宋廣平,吳 敏,梁麗云,李慧艷,張學(xué)敏,李 平,張宇程
(1.國家生物醫(yī)學(xué)分析中心,北京 100850;2.中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心腎臟病醫(yī)學(xué)部,北京 100853)
高親和力中和抗體可有效抵抗機體感染病原微生物,也是絕大多數(shù)疫苗發(fā)揮作用的基礎(chǔ)[1-3]。生發(fā)中心是機體遇到抗原刺激發(fā)生免疫反應(yīng)時,在外周淋巴器官(如脾)或淋巴結(jié)中短暫存在的特定結(jié)構(gòu),是B淋巴細(xì)胞克隆增殖和親和力成熟的場所,在此最終篩選出能產(chǎn)生高親和力抗體的漿細(xì)胞[4-6]。目前,對生發(fā)中心調(diào)控的研究主要集中在B細(xì)胞與濾泡輔助性T 細(xì)胞(follicular helper T cells,Tfh)和濾泡樹突狀細(xì)胞互作方面,著重闡述Tfh 和濾泡樹突狀細(xì)胞如何通過分泌細(xì)胞因子及細(xì)胞表面的配體受體如何結(jié)合而調(diào)控B細(xì)胞成熟、生發(fā)中心形成、抗體類型轉(zhuǎn)換和體細(xì)胞超突變等功能[7-9]。但越來越多的研究表明,神經(jīng)系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)聯(lián)系緊密,且存在交互信息傳遞[10-11]。近年來研究發(fā)現(xiàn),人Tfh 能分泌多巴胺作用于B 細(xì)胞,促進生發(fā)中心反應(yīng)[12];且腺苷酸可通過作用于Tfh上的腺苷酸受體,抑制Tfh 分化和生發(fā)中心B 細(xì)胞形成[13]。還有研究發(fā)現(xiàn),大腦-脾的神經(jīng)-免疫調(diào)控軸可通過去甲腎上腺素和乙酰膽堿等遞質(zhì),促進漿細(xì)胞的生成和疫苗接種引起的抗體免疫應(yīng)答[14]。因此,神經(jīng)遞質(zhì)對B細(xì)胞分化的影響成為神經(jīng)免疫領(lǐng)域的研究重點和前沿。
本研究以B細(xì)胞上表達的神經(jīng)遞質(zhì)受體為切入點,用B細(xì)胞體外分化體系和經(jīng)典的乙?;?-羥基-3 硝基苯基偶聯(lián)鑰孔血藍(lán)蛋白(4-hydroxy-3-nitrophenylacetyl conjugated to keyhole limpet hemocyanin,NP-KLH)抗原免疫小鼠模擬疫苗接種模型,檢測神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)對小鼠B細(xì)胞分化和抗體生成的影響,為相關(guān)疾病的治療和疫苗研發(fā)提供新思路。
雌性C57BL/6 小鼠,18~22 g,8~12 周,動物許可證號SCXK(京)2016-0011,北京維通利華實驗動物技術(shù)有限公司;胎牛血清(fetal bovine serum,F(xiàn)BS),美 國Gibco 公 司;DMEM 培 養(yǎng) 基、RPMI 1640 培養(yǎng)基、青-鏈霉素雙抗、丙酮酸鈉、HEPES、胰蛋白酶、非必需氨基酸和EDTA,中科邁晨(北京)生物科技有限公司;Prime Script RT Master Mix,日本TaKaRa 公司;紅細(xì)胞裂解液和鋁佐劑,美國Thermo Fisher Scientific 公司;綿羊紅細(xì)胞(sheep red blood cells,SRBC),鄭州百基生物科技有限公司;NP-KLH、乙?;?