Neuron. 2023 Nov 1;111(21):3435-3449.e8. doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.031.

IL-4 shapes microglia-dependent pruning of the cerebellum during postnatal development (IL-4が発達期のミクログリア依存型小脳刈り込みに与える影響)

Joana R Guedes ¹, Pedro A Ferreira ², Jéssica Costa ³, Mariana Laranjo ³, Maria J Pinto ¹, Tiago Reis ³, Ana Maria Cardoso ¹, Carolina Lebre ⁴, Maria Casquinha ⁴, Marcos Gomes ³, Viktoriya Shkatova ⁴, Marta Pereira ⁴, Nuno Beltrão ³, Nicholas Hanuscheck ⁵, Andrew D Greenhalgh ⁶, Christina Francisca Vogelaar ⁵, Ana Luísa Carvalho ⁷, Frauke Zipp ⁸, Ana Luísa Cardoso ⁹, João Peça ¹⁰

CNC-Center for Neuroscience and Cell Biology, University of Coimbra, 3004-504 Coimbra, Portugal; IIIUC-Institute of Interdisciplinary Research, University of Coimbra, 3030-789 Coimbra, Portugal.

コインブラ大学 は、13世紀に設立されたポルトガル最古の大学である。ポルトガル屈指の名門国立大学とされる。大学が街の中心とみなされ、黒いマントを着たコインブラ大学の学生が行き交う。約2万2千人が学んでいる。8つの学部が存在し、その学部ごとにシンボルカラーがある。2018年のQS世界大学ランキングでは総合401位である。

本日はセミナー前に武井医学群長から、CBT/OSCEを突破したM4学生と8月期大学院入試に合格した生物学類学生に記念品の贈呈が行われました。生物学類人間生物コースのHさんが、論文紹介を行いました。スタッフIが、SfN2024(シカゴ)に参加した学会参加報告を行いました。急激に気温が低下しており体調不良になる学生の方が多いです。ご自愛ください。

Abstract

Interleukin-4 (IL-4) is a type 2 cytokine with pleiotropic functions in adaptive immunity, allergies, and cognitive processes. Here, we show that low levels of IL-4 in the early postnatal stage delineate a critical period in which microglia extensively prune cerebellar neurons. Elevating the levels of this cytokine via peripheral injection, or using a mouse model of allergic asthma, leads to defective pruning, permanent increase in cerebellar granule cells, and circuit alterations. These animals also show a hyperkinetic and impulsive-like phenotype, reminiscent of attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD). These alterations are blocked in Il4rα^fl/fl::Cx3cr1-CreER mice, which are deficient in IL-4 receptor signaling in microglia. These findings demonstrate a previously unknown role for IL-4 during a neuroimmune critical period of cerebellar maturation and provide a first putative mechanism for the comorbidity between allergic disease and ADHD observed in humans.

インターロイキン-4（IL-4）は2型サイトカインで、適応免疫、アレルギー、認知過程に多面的な機能を持つ。ここでは、生後早期のIL-4濃度が低く、ミクログリアが小脳ニューロンを広範囲に剪定する重要な時期であることを示す。末梢注射やアレルギー性喘息モデルマウスを用いてこのサイトカインレベルを上昇させると、剪定(刈り込み)に異常が生じ、小脳顆粒細胞が恒常的に増加し、回路が変化する。これらの動物はまた、注意欠陥多動性障害（ADHD）を彷彿とさせる、運動過多で衝動的な表現型を示す。これらの変化は、ミクログリアにおけるIL-4受容体シグナル伝達が欠損したIL4r^αfl/fl ::Cx3cr1-CreERマウスでは阻止された。これらの知見は、小脳成熟の神経免疫的臨界期におけるIL-4のこれまで知られていなかった役割を示し、ヒトで観察されるアレルギー疾患とADHDの併発の最初の推定メカニズムを提供するものである。

Keywords: ADHD; IL-4; allergies; cerebellum; development; granule cells; hyperactivity; microglia; pruning; type 2 cytokines.

