Origin and Function of Stress-Induced IL-6 in Murine Models

作者：Hua Qing，Reina Desrouleaux，Kavita Israni-Winger, Yann S. Mineur, Nia Fogelman, Cuiling Zhang, Saleh Rashed, Noah W. Palm, Rajita Sinha, Marina R. Picciotto, Rachel J. Perry, and Andrew Wang(Department of Medicine (Rheumatology, Allergy & Immunology), Yale University School of Medicine,  Department of Immunobiology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT, USA)

发表情况：  Cell 182, 372–387 July 23, 2020.doi:10.1016/j.cell.2020.05.054.

科学问题

应激状态下的IL-6究竟是如何产生的以及应激状态下的IL-6又发挥什么生理功能？

重要发现

1. IL-6是小鼠急性应激诱导的内分泌细胞因子。

2. 应激时棕色脂肪细胞通过ADRB3信号产生IL-6。

3. IL-6是应激性高血糖症所必需的。

4. 应激诱导的IL-6降低了对随后炎症反应的耐受性。

中文摘要

人们早就知道，急性应激会降低宿主对多种疾病炎症的适应性，但这种情况是如何发生的还不完全清楚。在小鼠模型上，我们证明白细胞介素-6(IL-6)是仅在急性应激时诱导的主要细胞因子。应激诱导的IL-6是由棕色脂肪细胞以β-3肾上腺素能受体依赖的方式产生的。在应激过程中，内分泌IL-6是通过肝脏糖异生来调节高血糖所必需的指导性信号，这是预测和激发“战斗或逃跑”反应所必需的。这种适应是以增加随后的炎症性挑战的死亡率为代价的。这些发现为IL-6作为真正的应激激素协调全身免疫代谢重编程的个体发育和适应性目的提供了一种机制解释。这个神经-棕色脂肪-肝脏轴可能为棕色脂肪组织作为应激反应的内分泌器官提供新的见解，并为在炎症性和神经精神疾病的治疗中针对这一轴提供机制上的支撑。

英文摘要

Acute psychological stress has long been known to decrease host fitness to inflammation in a wide variety of diseases, but how this occurs is incompletely understood. Using mouse models, we show that interleukin-6 (IL-6) is the dominant cytokine inducible upon acute stress alone. Stress-inducible IL-6 is produced from brown adipocytes in a beta-3-adrenergic-receptor-dependent fashion. During stress, endocrine IL-6 is the required instructive signal for mediating hyperglycemia through hepatic gluconeogenesis, which is necessary for anticipating and fueling ‘‘fight or flight’’ responses. This adaptation comes at the cost of enhancing mortality to a subsequent inflammatory challenge. These findings provide a mechanistic understanding of the ontogeny and adaptive purpose of IL-6 as a bona fide stress hormone coordinating systemic immuno-metabolic reprogramming. This brain-brown fat-liver axis might provide new insights into brown adipose tissue as a stress-responsive endocrine organ and mechanistic insight into targeting this axis in the treatment of inflammatory and neuropsychiatric diseases.

结  果

图1  急性应激诱导内分泌IL-6

 (A)小鼠暴露于其中一种应激刺激后的血浆IL-6水平。实验采用NT，不处理；TR，管子束缚。(B)单次眶后出血或管子束缚(TR)后4h，炎症细胞因子和趋化因子的倍数变化。结果表示为应激受试者与无应激对照组的细胞因子或趋化因子水平之比（每组n = 5）。(C)反复出血后血浆IL-6水平。同一只小鼠(n=5)每4h重复出血一次，而昼夜节律对照组为非应激小鼠，在不同的ZT时间段出血1次(每个时间点n=5)。(D)出血后不同时间点的血浆去甲肾上腺素、皮质酮和IL-6水平(每个时间点5个)。数据以平均值±SEM表示。*p<0.001，*p<0.0001。

图2  应激诱导的IL-6由棕色脂肪细胞产生

（A）常规饲养的小鼠（SPF），无菌小鼠（GF）或缺乏病原体检测和响应所必需的关键信号通路的小鼠的眶后出血后IL-6的血浆水平（SPF，n = 8；GF，n＝3；Tlr2 /44^-/-，n＝3；Myd88 /Trif-/-，n＝4。（B）来自眶后出血应激的嵌合小鼠的IL-6的血浆水平。WTIL-6 KO：IL-6基因敲除（KO）小鼠，移植了野生型（WT）小鼠的骨髓（BM）细胞；IL-6 KO WT：WT小鼠移    植了来自IL-6 KO小鼠的BM细胞（每组n = 5）。（C）来自应激和对照小鼠的组织IL-6的转录分析（每组n＝5）。缩写如下：FB：前脑;  MB：中脑;  HB：后脑；BAT：棕色脂肪组织;  eWAT：附睾白色脂肪组织;  rWAT：腹膜后白色脂肪组织；iWAT：腹股沟白色脂肪组织；NT，不予处理；TR，管子束缚。（D）眶后出血应激小鼠和对照（NT）小鼠棕色脂肪组织中IL-6的免疫组织化学染色的代表性图像。IL-6阳性染色为棕色。（E）手术切除棕色脂肪组织（BAT去除手术）和假手术对照组小鼠眶后出血后血浆IL-6水平（假手术组n = 3，BAT去除手术组n = 4）。（F）来自应激小鼠的棕色脂肪组织（BAT）的间质血管部分（SVF）中IL-6的转录分析（NT，n＝3， Bleed或TR组，n＝4）。结果表示为相对于非应激对照（NT）的增加倍数。TR，管子束缚。（G）同窝对照(IL-6 f/f)和在棕色脂肪细胞中基因缺失IL-6的小鼠（IL-6 f/f^△UCP1）眶后出血后的血浆IL-6水平。NT，不予处理。数据表示为平均值±SEM。* p <0.05，** p <0.01，*** p <0.001，**** p <0.0001。