-羥基-3 硝基苯基偶聯(lián)牛血清蛋 白(4-hydroxy-3-nitrophenylacetyl conjugated to bovine serum albumin,NP3-BSA),乙酰化4-羥基-3 硝基苯基偶聯(lián)藻紅蛋白(4-hydroxy-3-nitrophenylacetyl conjugated to phycoerythrin,NP-PE),美國Biosearch Technologies公司;GABA,美國MCE公司;小鼠白細(xì)胞介素4(interleukin-4,IL-4),美國PeproTech 公司;HRP-山羊抗小鼠IgG 抗體,美國Jackson Immuno Research 公司;生物素-大鼠抗小鼠CD19 抗體、EF450-大鼠抗小鼠IgM 抗體和FVS 死活細(xì)胞染料,美國eBioscience 公司;純化的大鼠抗小鼠CD16/32、FITC-大鼠抗小鼠B220、Per-CP-大鼠抗小鼠B220、BV510-大鼠抗小鼠B220、APC-大鼠抗小鼠GL7、太平洋藍(lán)(Pacific blue)-大鼠抗小鼠GL7、APC-大鼠抗小鼠CD138、PerCP-大鼠抗小鼠Gr-1、FITC-大鼠抗小鼠IgG1及PE-小鼠抗小鼠Fas 抗體,美國BioLegend 公司;FITC-大鼠抗小鼠CD19 抗體、PE-Cy7-倉鼠抗小鼠Fas 抗體和BD Cytofix/Cytoperm?細(xì)胞固定/通透液試劑盒,美國BD Biosciences 公司。磁力分選架、MS 分選柱、抗生物素的磁珠,美國Mitenyi Biotec 公司;Thermo FORMA311 型CO2培養(yǎng)箱和Q3 實時熒光定量PCR(real-time quantitative PCR,RT-qPCR)儀,美國Thermo Fisher Scientific 公司;5424R 型低溫高速離心機和5424 型常溫高速離心機,德國Eppendorf公司;i3酶聯(lián)免疫檢測儀,美國Molecular Devices 公司;流式細(xì)胞儀BD FACS Aria Ⅱ,美國BD Biosciences公司。
為分析小鼠脾幼稚B細(xì)胞和生發(fā)中心B細(xì)胞上神經(jīng)遞質(zhì)受體表達,分析了Komban等[15]于2019年Nat Commun發(fā)表的研究論文附加原始轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)已上傳至https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE129103。通過生物信息學(xué)方法,分析B細(xì)胞上神經(jīng)遞質(zhì)受體表達。
ip 給予1×109SRBC 免疫小鼠,7 d 后取脾,研磨并裂解紅細(xì)胞。取1×108脾細(xì)胞,用500 μL 無菌流式緩沖液〔PBS(pH 7.4)+1%FBS+5 mmol·L-1EDTA〕重懸細(xì)胞。加入5 μg 抗CD16/32 抗 體 冰上孵育10 min,封閉IgG 抗體受體。加入100 μL抗體混合液(FITC-大鼠抗小鼠B220 抗體4 μg、PE-Cy7-倉鼠抗小鼠Fas 抗體2 μg、太平洋藍(lán)-大鼠抗小鼠GL7 抗體2 μg 和APC-大鼠抗小鼠CD138 抗體2 μg),F(xiàn)VS 死活細(xì)胞染料按說明書加入。另設(shè)空白染色管及每種熒光抗體的單標(biāo)管,將樣本與抗體混合均勻后4 ℃孵育30 min。最后加入流式緩沖液1 mL清洗細(xì)胞,500×g離心3 min,棄上清。用無菌PBS 5 mL 重懸細(xì)胞,加至流式上樣管內(nèi),用BD 流式細(xì)胞儀分選幼稚B 細(xì)胞(B220+FaslowGL7low)、生發(fā)中心B 細(xì)胞(B220+FashiGL7hi)和漿細(xì)胞(CD138+)。
使用Trizol法分別提取幼稚B細(xì)胞、生發(fā)中心B細(xì)胞和漿細(xì)胞總RNA,用Prime Script RT Master Mix 逆轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA。取cDNA 500 ng和5×Prime Script Mix 2 μL,DEPC 水補充至10 μL,用Power Up SYBR Green Master Mix(AB)試劑盒進行熒光定量PCR 檢測。PCR 引物均據(jù)Primer Bank 網(wǎng)站設(shè)計,引物序列見表1,由生工生物科技有限公司合成。以GAPDH作為內(nèi)參基因,利用2-ΔΔCt法計算待測基因mRNA相對表達水平。
