Разбиране как микроглията променя състоянието си, за да се адаптира към различни области на мозъка

Разбиране как микроглията променя състоянието си, за да се адаптира към различни области на мозъка

Мислен лидерДжефри Стогсдил, д-р.Институт за стволови клетки и регенеративна биологияХарвардски университетВ това интервю News Medical разговаря с д-р Джефри Стогсдил за последното му изследване, изследващо как микроглията променя състоянието си, за да се адаптира към различни области на мозъка.

Бихте ли могли да се представите и да ни кажете за вашия изследователски опит и интереси, както и защо решихте да проведете последното си проучване?

По време на публикуването бях постдокторант в лабораторията на д-р Паола Арлота в катедрата по стволови клетки и регенеративна биология в Харвардския университет. Завърших дипломната си работа в университета Дюк с д-р Чагла Ероглу, където придобих своята оценка и очарование за неневронните глиални клетки на централната нервна система, главно астроцити и микроглия.

Като студент открих, че астроцитните клетки се свързват тясно с невронните синапси и дори регулират начина, по който се свързват заедно. Избрах да направя следдокторантски проучвания с Паола Арлота, защото нейната лаборатория беше начело в разбирането как различните типове невронни клетки се сглобяват в мозъчната кора. Чувствах, че има големи открития чрез комбиниране на моя опит в глиалната биология с опита на лабораторията в невронното разнообразие. Заедно открихме комуникационен код между възбуждащите неврони и микроглията в мозъчната кора, областта на мозъка, отговорна за когнитивните процеси от по-висок порядък.

Снимка: nobeastsofierce/Shutterstock

Изследователите все повече научават за многото роли на микроглията. Какви са тези малки имунни клетки и как те играят роля в мозъчната функция, здравето и болестите?

Микроглиите са локалните макрофаги на мозъка, което означава, че имат имунологично клетъчно наследство. Всъщност те произхождат от регион извън развиващия се ембрион, наречен жълтъчен сак, където пътуват през кръвния поток и колонизират мозъка, като в крайна сметка остават зад до голяма степен непропускливата за клетките стена, известна като кръвно-мозъчната бариера.

В миналото се е знаело, че микроглиите функционират като клетки, които изяждат мозъка и премахват остатъците от мозъка (т.е. мъртви клетки и почистване след увреждане на мозъка). Сега обаче научаваме, че те правят много повече, включително усещане и реагиране на нервната активност. Те също играят огромна роля за човешкото здраве. Много неврологични заболявания са пряко или косвено свързани с микроглиалната функция, включително разстройства от аутистичния спектър, болест на Алцхаймер и множествена склероза, за да назовем само няколко.

Техните най-нови изследвания показват, че клетките на микроглията могат да „слушат“ съседните неврони и да променят молекулярното си състояние, за да ги съчетаят. Можете ли да обясните какво означава това и как се случва?

По своята имунологична природа микроглиите са клетки, които „слушат“ и „усещат“ околната среда около тях. Те имат много малки разклонения, които непрекъснато сканират заобикалящата ги среда, за да намерят, наред с други неща, слаби синапси и области на увреждане и да оценят нивото на близката невронна активност. Знаехме от предишни изследвания, че микроглията от една мозъчна област експресира различни клетъчни рецептори (т.е. молекулите, участващи в слуха), отколкото други мозъчни области, но не беше ясно как това се превежда на локално ниво на отделна микроглия.

Ние открихме, че в рамките на една мозъчна област (слоевете на мозъчната кора), в която се помещават много различни типове възбуждащи неврони, те могат локално да контролират микроглиите по два важни начина: 1) различни подтипове неврони локално набират различен брой микроглии в своята област и 2) те „настройват“ транскрипционните профили на локалните микроглии, подобно на музикант, който настройва инструмент, за да издаде правилния звук. Тази последна точка е доста важна, защото предполага, че различни неврони, участващи в различни мозъчни дейности, адаптират клетъчния профил на локалната микроглия към нуждите на техните вериги.

Ние постулираме, че това се извършва отчасти от различни сигнални молекули, експресирани от различни класове възбуждащи неврони. Открихме ги чрез профилиране на експресията на всички сигнални молекули в невроните и корелиране на този експресионен атлас с всички сигнални молекули в различни състояния (или мелодии, обратно към музикалната аналогия) на микроглия. Бяхме изумени да видим нивото на специфичност в сигнализирането между тези основни подразделения на клетките.

Тяхното изследване е проведено с помощта на методи за генетично профилиране за изследване на микроглията в различните слоеве. Можете ли да разкажете по-подробно как проведохте проучването си и какви прозрения придобихте?

Ние подходихме към този въпрос по два начина, като профилирахме мишка микроглия, която е добър, макар и не перфектен корелат на човешкия мозък. При първия подход премахнахме кората и след това внимателно направихме микродисекция на слоевете на кората. След това извлякохме всички микроглии и ги профилирахме с помощта на мощен инструмент, наречен едноклетъчно РНК секвениране. Този метод позволява на изследователите да видят профила на експресия на РНК (с други думи, репертоара от експресирани гени) на всяка отделна клетка в изолация от други клетки.

