Ymmärtää kuinka mikroglia muuttaa tilaa sopeutuakseen aivojen eri osiin

Ymmärtää kuinka mikroglia muuttaa tilaa sopeutuakseen aivojen eri osiin

Ajatuksen johtajaJeffrey Stogsdill, Ph.D.Kantasolujen ja regeneratiivisen biologian instituuttiHarvardin yliopistoTässä haastattelussa News Medical puhuu tohtori Jeffrey Stogsdillin kanssa hänen viimeisimmästä tutkimuksestaan, jossa tutkitaan, kuinka mikroglia muuttaa tilaa sopeutuakseen aivojen eri osiin.

Voisitko esitellä itsesi ja kertoa tutkimustaustastasi ja kiinnostuksen kohteistasi sekä siitä, miksi päätit tehdä uusimman tutkimuksesi?

Julkaisuhetkellä olin tohtori tohtori Paola Arlottan laboratoriossa Harvardin yliopiston kantasolujen ja regeneratiivisen biologian laitoksella. Tein jatko-työni Duken yliopistossa tohtori Cagla Eroglun kanssa, missä sain arvostukseni ja kiehtovani keskushermoston ei-neuronaalisia gliasoluja, pääasiassa astrosyyttejä ja mikrogliasoluja kohtaan.

Jatko-opiskelijana huomasin, että astrosyyttisolut liittyvät tiiviisti hermosolujen synapseihin ja jopa säätelevät, kuinka ne kytkeytyvät toisiinsa. Valitsin jatko-opinnot Paola Arlottan kanssa, koska hänen laboratorionsa oli eturintamassa ymmärtämässä, kuinka eri hermosolutyypit kootaan aivokuoreen. Minusta oli suuria löytöjä yhdistämällä asiantuntemukseni gliabiologiassa laboratorion asiantuntemukseen hermosolujen monimuotoisuudesta. Yhdessä löysimme viestintäkoodin kiihottavien hermosolujen ja mikroglian välillä aivokuoresta, korkeamman asteen kognitiivisista prosesseista vastaavalla aivojen alueella.

Kuvan luotto: nobeastsofierce/Shutterstock

Tutkijat oppivat yhä enemmän mikroglian monista rooleista. Mitä nämä pienet immuunisolut ovat ja miten ne vaikuttavat aivojen toimintaan, terveyteen ja sairauksiin?

Mikrogliat ovat aivojen paikallisia makrofageja, mikä tarkoittaa, että niillä on immunologinen soluperintö. Itse asiassa ne ovat peräisin kehittyvän alkion ulkopuolelta, jota kutsutaan keltuaispussiksi, jossa ne kulkevat verenkierron läpi ja kolonisoivat aivot ja jäävät lopulta suurelta osin soluja läpäisemättömän seinämän taakse, joka tunnetaan nimellä veri-aivoeste.

Aiemmin mikroglian tiedettiin toimivan soluina, jotka syövät aivot ja poistavat roskat aivoista (eli kuolleet solut ja puhdistavat aivovaurion jälkeen). Opimme kuitenkin nyt, että he tekevät paljon enemmän, mukaan lukien hermotoiminnan havaitseminen ja siihen reagoiminen. Niillä on myös suuri merkitys ihmisten terveydelle. Monet neurologiset sairaudet liittyvät joko suoraan tai epäsuorasti mikroglian toimintaan, mukaan lukien autismikirjon häiriöt, Alzheimerin tauti ja multippeliskleroosi, muutamia mainitaksemme.

Heidän viimeisimmät tutkimuksensa viittaavat siihen, että mikrogliasolut voivat "kuunnella" viereisiä hermosoluja ja muuttaa niiden molekyylitilaa vastaamaan niitä. Voitko selittää mitä tämä tarkoittaa ja miten tämä tapahtuu?

Immunologisen luonteensa vuoksi mikrogliat ovat soluja, jotka "kuuntelevat" ja "aistivat" ympäröivää ympäristöä. Niillä on monia pieniä oksia, jotka jatkuvasti skannaavat ympäristöään muun muassa löytääkseen heikkoja synapsseja ja vaurioalueita sekä arvioidakseen läheisen hermosolujen aktiivisuuden tasoa. Tiesimme aiemmista tutkimuksista, että yhdeltä aivoalueelta peräisin olevat mikrogliat ilmentävät erilaisia ​​solureseptoreita (eli kuuloon osallistuvia molekyylejä) kuin muut aivoalueet, mutta oli epäselvää, kuinka tämä muuttui yksittäisen mikroglian paikallisella tasolla.