Tab.1 Primer sequences for real-time quantitative PCR(RT-qPCR)
NB-21 細(xì)胞培養(yǎng)基由DMEM 基礎(chǔ)培養(yǎng)基添加10%FBS、1%青-鏈霉素雙抗和1%非必需氨基酸配制而成。當(dāng)NB-21細(xì)胞擴增到約90%密度時,用胰蛋白酶消化,離心收集的細(xì)胞用臺盼藍(lán)染色進行活細(xì)胞計數(shù),接種12孔板,每孔1×105細(xì)胞,5%CO2孵箱中培養(yǎng)過夜,作為B 細(xì)胞體外分化的飼養(yǎng)層細(xì)胞。
取8 周齡未免疫小鼠脾,研磨,裂解紅細(xì)胞,離心收集脾細(xì)胞并計數(shù)。用200 μL 磁珠緩沖液(PBS+1%BSA+EDTA 2 mmol·L-1)重懸2×107脾細(xì)胞,加入抗CD16/32 抗體2 μg 冰上孵育,封閉IgG 抗體受體10 min。加入生物素-大鼠抗小鼠CD19 抗體1 μg 和抗生物素微珠5 μL,利用磁珠法分離幼稚B細(xì)胞。
B 細(xì)胞體外分化體系:取B 細(xì)胞培養(yǎng)基(RPMI 1640 培養(yǎng)基添加10% FBS、1%青-鏈霉素雙抗、1%非必需氨基酸、HEPES 10 mmol·L-1、丙酮酸鈉1 mmol·L-1、β巰基乙醇55 μmol·L-1),加入小鼠IL-4 2 μg·L-1,重懸幼稚B 細(xì)胞。移除NB-21 飼養(yǎng)層細(xì)胞培養(yǎng)基,每孔加入2×105幼稚B細(xì)胞。
B 細(xì)胞體外分化實驗分為4 組:細(xì)胞對照及GABA 0.2,1.0 和2.0 mmol·L-1組[16],每組3 平行孔。從B 細(xì)胞體外培養(yǎng)分化第1 天起,每天半量換液,第5 天收集B 細(xì)胞,流式細(xì)胞儀分析IgG1+GL7+生發(fā)中心B細(xì)胞和CD138+漿細(xì)胞百分比。
小鼠隨機分為3 組:正常對照(7 只)、免疫+PBS(16 只)和免疫+GABA 組(16 只)。將溶解的1 g·L-1NP-KLH 抗原與等體積鋁佐劑混合均勻,除正常對照組外,每只小鼠(8 周齡)ip 給予NP-KLH 100 μg,免疫后ip給予PBS或GABA(20 mg·kg-1)[17],每天1次,連續(xù)12 d。第13天處死正常對照組4只、免 疫+PBS 組7 只和免疫+GABA 組7 只小鼠,制備脾細(xì)胞進行流式分析。第27 天處死正常對照組3 只、免疫+PBS 組9 只和免疫+GABA 組9 只小鼠,制備骨髓細(xì)胞進行流式分析。
取1.6 分組處理的部分小鼠,NP-KLH 免疫后第13 天處死,取脾制備單細(xì)胞懸液,裂解紅細(xì)胞后調(diào)整細(xì)胞密度為5×1010L-1。取脾細(xì)胞100 μL,加入抗CD16/32抗體1 μg冰上孵育10 min,封閉IgG 抗體受體,按以下方案進行流式抗體孵育后于流式細(xì)胞儀檢測。①脾生發(fā)中心B 細(xì)胞染色:PerCP-大鼠抗小鼠B220抗體1 μg,APC-大鼠抗小鼠GL7抗體0.5 μg,PE-Cy7-小鼠抗小鼠Fas 抗體0.5 μg,F(xiàn)VS 死活細(xì)胞染料按說明書加入。②脾總漿細(xì)胞和IgG1
+漿細(xì)胞染色:PerCP-大鼠抗小鼠B220 抗體1 μg,APC-大鼠抗小鼠CD138 抗體0.5 μg,F(xiàn)VS 死活染料按說明書加入;染色30 min后用BD Cytofix/Cytoperm ?細(xì)胞固定/通透液試劑盒破膜,加入FITC-大鼠抗小鼠IgG1抗體0.5 μg染色。
取1.6 分組處理的部分小鼠,NP-KLH 免疫后第27天處死,剪取小鼠一側(cè)股骨,用1 mL注射器吸FACS 緩沖液刺入關(guān)節(jié)處,將骨髓細(xì)胞沖至1.5 mL EP 管,裂解紅細(xì)胞后調(diào)整細(xì)胞密度為1×1010L-1。PerCP-大鼠抗小鼠Gr-1 抗體0.5 μg,F(xiàn)ITC-大鼠抗小鼠B220抗體1 μg,APC-大鼠抗小鼠CD138抗體0.5 μg,F(xiàn)VS 死活細(xì)胞染料按說明書加入。染色30 min 后用BD Cytofix/Cytoperm?細(xì)胞固定/通透液試劑盒破膜,加入NP-PE 染料0.5 μg 和EF450-大鼠抗小鼠IgM 抗體0.5 μg。另設(shè)空白染色管和每種熒光抗體單標(biāo)管。最后加入1 mL 流式緩沖液清洗細(xì)胞,500×g離心3 min,棄上清,用PBS 300 μL重懸細(xì)胞用于流式細(xì)胞儀分析。
