IF 29 Cell Metabolism│调节性T细胞需要IL- 6受体α信号来控制骨骼肌功能和再生IF 29 Cell Metabolism│调节性T细胞需要IL- 6受体α信号来控制骨骼肌功能和再生 前言 2023年9月20日，德国German Research Center for Environmental Health的Carolin Daniel研究组在Cell Metabolism上发表题为“Regulatory T cells require IL6 receptor alpha signaling to control skeletal muscle function and regeneration”的研究论文。研究表明运动促进了高功能肌肉驻留Treg的稳定诱导，同时增加了双调节蛋白(Areg)、EGFR和ST2的表达。
背景介绍 目前，日益增长的肥胖现象已经成为一类威胁全球人类健康的严峻问题。肥胖所导致的代谢紊乱是罹患长期心血管类疾病的高危因素，而营养过剩和缺乏体育锻炼则与肥胖和糖尿病的发病和病理进程息息相关。尤其值得注意的是，多项工作证实，限制卡路里摄入和持续体育锻炼均可以有效缓解和预防代谢紊乱。尽管如此，运动缓解代谢紊乱的具体分子机制仍旧不甚清晰。具体来说，也就是肌肉功能、免疫响应调控以及运动之间的相互作用关系仍不够明确，而这三者之间的相互作用关系可以直接影响肌肉组织的免疫响应调控以及其结构完整性、功能稳定性和再生及时性。因此，深入探讨肌肉组织特异性免疫调控机制与肌肉功能、调节和再生是局部免疫调节网络中至关重要的一环，也是未来免疫调控研究的蓝海。 图文解析
图1 要点1： A.首先研究了16周龄雄性C57Bl/6J小鼠相关肌纤维亚型在久坐稳定状态下的频率。根据它们的代谢特征，重点研究了比目鱼肌(Sol，主要是氧化肌纤维)、指长伸肌(EDL，主要是糖酵解肌纤维)、胫前肌(TA)和腓肠肌(GC，主要是混合肌纤维)。一组排除标记允许直接识别从这四种不同肌肉中纯化的CD4+ T细胞亚群。 B-C.结合Tregs的主转录因子Foxp3的细胞内染色，发现与混合和主要糖酵解肌肉相比，氧化Sol中Treg频率最高。 D.为了确定与肌肉代谢、肌肉发生和组织修复相关的运动反应模式，对Sol肌肉进行了基因表达分析。这种短期运动训练显著诱导了肌生成相关标记的基因表达(包括Myf5和Myog)。此外，IL- 6和Areg mRNA的表达在运动后显著增加。在短期运动期间，包括己糖激酶2 (HK2)在内的代谢标记在mRNA水平上没有显著改变，而先前的研究使用长期运动训练(20周)小鼠肌肉的蛋白质组学分析表明，Hk2和Slc4a2(编码Glut4)是相关的运动反应代谢蛋白。
图2 要点2： A-B.为了确定运动训练对驻扎在肌肉中的Treg频率的影响，在8周的实验设置结束时直接从Sol和GC肌肉中纯化Treg，参考久坐、运动和前运动的条件;运动后所分析的骨骼Sol和GC肌肉的离体Treg频率显著增加，在未运动的小鼠中观察到最大频率。事实上，在训练前的动物中，肌肉Treg的增加最为显著，这表明Treg在运动后的稳定诱导。 C.此外，这些研究结果表明，Treg在运动结束后仍能维持，因此论证了上述运动对肌肉Treg的新兴肌肉免疫记忆效应的概念。 D.为了剖析运动终止后Treg的维持，首先着重于评估它们的增殖潜力。对增殖标记Ki67的分析表明，运动结束后，Pre-ex小鼠的肌肉驻留Treg增殖数量显著增加。这些发现表明，运动时的局部肌肉组织环境支持肌肉Treg的特定扩张。E.值得注意的是，在Sol和GC肌肉中，Areg+Foxp3+ Tregs在预训练小鼠中显著增加。F.观察到GC运动结束后EGFR+ Tregs的初始下降，而运动前的动物显示两个肌肉中EGFR+ Tregs的显著增加。 G.为了了解运动介导的细胞串扰是否涉及局部Treg，重点研究了ST2。ST2是IL-33的受体，是一种跨膜受体，与淋巴细胞相比，在组织Treg中表现出强烈的上调。