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2025年7月14日，日本国立精神·神经医疗研究中心Ryuta Koyama在Journal of Neuroinflammation发表：Chemokine–complement cascade in glial–vascular units protects neurons from nonbiogenic nanoparticles，揭示了胶质-血管单元中的趋化因子-补体级联反应保护神经元免受非生物源性纳米颗粒的损害。

随着纳米材料在工业、医疗和消费品领域的广泛应用，其潜在的神经毒性问题也日益受到关注。非生物源性纳米颗粒（NPs）包括二氧化硅和聚苯乙烯是环境颗粒污染的主要成分，可在大脑中积累尤其是在血脑屏障尚未发育成熟的发展阶段从而引发神经毒性。然而，大脑对这些纳米颗粒的保护性反应机制仍不清楚。在此，作者利用发育中的小鼠模型发现，小胶质细胞通过一种补体依赖的机制吞噬非生物源性纳米颗粒，该机制涉及C3标记过程。这一过程由一个趋化因子级联反应调控：血管内皮细胞释放CCL17激活血管周围星形胶质细胞上的CCR4受体，从而促进星形胶质细胞产生C3。抑制CCR4信号传导会减少C3的产生，损害小胶质细胞的吞噬作用，增加神经元的丢失并加剧类似焦虑的行为。作者的研究表明在大脑发育过程中，血管-胶质细胞趋化因子-补体轴在限制神经毒性方面具有保护作用。

图一 二氧化硅纳米颗粒进入大脑，引发胶质细胞的响应

为了研究非生物源性纳米颗粒在体内的神经免疫反应，作者建立了一个小鼠模型，从出生后第14天至第21天，给小鼠皮下注射荧光标记的二氧化硅纳米颗粒（选择这种给药途径是为了实现系统性的可控递送并在纳米颗粒经血管进入大脑后，独立于呼吸变异的影响，直接评估脑实质中的反应）。最后一次给药一天后对小鼠进行灌注以评估纳米颗粒渗入大脑的情况。结果发现，二氧化硅纳米颗粒广泛分布，在丘脑和下丘脑区域有明显积累。鉴于丘脑具有显著的纳米颗粒滞留能力、在感觉和情绪处理中的作用，于是作者选择丘脑作为进一步分析的目标。为了研究大脑中胶质细胞对二氧化硅纳米颗粒的反应，分析了渗入的纳米颗粒与小胶质细胞以及星形胶质细胞的相互作用。靠近二氧化硅纳米颗粒沉积部位的小胶质细胞表现出细胞体积增大的现象，溶酶体包裹纳米颗粒的现象表明了吞噬作用的发生。结果发现，小胶质细胞吞噬了大脑中大约26.5%的二氧化硅纳米颗粒。星形胶质细胞作为另一种具有吞噬能力的细胞类型也摄入了部分二氧化硅纳米颗粒，占总摄入量的9.5%。惊叹于此，为了探究小胶质细胞的吞噬作用是否也适用于其他类型的非生物源性纳米颗粒，作者采用相同的实验方案注射了聚苯乙烯纳米颗粒。结果显示小胶质细胞同样能够摄入这些纳米颗粒。这些发现表明，小胶质细胞是通过血管进入大脑的非生物源性纳米颗粒的主要吞噬细胞。

图二 小胶质细胞通过C3-CR3途径吞噬二氧化硅纳米颗粒

那么接下来作者为了研究小胶质细胞摄取非生物源性纳米颗粒的机制，重点关注了补体分子C3。免疫染色结果显示，与C3结合的二氧化硅纳米颗粒更易被小胶质细胞吞噬，类似的摄取现象也出现在带有C3标记的聚苯乙烯纳米颗粒上。鉴于带有C3标签的生物物质通常通过补体受体3（CR3）被吞噬，而CR3在小胶质细胞中高度表达，进一步探讨了CR3在清除非生物源性纳米颗粒中的作用。与野生型小鼠相比，CR3缺失小鼠表现出小胶质细胞对二氧化硅纳米颗粒摄取显著减少。在野生型小鼠中，小胶质细胞优先吞噬C3阳性的纳米颗粒；而在CR3缺失小鼠中这种选择性消失，C3阳性和阴性颗粒的摄取水平无明显差异。为了进一步分析未被小胶质细胞吞噬的二氧化硅纳米颗粒，作者比较了C3阳性和C3阴性颗粒的比例。在野生型和CR3缺失小鼠中，C3阳性的纳米颗粒数量均多于C3阴性颗粒，这表明许多未被吞噬的颗粒在检测时间点已经携带了C3标记。这可能反映了在该时间点，小胶质细胞无法及时清除所有进入大脑的纳米颗粒。为了模拟现实中的暴露情况，作者进行了经肺途径的纳米颗粒给药。二氧化硅和聚苯乙烯纳米颗粒均可进入大脑，并被小胶质细胞吞噬。这些被吞噬的纳米颗粒同样携带了C3标签，表明无论是通过呼吸道还是血管途径进入大脑，补体介导的清除机制对非生物源性纳米颗粒都具有相似的作用。这些发现突出了C3-CR3通路在小胶质细胞吞噬非生物源性纳米颗粒过程中的关键作用，表明C3促进了这些纳米颗粒从大脑中的清除。