分別取1.6 處理的正常對照、免疫+PBS 和免疫+GABA 組脾漿細(xì)胞百分比接近平均值的3 只小鼠,NP-KLH 免疫后第13 天摘除眼球取血,制備血清,ELISA檢測血清中抗原特異性IgG抗體[14],測定波長為450 nm。
實驗結(jié)果數(shù)據(jù)用±s表示。利用Flowjo10 分析流式細(xì)胞檢測的源文件,分析分化過程中不同階段B 細(xì)胞所占B 細(xì)胞總數(shù)百分比,并用流式等高線圖和散點圖展示。使用GraphPad Prism 8.0 軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析,多組間比較采用單因素方差分析,兩組間比較采用成組t檢驗。P<0.05 為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
通過分析已知B 細(xì)胞數(shù)據(jù)庫,發(fā)現(xiàn)小鼠脾中幼稚B 細(xì)胞和生發(fā)中心B 細(xì)胞均高表達GABA B1 型受體(GABA B receptor,subunit 1,Gabbr1)(圖1A)。用流式細(xì)胞儀分選出SRBC 免疫小鼠脾幼稚B 細(xì)胞(B220+FaslowGL7low)、生發(fā)中心B細(xì)胞(B220+FashiGL7hi)和漿細(xì)胞(CD138+)(圖1B),RT-qPCR檢測結(jié)果顯示,幼稚B細(xì)胞、生發(fā)中心B細(xì)胞和漿細(xì)胞主要表達GABA受體Gabbr1,其他受體和轉(zhuǎn)運體幾乎無表達(圖1C)。
Fig.1 Expression levels of γ-aminobutyric acid(GABA)receptors and transporters in B cells of mice. A:heat-map showed expressions of neurotransmitter receptors and transcripts from RNA-seq data of the splenic na?ve B cells and germinal center(GC)B cells.B:flow cytometry sorting strategy for na?ve B cells(B220+FaslowGL7low),germinal center(GC)B cells(B220+FashiGL7hi)and splenic plasma cells(SPPCs)(CD138+)from the spleens of mice on the 7th day after sheep red blood cell immunization.C:mRNA expressions of GABA receptors and transporters in sorted na?ve B cells,GC B cells and SPPC detected by RT-qPCR.±s,n=3.Drd5:dopamine receptor D5;Grm5:glutamate receptor,metabotropic 5;Oprl1:opioid receptor-like 1;Htr1a:5-hydroxytryptamine receptor 1A;Vipr1:vasoactive intestinal peptide receptor 1;Hrh2:histamine receptor H2;Adora1:adenosine A1 receptor;Chrnb1:cholinergic receptor nicotinic beta 1 subunit.