与久坐和运动小鼠相比，Pre-ex小鼠GC肌肉中的ST2+ Tregs明显增加。3个实验组Sol肌中ST2水平均无变化。这些发现再次表明，与氧化或混合肌纤维相关的肌肉特异性代谢亚表型可以影响局部Treg特征，包括上述的增殖潜力;与IL-33介导的扩张相关的ST2表达。H.考虑到IL6作为一种肌肉因子在运动反应中的重要性，评估了IL6Rα在T细胞上的表达。Pre-ex小鼠的T细胞显示IL6Rα表达显著增加。综上所述，观察到前预肌中存在强烈的促耐受性环境，导致肌肉Treg的表型和功能成熟，涉及Areg/EGFR/ST2和IL6Rα信号。
图3 要点3： A-B.使用Foxp3 DTR小鼠，允许白喉毒素(DT)介导Foxp3+ Tregs的消耗。雄性Foxp3 DTR-和Foxp3 DTR+动物均接受DT注射。DT应用导致Foxp3 DTR+小鼠肌肉中Treg的高效消耗。 C.从机制上说，选择性消融肌肉中的Tregs导致运动代谢(Hk2, Ckmt2和Cpt1b)和肌源性反应(Myf5和Pax7)所需的肌肉特异性基因表达显著减少。这些发现表明局部Tregs通过控制运动相关基因的表达和反应性来指导肌肉功能。 D-E.重要的是，Treg消融导致肌肉中柠檬酸合酶活性显著下降，表明局部Treg缺失时肌肉功能降低。与Treg消耗后观察到的柠檬酸合成酶活性降低一致，氧化磷酸化(OXPHOS)复合物的蛋白质分析表明，Treg消融动物的肌肉呈现出线粒体呼吸能力降低的趋势。 F-G.此外，观察到Treg消耗后肌肉横截面积减少的趋势。为了更直接地研究Treg细胞对肌肉功能的重要性，在Treg选择性消融前后进行了小鼠肌肉握力测试(使用BioSeb GS3和Bio-CIS进行四肢握力测试)。 H.值得注意的是，Treg消耗导致最大肌肉握力显著下降。这些发现强调了局部Treg在控制肌肉功能和运动反应能力方面的关键作用。
图4 要点4： A-B.在缺乏肌纤维来源的IL- 6的情况下，Pre-ex状态下驻扎在肌肉中的Treg的增加与IL-6激活的floxed对照组相似。这些发现表明，肌肉中肌因子IL6本身的存在并不是运动后肌肉Treg增加的必要条件。C.然而，在缺乏肌纤维来源的IL6的情况下，运动不会诱导局部Treg增殖，通过肌肉中的Ki67染色评估。 D-F.重要的是，肌因子IL6的缺乏导致Foxp3+ Tregs中Areg、EGFR和ST2的前特异性上调缺失。因此，这些发现表明肌纤维来源的IL6参与了指导肌肉组织Treg特征及其功能的上调。此外，这些结果支持了IL6和Areg/EGFR-ST2信号之间的重要串扰层以及它们在指导肌肉驻留Treg功能和运动后成熟的整合的观点。 G-H.虽然与稳定状态下的对照组动物相比，IL6Rα TKO动物肌肉中Foxp3+ treg的频率没有差异，但观察到，通过ST2和Foxp3表达评估，缺乏IL6Rα的T细胞中具有组织表型的Treg显著减少。这些发现表明IL6Rα信号在塑造肌肉Treg信号中的影响。 I-J.与前面提到的结果一致，未注射麻药的对照组小鼠呈现出肌肉驻留Treg显著增加的现象。与此相反，在T细胞特异性IL6Rα缺失的小鼠中，运动介导的肌肉Tregs增强完全不存在。 K.与缺乏IL6Rα的T细胞中没有运动诱导的肌肉Tregs增加一致，没有观察到IL6Rα前TKO动物中Ki67+ Foxp3+ Tregs的任何显着变化。预用药动物的对照组Tregs显示出肌肉内增殖Tregs上调的趋势。 L-N.更重要的是，从机制和表型的角度来看，与固定对照小鼠相比，Pre-ex状态下的IL6Rα TKO动物完全缺乏Areg+、EGFR+和ST2+ Foxp3+ Treg的诱导。这些结果表明，IL6Rα在T细胞上的存在是运动介导的肌肉Treg诱导及其功能活性增强的必要条件，包括Areg、EGFR和ST2。 O.值得注意的是，在肌肉减少症诱导下，与使用floxed的对照动物相比，IL6Rα TKO动物的最大肌肉握力下降更为明显。这些发现强调了T细胞特异性IL6Rα表达在介导局部Tregs对控制肌肉功能的影响中的关键作用，如在炎症诱导的肌肉质量损失状态中所见。 P-R.发现IL6RαTKO小鼠的SCs和FAPs的频率显著降低，特别是在Sol，肌肉中SCs密度最高，因此可能对组织稳态变化最敏感未注射IL6Rα TKO的动物肌肉横截面积明显减少。这些发现表明，在T细胞中缺乏IL6Rα信号的小鼠中，肌肉再生潜力降低，并强调了Treg-肌肉相互作用在控制肌肉适应、功能和再生中的关键作用。