图三  二氧化硅处理后的小鼠在血管周围区域表现出CCL17-CCR4信号通路上调

为了研究小胶质细胞为何优先吞噬非生物源性纳米颗粒，作者检测了二氧化硅纳米颗粒处理后小鼠大脑中C3的表达情况。全面的细胞因子和趋化因子ELISA分析显示，在二氧化硅和聚苯乙烯纳米颗粒处理的小鼠中，C3的下游补体成分C5/C5a显著升高。免疫染色进一步证实，与对照组相比，这些小鼠大脑中的C3表达明显增强。对C3表达细胞的分析显示，与远离血管的星形胶质细胞相比，靠近血管的血管周围星形胶质细胞中C3表达显著升高。在聚苯乙烯纳米颗粒处理的小鼠中也观察到类似的血管周围星形胶质细胞反应，表明不同类型的非生物源性纳米颗粒暴露均可引发类似的血管周围反应。为了探索这种C3表达升高的调控机制，对二氧化硅纳米颗粒处理的小鼠进行了细胞因子和趋化因子谱分析。在上调的分子中，CCL17被鉴定为一个关键因子，CCL17由包括内皮细胞在内的多种细胞产生在免疫细胞成熟和迁移中发挥重要作用，其表达在聚苯乙烯纳米颗粒处理后也显著升高。免疫染色进一步证实，在二氧化硅纳米颗粒处理的小鼠血管内皮细胞中，CCL17表达增加。接下来检测了CCL17的受体CCR4的表达情况，发现它主要富集于血管周围星形胶质细胞。为了评估其功能，作者在原代星形胶质细胞培养中检测了CCL17对C3分泌的影响。结果显示，经过24小时CCL17处理，C3的分泌显著增加。为了确定星形胶质细胞中CCR4在体内的作用，利用CRISPR-Cas9技术，在星形胶质中敲除CCR4。在这些小鼠中，二氧化硅纳米颗粒诱导的星形胶质细胞C3表达也被抑制。这些结果表明，当非生物源性纳米颗粒进入大脑后，通过激活血管周围星形胶质细胞中的CCR4信号通路，进而驱动C3的表达。

图四 CCR4的抑制加重了二氧化硅纳米颗粒暴露引起的神经元损失及类焦虑样行为

作者研究了小胶质细胞对非生物源性纳米颗粒的吞噬作用如何影响神经元存活和焦虑样行为。为了抑制小胶质细胞的吞噬作用，给予小鼠C-021处理并评估神经元密度和行为学结果。在出生后第21天进行免疫组化分析，在同时接受C-021和二氧化硅纳米颗粒处理的小鼠中，神经元密度显著降低，而这一组别的吞噬作用已被抑制。相比之下，仅接受二氧化硅纳米颗粒处理的小鼠中，神经元丢失有所缓解，但其神经元密度仍低于对照组。在C-021+二氧化硅处理组和仅二氧化硅处理组中，观察到更多皱缩的神经元核，且C-021+二氧化硅组更为明显。这种保护作用表明，小胶质细胞的吞噬作用在对抗二氧化硅纳米颗粒引起的神经毒性方面起着关键作用。这种现象会引起什么影响呢？这种在小鼠6至7周龄时进行了旷场实验和高架十字迷宫实验，接受C-021处理的小鼠在旷场实验中停留在中心区域的时间减少，在高架十字迷宫中进入开放臂的时间也减少，表明其表现出更明显的焦虑样行为。仅暴露于二氧化硅纳米颗粒的小鼠表现出部分行为变化的缓解。这些研究结果提示，二氧化硅纳米颗粒引起的神经元丢失可能导致焦虑样行为，而通过激活CCR4实现的小胶质细胞吞噬作用在一定程度上具有神经保护作用。这揭示了一种由CCR4介导的关键血管-胶质机制，能够减轻非生物源性纳米颗粒对大脑健康的有害影响。

综上所述，这些发现揭示了大脑对非生物源性环境纳米颗粒的一种协调的免疫反应，并揭示了一种由血管-胶质细胞介导的缓解纳米颗粒诱导脑损伤的机制。