經(jīng)磁珠分選后,B細(xì)胞純度達到91.8%(圖2A)。將其加入到NB-21 飼養(yǎng)層細(xì)胞上進行體外培養(yǎng),并加IL-4 誘導(dǎo)B 細(xì)胞分化。流式細(xì)胞術(shù)測定結(jié)果表明,培養(yǎng)前5 d 漿細(xì)胞百分比逐漸升高至38.6%,第6天開始減少(27.3%)(圖2B)。
Fig.2 Changes of percentage of CD138+ plasma cells from isolated na?ve B cells of mice detected by flow cytometry. A: na?ve B cells (CD19+) purified from spleens of normal mice by anti-biotin microbeads;B: quantification of CD138+ plasma cells in in vitro plasma cell differentiation system.
如圖3 所示,B 細(xì)胞體外分化過程中加入不同濃度GABA 后,與細(xì)胞對照組相比,GABA 不影響IgG1+GL7+生發(fā)中心B 細(xì)胞形成,但GABA 1.0 和2.0 mmol·L-1明顯升高CD138+漿細(xì)胞百分比(P<0.01),提示GABA可促進漿細(xì)胞體外分化。
Fig.3 GABA promoted differentiation of CD138+ plasma cells in vitro detected by flow cytometry. A and B: percentages of IgG1+GL7+ GC B cells and CD138+ SPPCs,respectively,after culture in in vitro plasma cell differentiation system alone or with GABA for 5 d.±s,n=3.**P<0.01,compared with cell control(GABA 0.0 mmol·L-1)group.
NP-KLH 免疫小鼠第13 天,流式細(xì)胞術(shù)檢測脾生發(fā)中心B 細(xì)胞和漿細(xì)胞百分比,圈門策略如圖4A所示。圖4B 和4C 結(jié)果顯示,與正常對照組相比,免疫+PBS 組小鼠生發(fā)中心B 細(xì)胞百分比明顯增高(P<0.01),漿細(xì)胞(P<0.05)和IgG1+漿細(xì)胞(P<0.01)百分比亦明顯升高,提示抗原NP-KLH免疫小鼠成功。與免疫+PBS 組相比,免疫+GABA 組小鼠生發(fā)中心B 細(xì)胞無明顯變化,漿細(xì)胞(P<0.01)和Ig G1+漿細(xì)胞(P<0.05)百分比顯著升高。
NP-KLH 免疫小鼠第27 天后,流式細(xì)胞術(shù)檢測骨髓中NP+IgM-漿細(xì)胞百分比,圈門策略如圖5A 所示。與正常對照組相比,免疫+PBS 組小鼠骨髓中NP+IgM-漿細(xì)胞百分比明顯增多(P<0.01),且免疫+GABA組顯著高于免疫+PBS 組(P<0.05)(圖5B)。
Fig.5 GABA increased abundance of antigen-specific bone-marrow plasma cells (BMPCs) of mice after immunization with NP-KLH detected by flow cytometry. See Fig.4 for the mouse treatment. A and B: gating strategy and frequencies of NP-binding B220-CD138+IgM- (BMPCs) on the 27th day after NP-KLH immunization, respectively. x ±s, n=3 (normal control group), 9 (immunized+PBS and immunized+GABA groups).**P<0.01,compared with normal control group; #P<0.05,compared with immunized+PBS group.
如圖6 所示,與正常對照組相比,免疫+PBS 組小鼠血清NP 特異性抗體明顯升高(P<0.01),且免疫+GABA組顯著高于免疫+PBS組(P<0.01)。
Fig.6 GABA enhanced antigen-specific antibody response of mice after immunization with NP-KLH.See Fig.4 for the mouse treatment. NP-specific IgG titers of mice were detected by ELISA on the 13rd day after NP-KLH immunization.±s,n=3. **P<0.01,compared with normal control group;##P<0.01,compared with immunized+PBS group.
