研究背景
腦損傷會導致與刺激特性配對的細胞反應，表明存在編碼和傳遞損傷信息的內在過程，然而損傷信息編碼的分子機制尚不清楚。近期北京腦科學與類腦研究所井淼團隊在Nature Neuroscience (IF 25.0)上發表文章“Spatiotemporally selective astrocytic ATP dynamics encode injury information sensed by microglia following brain injury in mice”，發現時空特異性ATP信號Inflare作為損傷的內部表征，它有效地將損傷信息的多個方面編碼在其屬性中，并進一步呈現信息以啟動小膠質細胞反應，證明損傷信息可以被主動感知和傳遞，并確定了損傷信號處理的潛在機制。
病毒
產品使用效果AAV2/9-hSyn-hM4D(Gi)-mCherry在神經元細胞中成功表達
AAV2/9-sGFAP (GfaABC1D)-hM3D(Gq)-mCherry在星形膠質細胞中成功表達
結果展示
1. 時空選擇性ATP作為損傷表征
作者利用ATP1.0傳感器檢測了小鼠FLA（聚焦激光燒蝕）期間細胞外ATP水平，發現FLA后，ATP水平表現出類似閃光的信號，作者將每個單獨的閃光事件命名為Inflare。但在表達ATP1.0-mut傳感器的小鼠中，FLA損傷未能引起可檢測的熒光反應，表明信號不是由異質傳感器表達引起的，損傷特異性ATP動態的記錄意味著它們可能表征損傷。接下來，作者分析了損傷后ATP動力學的演變，發現Inflare在近24小時內重復產生，單獨隔離，并在空間中廣泛分布，表明Inflare能夠以持久和廣泛的模式向小膠質細胞傳遞信息。
圖1 時空選擇性ATP作為損傷表征
2. Inflares通過pannexin 1從星形膠質細胞釋放
作者接下來探討了Inflares的分子機制，并首先證實Inflares不是由于死亡細胞被動釋放ATP導致。進一步研究發現，星形膠質細胞消融后，FLA不能引起Inflares升高，但通過caspase-3表達或AAV-hSyn-hM4Di（維真提供）聯合CNO抑制神經元細胞后，不影響隨后的FLA誘發Inflares，表明星形膠質細胞是損傷誘發Inflares的潛在細胞。作者進一步探討了星形細胞Ca2+與Inflare之間的關系，發現消耗細胞內Ca2+儲存，消除了Inflares的增加；但提高CNO+AAV-sGFAP-hM3Dq（維真提供）處理的星形細胞中Ca2+水平，增加了星形膠質細胞中的Inflare。進一步研究顯示，星形膠質細胞特異性Panx1（pannexin 1）敲除消除了FLA引起的Inflares增加，相反，星形膠質細胞中過表達Panx1可顯著促進FLA誘發的Inflares，表明Inflares通過pannexin 1從星形膠質細胞釋放。
圖2 星形膠質細胞的Inflares具有Ca2+和panx1依賴性
3. 小膠質細胞解碼Inflares的信息
作者首先測試了是否需要持續的Inflares來驅動小膠質細胞的變化，發現在FLA后注射apyrase（ATP水解酶）可顯著降低Inflares持續時間，抑制小膠質細胞積累。此外，在時間尺度上，作者發現了Inflares與小膠質細胞遷移變化之間存在正線性關系，小膠質細胞也能夠感知局部炎癥并進行定向擴展，表明小膠質細胞能夠持續解碼Inflare信息并調整其表現。接下來作者評估了在操縱Inflares的情況下小膠質細胞的損傷解碼特性。在小鼠星形細胞中敲除Panx1，能完全抑制FLA導致的小膠質細胞定向反應；相反，星形細胞中過表達Panx1促進Inflares，導致小膠質細胞積累升高，并且無論Inflares的如何變化，Inflares與小膠質細胞之間的定量關系保持不變，調整Inflares改變了初始損傷與小膠質細胞之間的配對，這些結果表明，小膠質細胞可以忠實地解碼由Inflares攜帶的損傷信息，Inflares影響小膠質細胞的狀態，導致其功能障礙，這有助于加劇損傷結果。
圖3 小膠質細胞解碼Inflares的信息
4. 阻斷過度的Inflares有利于中風的恢復
為了確定Inflares是否是損傷的普遍表現，作者對大腦中動脈閉塞（MCAO）小鼠的ATP動力學進行了體內雙光子成像。發現在中風進展的不同階段可以檢測不同頻率的Inflares，但假手術小鼠或表達ATP1.0-mut傳感器的小鼠中很少記錄到Inflares，星形細胞Panx1敲除或PBN注射也沒有導致MCAO期間Inflares增加。作者還發現Inflares能夠編碼損傷的嚴重程度，Inflares頻率和組織損傷顯示出線性相關性。由于Inflares會導致FLA中的小膠質細胞功能障礙并加劇細胞凋亡，作者假設MCAO中過量的Inflares（比FLA高十倍）可能會導致過度的損傷反應，而通過靶向Panx1阻斷Inflares可能有利于中風的恢復。Panx1阻斷或敲除阻止了MCAO后的病理變化，腦梗死面積顯著減少，在行為上Panx1阻斷或敲除的小鼠能更有效地恢復。表明通過靶向Panx1合理阻斷Inflares是治療中風相關腦損傷的一種很有前途的方法。
圖4 阻斷過度的Inflares有利于中風的恢復
實驗結論
本研究精確地追蹤了清醒小鼠損傷誘發的ATP，并確定了時空選擇性ATP事件（命名為Inflares）是損傷的內部表征。星形膠質細胞主動釋放Inflares，并編碼損傷信息的多個方面，這些信息隨后被小膠質細胞解碼，從而驅動它們的行為變化。研究結果證明Inflares是損傷相關疾病的普遍表征，阻斷過度的炎癥可能是缺血性卒中的一種有希望的治療方法。