Havaitsimme, että yhdellä aivoalueella (aivokuoren kerroksissa), jossa on monia erityyppisiä kiihottavia hermosoluja, ne voivat paikallisesti kontrolloida mikrogliaa kahdella tärkeällä tavalla: 1) eri hermosolujen alatyypit rekrytoivat paikallisesti eri määrän mikrogliaa alueelleen, ja 2) ne "virittävät" paikallisen mikroglian transkriptioprofiilit, mikä tekee musiikista samanlaisen soittimen äänen. Tämä viimeinen kohta on varsin tärkeä, koska se viittaa siihen, että eri neuronit, jotka osallistuvat erilaisiin aivotoimintoihin, mukauttavat paikallisen mikroglian soluprofiilia piiriensä tarpeisiin.

Oletamme, että tämä tapahtuu osittain erilaisilla signalointimolekyyleillä, joita ekspressoivat eri luokat kiihottavat neuronit. Löysimme nämä profiloimalla kaikkien signalointimolekyylien ilmentymistä neuroneissa ja korreloimalla tätä ilmentymisatlasta kaikkien mikroglian eri tiloissa (tai sävelissä, takaisin musiikin analogiaan) olevien signaalimolekyylien kanssa. Olimme hämmästyneitä nähdessämme näiden tärkeimpien solujen alaryhmien välisen signaloinnin spesifisyyden.

Heidän tutkimuksensa suoritettiin käyttämällä geneettisiä profilointimenetelmiä eri kerrosten mikroglian tutkimiseksi. Voitko tarkentaa, miten suoritit tutkimuksesi ja mitä oivalluksia sait?

Lähestyimme tätä kysymystä kahdella tavalla profiloimalla hiiren mikrogliaa, joka on hyvä, vaikkakaan ei täydellinen korrelaatti ihmisaivoista. Ensimmäisessä lähestymistavassa poistimme aivokuoren ja sitten mikroleikkasimme varovasti aivokuoren kerrokset. Sitten loimme kaikki mikrogliat ja profiloimme ne tehokkaalla työkalulla, jota kutsutaan yksisoluisen RNA-sekvensoinnin avulla. Tämän menetelmän avulla tutkijat voivat tarkastella kunkin yksittäisen solun RNA-ekspressioprofiilia (toisin sanoen ekspressoituneiden geenien valikoimaa) erillään muista soluista.

Genetiikka ja genomiikka e-kirja

Kokoelma viime vuoden huippuhaastatteluista, artikkeleista ja uutisista.

Lataa kopio tänään

Ensinnäkin havaitsimme, että kaikki solut kaikista uutetuista kerroksista olivat mikrogliaa mikroglialle ainutlaatuisten ja spesifisten geenien ilmentymisen kautta. Mutta sitten havaitsimme, että identiteetin peruskerroksen yläpuolella oli sekundäärinen geeniekspression kerros, joka korreloi sen kerroksen kanssa, josta mikrogliat mikrodissektoitiin. Tämä antoi meille jokaisen kerroksella rikastetun mikroglia-tilan "geeniallekirjoituksen" tai kunkin kerroksen mikroglian vastaavan tilan. On tärkeää huomata, että jokaisessa aivokuoren kerroksessa on erilainen osajoukko kiihottavia hermosoluja. Siten pystyimme korreloimaan hermosolujen alatyypin (kerroksittain) mikrogliatilan kanssa (kerroksittain).

Toisessa lähestymistavassa käytettiin vielä tehokkaampaa profilointityökalua, jonka avulla pystyimme tutkimaan kaikkien solujen (neuronien, mikroglian, muiden gliasolujen jne.) transkriptionaalista ilmentymistä ehjässä aivoissa ilman, että sitä tarvitsisi mikroleikkaamalla. Tätä lähestymistapaa, jota kutsutaan nimellä Multiplex Error-Robust Fluorescence In Situ -hybridisaatio (tai lyhyesti MERFISH), sovellettiin hiiren aivoihin käyttämällä geenien allekirjoituksia, jotka löysimme edellä kuvatussa ensimmäisessä profilointikokeessamme. Tällä menetelmällä pystyimme kartoittamaan kunkin mikroglian ja eksitatorisen hermosolun tarkan sijainnin kolmessa ulottuvuudessa poikkeuksellisen tarkasti.

