Nat Neurosci：是帮手还是帮凶？慕尼黑大学团队揭示巨噬细胞极化调控机制

在多发性硬化等神经炎症疾病中，巨噬细胞既能加剧损伤，也能促进修复，具体取决于它们所处的“状态”。但哪些信号在真实体内环境中决定这些状态，一直不清楚。

基于此，2025年12月4日，慕尼黑大学Martin Kerschensteiner 研究团队在nature neuroscience杂志发表了“In vivo CRISPR screen reveals regulation of macrophage states in neuroinflammation”揭示了体内CRISPR筛选揭示神经炎症中巨噬细胞状态的调控机制。

作者开发了一种基于可基因编辑祖细胞的体内CRISPR筛选平台，用于研究多发性硬化（MS）小鼠模型中巨噬细胞的调控机制。通过对100多个细胞因子受体和信号分子的筛选，发现干扰素-γ、TNF、GM-CSF 和 TGF-β 是巨噬细胞极化的关键调控因子。单细胞测序证实，移植的祖细胞能分化为中枢神经系统中所有髓系细胞类型。结合生物传感器，该方法还能在体内实时监测细胞因子对髓系细胞迁移、碎片清除和氧化活性的影响。跨物种和脑区的比较分析揭示了保守的神经炎症细胞因子特征，明确了驱动MS患者脑内髓系细胞功能的核心信号通路。这一平台为高分辨率解析巨噬细胞状态提供了可扩展的新工具。

图一 体内CRISPR筛选鉴定出调控神经炎症病灶中巨噬细胞极化的细胞因子受体

为解析神经炎症中巨噬细胞状态的调控机制，作者利用可基因编辑的 Hoxb8FL 造血祖细胞，在EAE中开展体内混合CRISPR筛选。

这些细胞在体外编辑并初步分化后，于疾病早期注入小鼠，能有效迁入脊髓病灶（依赖CCR2），占病灶髓系细胞约15%并像内源细胞一样分化为 iNOS⁺（促炎）或Arg1⁺（抗炎）亚型。

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研究人员构建了靶向64个细胞因子受体及45个下游信号分子的CRISPR文库，在EAE高峰期分选不同极化状态的移植细胞，通过 sgRNA 富集分析鉴定关键调控因子。

结果发现：CCR2是髓系细胞进入中枢所必需；干扰素γ受体和TNF受体驱动 iNOS⁺ 极化，TGF-β受体1 抑制该过程；Arg1⁺极化由 TGF-β受体1和GM-CSF受体促进，但被干扰素γ受体1抑制。

该平台实现了在体内高通量、高分辨率地解析巨噬细胞功能的细胞因子调控网络。

图二 细胞因子受体对巨噬细胞极化作用的验证及其关键下游效应分子的鉴定

作者通过更精细的单基因敲除实验，确认了在EAE中，有两类细胞因子信号最关键：干扰素γ和TNF推动巨噬细胞变成“促炎”状态（表达iNOS）；TGF-β 和 GM-CSF 则帮助巨噬细胞转向“抗炎”状态（表达Arg1）。

有意思的是，虽然IL-4和IL-10也能让巨噬细胞变“抗炎”，但在疾病高峰期的小鼠体内，它们其实并不起作用。

进一步研究发现，这些信号各有“专属通路”：干扰素γ靠JAK–STAT1，TNF靠IKK2，而TGF-β则依赖SMAD4来发挥作用。

作者又在另一种由TH17细胞引起的EAE模型中做了实验。结果发现：干扰素γ和TGF-β的作用始终相反、相互对抗：一个促炎、一个抗炎，在不同模型中都很稳定。

总的来说，干扰素γ和TGF-β是调控大脑炎症中巨噬细胞行为的“核心开关”，而其他信号则根据疾病类型或阶段灵活调整作用。

图三 Perturb-seq在单细胞水平揭示细胞因子对巨噬细胞的调控作用

为了更深入地理解这些关键细胞因子调控因子的作用，作者首先在体外生成骨髓来源的巨噬细胞，将其暴露于不同组合的细胞因子中并进行转录组分析。

研究发现，干扰素γ和TNF一起推动巨噬细胞变成促炎（iNOS⁺）状态，而TGF-β和GM-CSF则共同促进抗炎（Arg1⁺）状态。有意思的是，四种因子一起用时，反而产生最多的Arg1⁺细胞，说明巨噬细胞在体内能灵活切换状态。

为了看清这些因子如何影响巨噬细胞的分化，作者在多发性硬化小鼠病重时，对脑脊髓中的巨噬细胞做了单细胞测序并结合CRISPR敲除实验（通过移植编辑过的Hoxb8FL细胞或骨髓嵌合体）。

结果发现：所有实验中都出现相同的巨噬细胞亚群，基因特征高度一致；

iNOS主要出现在早期炎症型巨噬细胞（尤其是CXCL10 3簇），而Arg1多见于中晚期细胞，两者基本不重叠；敲除对应受体后，极化变化与之前筛选结果完全吻合。

具体来看：没了干扰素γ信号，巨噬细胞“卡”在早期单核样状态，促炎亚群减少；没了TNF信号，细胞难以向晚期成熟；没了TGF-β或GM-CSF信号则CXCL10⁺炎症型巨噬细胞变少，细胞更快进入晚期状态。

总之，这些细胞因子不仅决定巨噬细胞“开火”还是“灭火”，还精细调控它们在炎症病灶中的发育路径。

图四 细胞因子受体的缺失在神经炎症中对巨噬细胞病灶消退功能产生差异性调控

研究发现，TGF-β信号促进巨噬细胞执行“清理和修复”功能，而干扰素γ信号（通过IFNGR1）则抑制这一过程，这与之前在多种多发性硬化模型中观察到的两者相互拮抗的结果一致。

此外，TGFBR1 和 GM-CSF 受体（CSF2RA）都能激活“组织重塑”相关基因，说明它们在某些功能上可以协同作用。

特别值得注意的是，TGFBR1对脂质代谢至关重要。在神经炎症中，巨噬细胞需要清除富含脂质的髓鞘碎片，而缺失TGFBR1的巨噬细胞虽然吞噬能力正常，却无法有效排出脂质，导致细胞内脂滴和胆固醇结晶堆积，形成类似“泡沫细胞”的促炎状态并高表达标志物 GPNMB。

这些结果表明：TGF-β不仅推动抗炎和修复程序，还通过调控脂质外排防止巨噬细胞“卡壳”变成有害的泡沫细胞。

最后，通过结合CRISPR编辑、单细胞测序和活体成像，全面揭示了巨噬细胞在体内的分化和功能调控机制。无论是用Hoxb8FL细胞还是传统骨髓嵌合体，结果高度一致，证明Hoxb8FL是研究巨噬细胞体内行为的可靠工具。

总结

总之，作者建立了一种快速、可扩展且通用的体内CRISPR筛选方法，用于解析驱动髓系细胞状态的信号通路在不同组织区室和疾病模型中的作用，为深入理解人类疾病中髓系细胞的调控机制提供了重要见解，这是迈向理性设计靶向先天免疫细胞疗法的关键一步。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02151-6

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