抗體是機體用于抵抗細(xì)菌、病毒等外來病原體侵襲的重要免疫分子,由B 細(xì)胞分化成的漿細(xì)胞分泌。但由于B 細(xì)胞在體外培養(yǎng)時極易凋亡,其分化體系一直是研究的熱點和難點。2011 年,日本Takuya Nojima 教授實驗室改造了BALB/c 小鼠3T3 細(xì)胞系,使其穩(wěn)定表達小鼠CD40L 和B 細(xì)胞激活因子,稱為40LB 細(xì)胞[18],將其作為B 細(xì)胞的飼養(yǎng)層細(xì)胞,才使B細(xì)胞長期體外培養(yǎng)和分化得以實現(xiàn),但該體系漿細(xì)胞分化比例較低。在此基礎(chǔ)上,2016年美國Garnett Kelsoe 實驗室進一步改造40LB 細(xì)胞,使其穩(wěn)定表達小鼠IL-21 得到NB-21 細(xì)胞,建立了目前公認(rèn)的B細(xì)胞體外分化成漿細(xì)胞的體系[19]。
GABA 是一種重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì),具有降血壓、促進乙酰膽堿合成和促進生長激素分泌等多種生理功能[20-21],主要通過GABA 受體及GABA 轉(zhuǎn)運體等發(fā)揮作用[22]。據(jù)報道,其作用于巨噬細(xì)胞和T 細(xì)胞行使免疫調(diào)節(jié)功能,如GABA 通過GABA 轉(zhuǎn)運體2 改變細(xì)胞代謝方式從而調(diào)控M1 型巨噬細(xì)胞極化[23],GABA 轉(zhuǎn)運體SLC6A13 缺乏能促進腸道感染時Th17 細(xì)胞的分化等[24]。然而,關(guān)于GABA能否調(diào)控B細(xì)胞分化和抗體生成尚無報道。
本研究成功建立B 細(xì)胞體外分化體系,分化過程中加入GABA 明顯提高CD138+漿細(xì)胞百分比,表明神經(jīng)遞質(zhì)GABA在體外能促進B細(xì)胞向漿細(xì)胞分化。Gabbr1 受體為G 蛋白偶聯(lián)受體[25],在B 細(xì)胞上高表達,但該受體促進B 細(xì)胞分化的分子機制尚不清楚。本研究用流式細(xì)胞儀分選出SRBC 免疫小鼠脾幼稚B 細(xì)胞、生發(fā)中心B 細(xì)胞和漿細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)它們均表達Gabbr1受體,其他受體和轉(zhuǎn)運體幾乎無表達。
GABA在小鼠血清中的生理濃度為2 mg·kg-1[26]。Ren 等[17]報道,ip 給予小鼠GABA 40 μg·kg-1~40 mg·kg-1可促進空腸組織IL-17 表達且呈濃度依賴性。NP-KLH 是一種T 細(xì)胞依賴性抗原,可在小鼠體內(nèi)誘導(dǎo)出生發(fā)中心反應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn),NP-KLH 免疫后ip 給予小鼠GABA 20 mg·kg-1可促進漿細(xì)胞分化。GABA 在體內(nèi)可促進Th17 細(xì)胞分化[24],那么GABA 是否可直接促進B 細(xì)胞分化尚未見報道。為此本研究用流式細(xì)胞術(shù)分析NP-KLH免疫后小鼠脾Tfh 百分比,確定GABA 是否通過增加Tfh 數(shù)量而促進漿細(xì)胞生成。研究結(jié)果表明,ip給予GABA 20 mg·kg-1可促進NP-KLH 免疫小鼠脾B細(xì)胞向漿細(xì)胞分化。GABA是調(diào)節(jié)神經(jīng)元間通訊的抑制性神經(jīng)遞質(zhì),主要由GABA能神經(jīng)元釋放。但最近有研究報道,GABA也能由脾和淋巴結(jié)等B細(xì)胞產(chǎn)生[16]。由此提示,機體受到抗原刺激時也可能由B細(xì)胞自分泌GABA而促進其向漿細(xì)胞分化并產(chǎn)生抗體。
綜上,神經(jīng)遞質(zhì)GABA 在B 細(xì)胞分化過程中具有調(diào)控功能,提示GABA 可能是一種有研究價值的促進體液免疫反應(yīng)的靶點,有望為提高疫苗的有效性及機體抗病毒能力提供新策略。