图3  ADRB3对急性应激反应介导褐色脂肪细胞来源的IL-6

 （A和B）Ucp1KO和WT小鼠的循环IL-6水平（每组n = 7）（A）和出血后IL-6的mRNA表达。（B）（WT = 7，WT +出血n = 11，Ucp1 KO n = 7，Ucp1 KO +出血n = 10。NT，不予处理；BAT，棕色脂肪组织；eWAT，附睾白色脂肪组织。（C）氯胺酮/甲苯噻嗪或异氟烷麻醉后小鼠的血浆IL-6水平（Bleed n = 3，TR n = 4，代表2个实验）。NT，不予处理；TR，管子束缚。（D）通过6-羟基多巴胺（6-OHDA）给药化学阻滞交感神经，棕色脂肪组织小鼠眶后出血后循环IL-6的变化（每组n = 3）。（E和F）注射β-肾上腺素受体激动剂2小时后血浆IL-6水平（E）和IL-6的mRNA表达（F）（每组n = 5）。缩写如下：ADRB1 / ADRB2：异丙肾上腺素，ADRB1和ADRB2激动剂; ADRB3：CL316,243，ADRB3激动剂。FB: 前脑；Adrenal: 肾上腺；BAT: 棕色脂肪组织。（G）用ADRB3拮抗剂SR59203A处理的小鼠眶后出血不同时间点的血浆IL-6水平（每组n＝5）。（H）Adrb1 / 2 KO或Adrb3 KO小鼠眶后出血后血浆IL-6水平（每组n = 5）。NT，不予处理。（I）棕色脂肪细胞中基因缺失Adrb3的小鼠（Adrb3f/f^△UCP1）和同窝对照（Adrb3f / f）（每组n = 5）小鼠眶后出血后的血浆IL-6水平。NT，不予处理。数据表示为平均值±SEM。* p <0.05，** p <0.01，*** p <0.001，**** p <0.0001。

图4  IL-6是促进应激性高血糖的必需因子

（A）用IL-6Ra抗体或同型对照预处理的小鼠眶后出血后的能量消耗（每组n = 4，代表2个实验）。统计量表示各组之间的曲线下面积（AUC）。（B）用IL-6Ra抗体或同型对照预处理的小鼠眶后出血后的血糖水平（每组n = 10）。CBG，毛细血管血糖。（C）用IL-6Ra抗体或同型对照预处理的小鼠出血后内源性葡萄糖生成（EGP）（同型对照n = 8，IL-6Ra单克隆抗体[mAb] n = 9）。（D）在用IL-6Ra抗体或同型对照预处理的小鼠眶后出血后4小时进行丙酮酸耐受性试验（PTT）（每组n ＝ 5，代表2个实验）。AUC，曲线下的面积。（E和F）棕色脂肪细胞中基因缺失Adrb3的小鼠（Adrb3f/f^△UCP1）和棕色脂肪细胞中基因缺失IL-6的小鼠（IL-6f/f^△UCP1）小鼠眶后出血后4小时进行PTT，分别与同窝对照进行比较（Adrb3f / f  n = 8，Adrb3f/f^△UCP1  n = 5，IL-6f/f 和IL-6f/f^△UCP1 n = 6）。AUC，曲线下的面积。（G）在眶后出血后3小时肝脏中与糖异生相关的基因表达（NT n＝4，眶后出血n＝5）。缩写如下：Pck1，磷酸烯醇丙酮酸羧激酶1；G6pc，葡萄糖-6-磷酸酶催化亚基；Pcx，丙酮酸羧化酶；Fbp1，果糖1,6-双磷酸酶1；Gck，葡萄糖激酶。数据表示为平均值±SEM。* p <0.05，** p <0.01，*** p <0.001，**** p <0.0001。