图5 要点5： A.观察到IL6RαTKO小鼠运动后肌肉Treg功能成熟受损，伴有SC和FAP频率降低，进行了肌肉损伤模型，以更大程度地挑战免疫-肌肉串扰。 B-C.按照既定的程序，将甘油注射到封闭的对照动物或IL6Rα TKO小鼠的肌肉中。损伤后4天(dpi)的流式细胞分析显示，IL6Rα TKO小鼠损伤肌肉中的SC频率显著降低。浸润性巨噬细胞(MPs)的频率没有改变，但抗炎MPs参与骨骼肌再生的后期阶段，并从促炎Ly6C+转变为抗炎Ly6C−或CD206+ MPs。 D.与观察到的损伤后SC频率减少一致，T细胞特异性IL6Rα缺失的小鼠损伤TA肌肉的横截面积显著减少14dpi。这些发现强调了T细胞上IL6Rα信号在保证Treg功能成熟和支持损伤后肌肉稳态修复和恢复中的重要性。
图6 要点6： A-B.首先使用DT应用程序耗尽Tregs。与上述详细研究结果一致，通过肌肉握力测量评估，与Treg消耗前第0天相比，Treg消耗导致肌肉功能显著降低。值得注意的是，Treg的内源性再生(Treg恢复)足以促进肌肉功能的重新获得，达到与Treg耗尽前第0天没有统计学差异的水平。这些结果表明局部Treg在控制肌肉力量方面的重要贡献。 D.为此，每隔一天腹腔注射6 μg抗IL- 2/ IL- 2抗体复合物至IL6Rα TKO或固定对照小鼠。在注射抗IL2/IL2抗体后，来自IL6Rα TKO和固定对照小鼠的Treg在外周血中表现出相似的扩增动力学。 E-G.观察到Treg扩张在14天后将肌肉中减少的SC和FAP频率从IL6Rα TKO完全恢复到固定对照小鼠的水平。
图7 要点7： A-B.鉴于上述在IL6Rα TKO小鼠的功能模型中描述的肌肉功能损伤表型，接下来评估这些发现可能的临床意义。具体来说，用于治疗各种自身免疫性疾病的IL6R靶向抗体如tocilizumab与肌肉无力有关。为了在实验上实现这一点，WT小鼠接受了4周的同型对照抗体或特异性抗IL6r抗体。每周进行一次肌肉握力测试，以确定肌肉功能可能出现的损伤。这些结果表明，在药物靶向IL6R的情况下，肌肉无力的发展，与上文详述的IL6Rα TKO中肌肉功能损伤的发现一致。 本文小结 综上所述，通过选择性Treg消融、Treg功能增强、运动训练、肌少症诱导和肌肉损伤模型，确定了T细胞上IL6Rα的表达是介导基于Treg的肌肉功能、适应和修复控制的分子界面。鉴于抗IL6R治疗与肌无力发展的关联，所提出的研究结果具有临床相关性。非淋巴组织中Treg的功能专门化，在肌肉中Treg的背景下，保证了未来应用策略的优化，将允许这些相关免疫细胞的利基和/或环境特异性靶向。这种针对具体情况的靶向治疗将有助于避免如托珠单抗所讨论的全身应用所引起的副作用。因此，本研究结果强调了解剖肌肉特异性免疫调节的相关性，并将对未来设计针对利基特异性Treg的精准药物具有重要意义。 参考文献： Becker M, Joseph S S, Garcia-Carrizo F, et al. Regulatory T cells require IL6 receptor alpha signaling to control skeletal muscle function and regeneration[J]. Cell Metabolism, 2023, 35(10): 1736-1751. e7. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.08.010 |