Електронна книга по генетика и геномика

Компилация от най-добрите интервюта, статии и новини от последната година.

Изтеглете копие днес

Първо, открихме, че всички клетки от всички слоеве, които екстрахирахме, бяха микроглия чрез експресията на гени, уникални и специфични за микроглията. Но след това открихме, че над базалния слой на идентичността съществува вторичен слой на генна експресия, който корелира със слоя, от който микроглията е микродисектирана. Това ни даде „генния подпис“ на всяко обогатено със слой микроглиално състояние или съответстващото състояние на микроглия от всеки слой. Важно е да се отбележи, че всеки слой на кората съдържа различна подгрупа от възбуждащи неврони. По този начин успяхме да свържем невронния подтип (по слой) с микроглиалното състояние (по слой).

Вторият подход използва още по-мощен инструмент за профилиране, който ни позволи да разгледаме транскрипционната експресия на всички клетки (неврони, микроглия, друга глия и т.н.) в непокътнатия мозък, без да се налага да го микродисектираме. Този подход, наречен Multiplex Error-Rubust Fluorescence In Situ Hybridization (или съкратено MERFISH), беше приложен към мозъка на мишката, използвайки генните сигнатури, които открихме в нашия първи експеримент за профилиране, описан по-горе. Използвайки този метод, успяхме да картографираме точното местоположение на всяка микроглия и възбуждащ неврон в три измерения с изключителна прецизност.

С тази карта в ръка открихме, че микроглиалните състояния съществуват на слоеве, както открихме преди. Това, което беше по-вълнуващо обаче, беше, че всяка микроглия се намира в съседство с уникални невронни подтипове и че състоянието на микроглията зависи от локалния състав на техните близки невронни съседи. Това предполага, че нивото на специфичност е на нивото на клетъчните взаимодействия в съседствата на неврон-микроглия.

Какви са някои от последствията, които възникват, когато комуникацията между микроглиите и техните невронни партньори се обърка?

Нашето изследване не се занимава с ефектите от неправилната комуникация между микроглиите и техните невронни партньори. Въпреки това, нашият сигнализиращ атлас предоставя на полето изобилие от отправни точки за идентифициране на това, което може да се обърка и, може би по-важното, как бихме могли потенциално да поправим или коригираме вериги, когато възникне неправилна комуникация между невронни подтипове и микроглия.

Много интересна бележка от изследване при хора е, че разстройствата от аутистичния спектър (ASD) са идентифицирани между невроните на горния слой на кората и микроглията. Нашият набор от данни е подготвен за извличане, за да разкрие молекулярните механизми на тези нарушения на горния слой при хора с ASD.

Как резултатите от това ново изследване могат да помогнат да се отвори вратата към линии на изследване, които могат точно да насочат комуникацията между микроглиите и техните невронни партньори?

Както споменах в предишния въпрос, нашият сигнализиращ атлас между невронни подтипове и микроглия е съкровищница от данни, чакащи да бъдат извлечени от експерти в областта на невроимунологията. Много от комуникационните сигнали са пътища, които могат да бъдат „лекарствани“ или променени чрез генна терапия. Вълнуващо време е да видим как насочването към микроглия може да поправи неврони или невронни вериги и в крайна сметка може би неврологични разстройства.

Какви са следващите стъпки за вас и вашите изследвания?

Преместих се в биотехнологична компания, която има за цел да използва глиални клетки като терапия за неврологични заболявания. Надявам се, че данните, генерирани от това публикувано проучване, ще бъдат трамплин за други лаборатории, за да проучат как да генерират различни микроглиални състояния в културата за тестване, анализ и терапия. Също така се надявам, че може да помогне за предоставянето на нови прозрения за механизмите на иницииране или прогресиране на неврологични заболявания.

Къде читателите могат да намерят повече информация?

Читателите могат да намерят оригиналното изследване тук:

• https://www.nature.com/articles/s41586-022-05056-7
• https://www.nature.com/articles/d41586-022-02005-2

За Джефри Стогсдил, д-р.

В момента съм старши учен в Sana Biotechnology, опитвайки се да намеря начини да използвам глиалните клетки като терапия за неврологични заболявания. За изследването на статията, обсъждана тук, работих като постдоктор в лабораторията на Паола Арлота в Департамента по стволови клетки и регенеративна биология в Харвардския университет. Обширни биоинформатични анализи бяха проведени от Kwanho Kim в лабораторията на Joshua Leven в Broad Institute на Харвард и MIT. Проектът беше проведен с финансиране от NIH и Broad Institute на MIT и Харвард (чрез Паола Арлота и Джошуа Левин) и с финансиране от HHMI (Джеф Стогсдил).

.