Tämä kartta käsissämme havaitsimme, että mikrogliatilat ovat kerroksittain, kuten olimme aiemmin havainneet. Jännittävämpää oli kuitenkin se, että jokainen mikroglia asuu ainutlaatuisten hermosolujen alatyyppien naapurustossa ja että mikroglian tila riippuu niiden läheisten hermosolujen naapureiden paikallisesta koostumuksesta. Tämä viittaa siihen, että spesifisyyden taso on soluvuorovaikutusten tasolla neuroni-mikroglia-alueilla.

Mitä seurauksia tapahtuu, kun mikroglian ja niiden hermosolukumppaneiden välinen viestintä menee pieleen?

Tutkimuksemme ei käsitellyt mikroglian ja niiden hermosolukumppaneiden välisen virheviestinnän vaikutuksia. Signalointikartastamme tarjoaa kuitenkin kentällä runsaasti lähtökohtia sen tunnistamiseksi, mikä saattaa mennä pieleen, ja mikä ehkä vielä tärkeämpää, kuinka voimme mahdollisesti korjata tai korjata piirejä, kun hermosolujen alatyyppien ja mikroglian välillä tapahtuu virheviestintää.

Erittäin mielenkiintoinen huomio ihmistutkimuksesta on, että autismispektrihäiriöitä (ASD) on tunnistettu aivokuoren ylemmän kerroksen hermosolujen ja mikroglian välillä. Tietojoukkomme on valmistettu louhittavaksi näiden ylemmän kerroksen häiriöiden molekyylimekanismien paljastamiseksi ihmisillä, joilla on ASD.

Kuinka tämän uuden tutkimuksen tulokset voisivat auttaa avaamaan oven tutkimuslinjoille, jotka voivat kohdistaa tarkasti mikroglian ja niiden hermosolukumppaneiden välistä viestintää?

Kuten edellisessä kysymyksessä mainitsin, signalointikartastamme hermosolujen alatyyppien ja mikroglian välillä on tiedon aarreaitta, joka odottaa neuroimmunologian asiantuntijoiden louhimista. Monet viestintäsignaaleista ovat polkuja, joita voidaan "lääkettää" tai muuttaa geeniterapialla. On jännittävää aikaa nähdä, kuinka kohdistaminen mikrogliaan voi korjata hermosoluja tai hermopiirejä ja lopulta ehkä neurologisia häiriöitä.

Mitkä ovat seuraavat askeleet sinulle ja tutkimuksellesi?

Muutin bioteknologiayritykseen, joka pyrkii käyttämään gliasoluja neurologisten sairauksien terapiana. Toivon, että tästä julkaistusta tutkimuksesta saadut tiedot ovat ponnahduslauta muille laboratorioille tutkimaan, miten viljelmässä voidaan luoda erilaisia ​​mikrogliatiloja testausta, analysointia ja hoitoa varten. Toivon myös, että se voi auttaa tarjoamaan uusia näkemyksiä neurologisen sairauden alkamis- tai etenemismekanismeista.

Mistä lukijat löytävät lisätietoja?

Lukijat voivat löytää alkuperäisen tutkimuksen täältä:

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

Tietoja Jeffrey Stogsdill, Ph.D.

Olen tällä hetkellä Sana Biotechnologyn vanhempi tutkija, ja yritän löytää tapoja käyttää gliasoluja neurologisten sairauksien hoitona. Tässä käsitellyn paperin tutkimuksessa työskentelin postdocina Paola Arlottan laboratoriossa Harvardin yliopiston kantasolujen ja regeneratiivisen biologian laitoksella. Kwanho Kim suoritti laajat bioinformatiikan analyysit Joshua Levenin laboratoriossa Broad Institute of Harvardissa ja MIT:ssä. Projekti toteutettiin NIH:n ja Broad Institute of MIT:n ja Harvardin rahoituksella (Paola Arlottan ja Joshua Levinin kautta) ja HHMI:n (Jeff Stogsdill) rahoituksella.

.