图5  IL-6通过肝细胞重编程介导应激性高血糖

（A）眶后出血后4小时，IL-6 KO或WT小鼠的肝脏和肾脏中的G6pc mRNA水平（每组n = 5）。（B）急性应激小鼠的所示组织中的IL-6Ra mRNA水平（每组n ＝ 5，代表2个实验）。缩写如下：FB: 前脑；MB: 中脑；HB: 后脑；BAT: 棕色脂肪组织；eWAT: 附睾白色脂肪组织；rWAT: 腹膜后白色脂肪组织；iWAT: 腹股沟白色脂肪组织；NT，不予处理；TR，管子束缚。（C和D）用IL-6Ra抗体或同型对照治疗的小鼠的肝脏或肾脏中丙酮酸生成葡萄糖的速率（C）和糖异生（D）的速率（同种型n = 8，IL-6Ra n = 9 mAb）。（E和F）与同窝对照（IL-6Ra f / f）相比，肝细胞特异性缺失IL-6Ra（IL-6Ra f/f ^△ALB）的小鼠眶后出血（E）或管子束缚（F）4小时后的PTT（每组n = 5）。AUC，曲线下的面积。（G）与同窝对照（IL-6Ra f/f）相比，肝细胞特异性缺失IL-6Ra（IL-6Ra f/f ^△ALB）的小鼠眶后出血后4小时与同窝对照（IL-6Ra f / f）相比，在黑暗中使用明/暗盒分析的时间（IL-6Ra f/f  n = 15 ，IL-6Ra f/f ^△ALB n = 9，代表3个实验。数据表示为平均值±SEM。* p <0.05，** p <0.01，*** p <0.001，**** p <0.0001。

图6  BAT产生ADRB3依赖性的IL-6增强了继发于急性应激内毒素血症的死亡率

（A）LPS诱导的内毒素血症在预先暴露于指定应激源的小鼠中的存活率（每组n = 10）。缩写如下：NT，未处理；TR，管子束缚。（B）用对照溶剂（n = 8），ADRB1/2激动剂（ADRB1 / 2，n = 7）和ADRB3激动剂（ADRB3，n = 9）预处理的内毒素动物的存活率。（C）用IL-6应激剂量预处理的内毒素血症动物的存活率（每组n = 8）。（D）经指定干预措施预处理的内毒素血症动物存活。管子束缚（TR） n = 9，管子束缚加氯胺酮 n = 10，IL-6 n = 8，IL-6加氯胺酮 n = 9。（E）ADRB3拮抗剂或对照溶剂预先处理的内毒素血症小鼠的存活率。TR，管子束缚（每组n = 10）。（F）IL-6 f/f小鼠和IL-6 f/f^△UCP1小鼠的内毒素血症致死率（每组n = 10）。（G）预先暴露于出血或束缚应激的小鼠在LPS注射后0或24小时循环肌酐（Cr）水平（每组n = 5）。缩写如下：NT，未处理；TR，管子束缚。（H）预先暴露于束缚压力的（同窝对照组（IL-6 f / f）和棕色脂肪组织特异性缺失IL-6（IL-6 f/f^△UCP1）的小鼠LPS注射后0或24小时的循环肌酐（Cr）水平（每组n = 5）。TR，管子束缚。数据表示为平均值±SEM。* p <0.05，** p <0.01，*** p <0.001，**** p <0.0001。

图7  模式图

(A)急性应激通过脑-棕色脂肪-肝脏轴促进新陈代谢适应，为战斗或逃跑的决策提供必要的能量基础。(B)与禁食或其他负能量状态不同，急性应激需要IL-6，而不是像胰高血糖素或生长激素(GH)这样的激素，以诱导预期的(即将增加的葡萄糖需求)糖异生，而不是反应性适应。

总  结

综上所述，本研究确定了小鼠脑-棕色脂肪-肝脏轴，IL-6在急性应激条件下调节葡萄糖代谢，并提示在急性应激条件下诱导IL-6具有适应性目的。在应激状态下，棕色脂肪通过ADRB3信号调节IL-6生成。由棕色脂肪产生的IL-6会促进肝脏的糖异生，使机体维持在一个高血糖的状态，从而为机体作出“战斗或是逃跑 (fight or flight) ”的决策提供必要的能量基础，然而，这一过程也会使机体付出相应的代价，那就是IL-6水平升高会加重炎症反应的进行，这也解释了之前观测到的压力会使炎症疾病加重的现象。同时，应激诱导IL-6的功能除了通过影响肝脏代谢重编程提高血糖外，是否还发挥其他功能还有待进一步研究；人类应激相关IL-6的绝对循环水平比小鼠低100倍，反映了物种间差异，该结论从小鼠推及到人还有待确定；压力降低宿主对炎症适应性的确切机制仍有待进一步研究；如果小鼠脑-棕色脂肪-肝脏轴也与人类相关，本文发现对诸如季节性情感障碍等精神疾病的发病机制研究有一定的意义，在季节性情感障碍中，抑郁症主要是由于寒冷和黑暗季节的作用而发生的，同时也暗示ADRB3和IL-6是在病理性炎症条件下预防疾病爆发的潜在治疗靶点。