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2025年7月14日，日本國立精神·神經醫療研究中心Ryuta Koyama在Journal of Neuroinflammation發表：Chemokine–complement cascade in glial–vascular units protects neurons from nonbiogenic nanoparticles，揭示了膠質-血管單元中的趨化因子-補體級聯反應保護神經元免受非生物源性納米顆粒的損害。

隨著納米材料在工業、醫療和消費品領域的廣泛應用，其潛在的神經毒性問題也日益受到關注。非生物源性納米顆粒（NPs）包括二氧化硅和聚苯乙烯是環境顆粒污染的主要成分，可在大腦中積累尤其是在血腦屏障尚未發育成熟的發展階段從而引發神經毒性。然而，大腦對這些納米顆粒的保護性反應機制仍不清楚。在此，作者利用發育中的小鼠模型發現，小膠質細胞通過一種補體依賴的機制吞噬非生物源性納米顆粒，該機制涉及C3標記過程。這一過程由一個趨化因子級聯反應調控：血管內皮細胞釋放CCL17激活血管周圍星形膠質細胞上的CCR4受體，從而促進星形膠質細胞產生C3。抑制CCR4信號傳導會減少C3的產生，損害小膠質細胞的吞噬作用，增加神經元的丟失并加劇類似焦慮的行為。作者的研究表明在大腦發育過程中，血管-膠質細胞趨化因子-補體軸在限制神經毒性方面具有保護作用。

圖一 二氧化硅納米顆粒進入大腦，引發膠質細胞的響應

為了研究非生物源性納米顆粒在體內的神經免疫反應，作者建立了一個小鼠模型，從出生后第14天至第21天，給小鼠皮下注射熒光標記的二氧化硅納米顆粒（選擇這種給藥途徑是為了實現系統性的可控遞送并在納米顆粒經血管進入大腦后，獨立于呼吸變異的影響，直接評估腦實質中的反應）。最后一次給藥一天后對小鼠進行灌注以評估納米顆粒滲入大腦的情況。結果發現，二氧化硅納米顆粒廣泛分布，在丘腦和下丘腦區域有明顯積累。鑒于丘腦具有顯著的納米顆粒滯留能力、在感覺和情緒處理中的作用，于是作者選擇丘腦作為進一步分析的目標。為了研究大腦中膠質細胞對二氧化硅納米顆粒的反應，分析了滲入的納米顆粒與小膠質細胞以及星形膠質細胞的相互作用。靠近二氧化硅納米顆粒沉積部位的小膠質細胞表現出細胞體積增大的現象，溶酶體包裹納米顆粒的現象表明了吞噬作用的發生。結果發現，小膠質細胞吞噬了大腦中大約26.5%的二氧化硅納米顆粒。星形膠質細胞作為另一種具有吞噬能力的細胞類型也攝入了部分二氧化硅納米顆粒，占總攝入量的9.5%。驚嘆于此，為了探究小膠質細胞的吞噬作用是否也適用于其他類型的非生物源性納米顆粒，作者采用相同的實驗方案注射了聚苯乙烯納米顆粒。結果顯示小膠質細胞同樣能夠攝入這些納米顆粒。這些發現表明，小膠質細胞是通過血管進入大腦的非生物源性納米顆粒的主要吞噬細胞。

圖二 小膠質細胞通過C3-CR3途徑吞噬二氧化硅納米顆粒

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那么接下來作者為了研究小膠質細胞攝取非生物源性納米顆粒的機制，重點關注了補體分子C3。免疫染色結果顯示，與C3結合的二氧化硅納米顆粒更易被小膠質細胞吞噬，類似的攝取現象也出現在帶有C3標記的聚苯乙烯納米顆粒上。鑒于帶有C3標簽的生物物質通常通過補體受體3（CR3）被吞噬，而CR3在小膠質細胞中高度表達，進一步探討了CR3在清除非生物源性納米顆粒中的作用。與野生型小鼠相比，CR3缺失小鼠表現出小膠質細胞對二氧化硅納米顆粒攝取顯著減少。在野生型小鼠中，小膠質細胞優先吞噬C3陽性的納米顆粒；而在CR3缺失小鼠中這種選擇性消失，C3陽性和陰性顆粒的攝取水平無明顯差異。為了進一步分析未被小膠質細胞吞噬的二氧化硅納米顆粒，作者比較了C3陽性和C3陰性顆粒的比例。在野生型和CR3缺失小鼠中，C3陽性的納米顆粒數量均多于C3陰性顆粒，這表明許多未被吞噬的顆粒在檢測時間點已經攜帶了C3標記。這可能反映了在該時間點，小膠質細胞無法及時清除所有進入大腦的納米顆粒。為了模擬現實中的暴露情況，作者進行了經肺途徑的納米顆粒給藥。二氧化硅和聚苯乙烯納米顆粒均可進入大腦，并被小膠質細胞吞噬。這些被吞噬的納米顆粒同樣攜帶了C3標簽，表明無論是通過呼吸道還是血管途徑進入大腦，補體介導的清除機制對非生物源性納米顆粒都具有相似的作用。這些發現突出了C3-CR3通路在小膠質細胞吞噬非生物源性納米顆粒過程中的關鍵作用，表明C3促進了這些納米顆粒從大腦中的清除。

