hào)最關(guān)鍵：干擾素γ和TNF推動(dòng)巨噬細(xì)胞變成“促炎”狀態(tài)（表達(dá)iNOS）；TGF-β 和 GM-CSF 則幫助巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)向“抗炎”狀態(tài)（表達(dá)Arg1）。

有意思的是，雖然IL-4和IL-10也能讓巨噬細(xì)胞變“抗炎”，但在疾病高峰期的小鼠體內(nèi)，它們其實(shí)并不起作用。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些信號(hào)各有“專屬通路”：干擾素γ靠JAK–STAT1，TNF靠IKK2，而TGF-β則依賴SMAD4來(lái)發(fā)揮作用。

作者又在另一種由TH17細(xì)胞引起的EAE模型中做了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：干擾素γ和TGF-β的作用始終相反、相互對(duì)抗：一個(gè)促炎、一個(gè)抗炎，在不同模型中都很穩(wěn)定。

總的來(lái)說(shuō)，干擾素γ和TGF-β是調(diào)控大腦炎癥中巨噬細(xì)胞行為的“核心開關(guān)”，而其他信號(hào)則根據(jù)疾病類型或階段靈活調(diào)整作用。

圖三 Perturb-seq在單細(xì)胞水平揭示細(xì)胞因子對(duì)巨噬細(xì)胞的調(diào)控作用

為了更深入地理解這些關(guān)鍵細(xì)胞因子調(diào)控因子的作用，作者首先在體外生成骨髓來(lái)源的巨噬細(xì)胞，將其暴露于不同組合的細(xì)胞因子中并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析。

研究發(fā)現(xiàn)，干擾素γ和TNF一起推動(dòng)巨噬細(xì)胞變成促炎（iNOS?）狀態(tài)，而TGF-β和GM-CSF則共同促進(jìn)抗炎（Arg1?）狀態(tài)。有意思的是，四種因子一起用時(shí)，反而產(chǎn)生最多的Arg1?細(xì)胞，說(shuō)明巨噬細(xì)胞在體內(nèi)能靈活切換狀態(tài)。

為了看清這些因子如何影響巨噬細(xì)胞的分化，作者在多發(fā)性硬化小鼠病重時(shí)，對(duì)腦脊髓中的巨噬細(xì)胞做了單細(xì)胞測(cè)序并結(jié)合CRISPR敲除實(shí)驗(yàn)（通過(guò)移植編輯過(guò)的Hoxb8FL細(xì)胞或骨髓嵌合體）。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：所有實(shí)驗(yàn)中都出現(xiàn)相同的巨噬細(xì)胞亞群，基因特征高度一致；

iNOS主要出現(xiàn)在早期炎癥型巨噬細(xì)胞（尤其是CXCL10 3簇），而Arg1多見于中晚期細(xì)胞，兩者基本不重疊；敲除對(duì)應(yīng)受體后，極化變化與之前篩選結(jié)果完全吻合。

具體來(lái)看：沒了干擾素γ信號(hào)，巨噬細(xì)胞“卡”在早期單核樣狀態(tài)，促炎亞群減少；沒了TNF信號(hào)，細(xì)胞難以向晚期成熟；沒了TGF-β或GM-CSF信號(hào)則CXCL10?炎癥型巨噬細(xì)胞變少，細(xì)胞更快進(jìn)入晚期狀態(tài)。

總之，這些細(xì)胞因子不僅決定巨噬細(xì)胞“開火”還是“滅火”，還精細(xì)調(diào)控它們?cè)谘装Y病灶中的發(fā)育路徑。

圖四 細(xì)胞因子受體的缺失在神經(jīng)炎癥中對(duì)巨噬細(xì)胞病灶消退功能產(chǎn)生差異性調(diào)控

研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β信號(hào)促進(jìn)巨噬細(xì)胞執(zhí)行“清理和修復(fù)”功能，而干擾素γ信號(hào)（通過(guò)IFNGR1）則抑制這一過(guò)程，這與之前在多種多發(fā)性硬化模型中觀察到的兩者相互拮抗的結(jié)果一致。

此外，TGFBR1 和 GM-CSF 受體（CSF2RA）都能激活“組織重塑”相關(guān)基因，說(shuō)明它們?cè)谀承┕δ苌峡梢詤f(xié)同作用。

特別值得注意的是，TGFBR1對(duì)脂質(zhì)代謝至關(guān)重要。在神經(jīng)炎癥中，巨噬細(xì)胞需要清除富含脂質(zhì)的髓鞘碎片，而缺失TGFBR1的巨噬細(xì)胞雖然吞噬能力正常，卻無(wú)法有效排出脂質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂滴和膽固醇結(jié)晶堆積，形成類似“泡沫細(xì)胞”的促炎狀態(tài)并高表達(dá)標(biāo)志物 GPNMB。

這些結(jié)果表明：TGF-β不僅推動(dòng)抗炎和修復(fù)程序，還通過(guò)調(diào)控脂質(zhì)外排防止巨噬細(xì)胞“卡殼”變成有害的泡沫細(xì)胞。

最后，通過(guò)結(jié)合CRISPR編輯、單細(xì)胞測(cè)序和活體成像，全面揭示了巨噬細(xì)胞在體內(nèi)的分化和功能調(diào)控機(jī)制。無(wú)論是用Hoxb8FL細(xì)胞還是傳統(tǒng)骨髓嵌合體，結(jié)果高度一致，證明Hoxb8FL是研究巨噬細(xì)胞體內(nèi)行為的可靠工具。

總結(jié)

總之，作者建立了一種快速、可擴(kuò)展且通用的體內(nèi)CRISPR篩選方法，用于解析驅(qū)動(dòng)髓系細(xì)胞狀態(tài)的信號(hào)通路在不同組織區(qū)室和疾病模型中的作用，為深入理解人類疾病中髓系細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制提供了重要見解，這是邁向理性設(shè)計(jì)靶向先天免疫細(xì)胞療法的關(guān)鍵一步。

文章來(lái)源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02151-6

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