ハイライト

• -IL-4の低レベルが小脳成熟の神経免疫臨界期を規定する
• -IL-4の増加はミクログリアによる 顆粒細胞の生理的刈り込みを妨げる
• -過剰な顆粒細胞はプルキンエ細胞への興奮性入力を亢進させる。
• -早期のアレルギーはADHDを思わせる多動性と衝動性を誘発する。

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Results

1. ミクログリアの刈り込み機能の低下

• IL-4がミクログリアの刈り込みを阻害：
  • ミクログリアが顆粒細胞や他の神経断片を取り込む割合（tdT+ミクログリアの割合）は、IL-4の濃度が低いP10（生後10日）で最大でしたが、IL-4の投与によってこの割合が約50%低下した (P10：17.12% → IL-4投与後：9.7%)​​。
  • HDM（ハウスダストダニ）モデルでも同様の刈り込み減少が確認され、小脳内の顆粒細胞数が増加した。

2. 小脳回路の異常形成

• Purkinje細胞への入力の増加：
  • IL-4投与マウスでは、Purkinje細胞への興奮性シナプス入力（mEPSC）が有意に増加した。
    • P10でのmEPSC頻度：Saline（3.86 ± 0.29 Hz）→ IL-4投与（7.68 ± 0.98 Hz）
  • IL-4の効果は、発達後期（P30以降）には見られず、これによりIL-4の効果が初期の**「クリティカル・ウィンドウ」**内に限定されることが示された。
• 顆粒細胞の過剰生存：
  • IL-4投与により、顆粒細胞層の細胞密度が増加した（1.51 × 10⁶ → 1.8 × 10⁶ cells/cm²）。この過剰な顆粒細胞はPurkinje細胞への過剰な入力を引き起こし、長期的な回路異常の原因となった。

3. ADHDに類似した行動変化

• 過活動と衝動性の増加：
  • IL-4投与マウスはオープンフィールドテストでより多くの距離を移動し（hyperactivity）、即時報酬を優先する傾向が強まりました（impulsivity）。
  • ローターロッドテストでは、IL-4投与マウスは回転する棒からの落下時間が短縮され、運動調整の障害が起きた。
• HDMモデルでの再現：
  • アレルギー性喘息を誘発するHDMモデルでも、同様の運動過剰と衝動性が観察されました。これにより、アレルギーとADHDの関連性がさらに強化された。

Discussion

1. IL-4による神経発達の阻害

• クリティカル・ウィンドウ：
  • 小脳回路の正常な刈り込みは、生後2週間以内の発達期において不可欠である。この期間にIL-4が異常に上昇すると、ミクログリアの刈り込みが阻害され、神経回路の形成が妨げられる。特に顆粒細胞が過剰に生存することで、Purkinje細胞への入力が増大し、回路異常が固定化された。

2. ADHDとアレルギーの分子メカニズムの解明

• IL-4を介したTh2型免疫応答：
  • アレルギーや喘息患者はADHDの診断リスクが50%高いことが報告されている。この研究は、IL-4がミクログリアの機能を妨げることで神経回路を変化させるという新たなメカニズムを提案し、これがADHDのリスクを高めることを示唆された。

3. HDMモデルによる自然な検証

• 自然環境での再現性：
  • HDM（ハウスダストダニ）を使ったアレルギーモデルでも同様の神経行動変化が見られたことで、アレルギー反応が神経発達に与える影響が自然環境でも確認された。

4. IL-4受容体の役割の特定

• IL-4受容体（IL-4Ra）欠損マウスの使用により、ミクログリアが主要な効果媒介者であることが確認された。
  • Il4rafl/fl::Cx3cr1-CreERマウスでは、IL-4やHDMの投与後もADHD様の行動変化が見られず、IL-4がミクログリアを介して行動変化を引き起こしていることが証明された。

5. ドーパミン系への影響の可能性

• ドーパミン回路との関連：
  • 小脳から中脳腹側被蓋野（VTA）への投射回路が強化される可能性が示唆された。これは、ADHD患者で見られる動機づけや運動過多の問題とも一致する。

6. 臨床応用への示唆

• 治療法開発の可能性：
  • IL-4経路を標的とする新しい治療法が、アレルギーとADHDの治療に役立つ可能性があります。早期のアレルギー管理が、神経発達の異常を防ぐ鍵となるかもしれない。

SfN2024の報告

Neuroscience2024-1