圖三 二氧化硅處理后的小鼠在血管周圍區域表現出CCL17-CCR4信號通路上調

為了研究小膠質細胞為何優先吞噬非生物源性納米顆粒，作者檢測了二氧化硅納米顆粒處理后小鼠大腦中C3的表達情況。全面的細胞因子和趨化因子ELISA分析顯示，在二氧化硅和聚苯乙烯納米顆粒處理的小鼠中，C3的下游補體成分C5/C5a顯著升高。免疫染色進一步證實，與對照組相比，這些小鼠大腦中的C3表達明顯增強。對C3表達細胞的分析顯示，與遠離血管的星形膠質細胞相比，靠近血管的血管周圍星形膠質細胞中C3表達顯著升高。在聚苯乙烯納米顆粒處理的小鼠中也觀察到類似的血管周圍星形膠質細胞反應，表明不同類型的非生物源性納米顆粒暴露均可引發類似的血管周圍反應。為了探索這種C3表達升高的調控機制，對二氧化硅納米顆粒處理的小鼠進行了細胞因子和趨化因子譜分析。在上調的分子中，CCL17被鑒定為一個關鍵因子，CCL17由包括內皮細胞在內的多種細胞產生在免疫細胞成熟和遷移中發揮重要作用，其表達在聚苯乙烯納米顆粒處理后也顯著升高。免疫染色進一步證實，在二氧化硅納米顆粒處理的小鼠血管內皮細胞中，CCL17表達增加。接下來檢測了CCL17的受體CCR4的表達情況，發現它主要富集于血管周圍星形膠質細胞。為了評估其功能，作者在原代星形膠質細胞培養中檢測了CCL17對C3分泌的影響。結果顯示，經過24小時CCL17處理，C3的分泌顯著增加。為了確定星形膠質細胞中CCR4在體內的作用，利用CRISPR-Cas9技術，在星形膠質中敲除CCR4。在這些小鼠中，二氧化硅納米顆粒誘導的星形膠質細胞C3表達也被抑制。這些結果表明，當非生物源性納米顆粒進入大腦后，通過激活血管周圍星形膠質細胞中的CCR4信號通路，進而驅動C3的表達。

圖四 CCR4的抑制加重了二氧化硅納米顆粒暴露引起的神經元損失及類焦慮樣行為

作者研究了小膠質細胞對非生物源性納米顆粒的吞噬作用如何影響神經元存活和焦慮樣行為。為了抑制小膠質細胞的吞噬作用，給予小鼠C-021處理并評估神經元密度和行為學結果。在出生后第21天進行免疫組化分析，在同時接受C-021和二氧化硅納米顆粒處理的小鼠中，神經元密度顯著降低，而這一組別的吞噬作用已被抑制。相比之下，僅接受二氧化硅納米顆粒處理的小鼠中，神經元丟失有所緩解，但其神經元密度仍低于對照組。在C-021+二氧化硅處理組和僅二氧化硅處理組中，觀察到更多皺縮的神經元核，且C-021+二氧化硅組更為明顯。這種保護作用表明，小膠質細胞的吞噬作用在對抗二氧化硅納米顆粒引起的神經毒性方面起著關鍵作用。這種現象會引起什么影響呢？這種在小鼠6至7周齡時進行了曠場實驗和高架十字迷宮實驗，接受C-021處理的小鼠在曠場實驗中停留在中心區域的時間減少，在高架十字迷宮中進入開放臂的時間也減少，表明其表現出更明顯的焦慮樣行為。僅暴露于二氧化硅納米顆粒的小鼠表現出部分行為變化的緩解。這些研究結果提示，二氧化硅納米顆粒引起的神經元丟失可能導致焦慮樣行為，而通過激活CCR4實現的小膠質細胞吞噬作用在一定程度上具有神經保護作用。這揭示了一種由CCR4介導的關鍵血管-膠質機制，能夠減輕非生物源性納米顆粒對大腦健康的有害影響。

綜上所述，這些發現揭示了大腦對非生物源性環境納米顆粒的一種協調的免疫反應，并揭示了一種由血管-膠質細胞介導的緩解納米顆粒誘導腦損傷的機制。

文章來源

https://doi.org/10.1186/s12974-025-03475-7