Razumijevanje načina na koji mikroglija mijenja stanje da bi se prilagodila različitim područjima mozga

Razumijevanje načina na koji mikroglija mijenja stanje da bi se prilagodila različitim područjima mozga

Vođa misliJeffrey Stogsdill, dr.sc.Institut za matične stanice i regenerativnu biologijuSveučilište HarvardU ovom intervjuu, News Medical razgovara s Jeffreyem Stogsdillom, dr. sc., o njegovom najnovijem istraživanju koje ispituje kako mikroglija mijenja stanje da bi se prilagodila različitim područjima mozga.

Možete li se predstaviti i reći nam nešto o svom istraživačkom podrijetlu i interesima, kao i zašto ste odlučili provesti svoje najnovije istraživanje?

U vrijeme objavljivanja bio sam postdoktorand u laboratoriju dr. Paole Arlotte na Odjelu za matične stanice i regenerativnu biologiju na Sveučilištu Harvard. Diplomirao sam na Sveučilištu Duke kod dr. Cagle Eroglu, gdje sam stekao svoju zahvalnost i fascinaciju za ne-neuronske glijalne stanice središnjeg živčanog sustava, uglavnom astrocite i mikrogliju.

Kao diplomirani student, otkrio sam da su astrocitne stanice čvrsto povezane s neuronskim sinapsama i čak reguliraju njihov način povezivanja. Odabrao sam postdoktorski studij s Paolom Arlottom jer je njezin laboratorij bio predvodnik u razumijevanju načina na koji se različite vrste neuronskih stanica okupljaju u cerebralnom korteksu. Osjećao sam da je došlo do velikih otkrića kombinirajući moju stručnost u glijalnoj biologiji sa stručnošću laboratorija u neuronskoj raznolikosti. Zajedno smo otkrili komunikacijski kod između ekscitatornih neurona i mikroglije u cerebralnom korteksu, području mozga odgovornom za kognitivne procese višeg reda.

Autor fotografije: nobeastsofierce/Shutterstock

Istraživači sve više uče o mnogim ulogama mikroglije. Što su te sićušne imunološke stanice i kakvu ulogu imaju u funkcioniranju mozga, zdravlju i bolesti?

Mikroglija su lokalni makrofagi mozga, što znači da imaju imunološko stanično nasljeđe. Zapravo, oni potječu iz područja izvan embrija u razvoju, zvanog žumanjčana vrećica, gdje putuju kroz krvotok i koloniziraju mozak, na kraju ostajući iza zida koji je uglavnom nepropusn za stanice poznat kao krvno-moždana barijera.

U prošlosti se znalo da mikroglija funkcionira kao stanice koje jedu mozak i uklanjaju ostatke iz mozga (tj. mrtve stanice i čišćenje nakon oštećenja mozga). Međutim, sada učimo da oni rade mnogo više, uključujući osjetila i reagiranje na neuronske aktivnosti. Oni također igraju veliku ulogu u ljudskom zdravlju. Mnoge neurološke bolesti su izravno ili neizravno povezane s funkcijom mikroglije, uključujući poremećaje iz spektra autizma, Alzheimerovu bolest i multiplu sklerozu, da spomenemo samo neke.

Njihovo najnovije istraživanje sugerira da stanice mikroglije mogu "slušati" susjedne neurone i promijeniti svoje molekularno stanje kako bi im odgovaralo. Možete li objasniti što to znači i kako se to događa?

Po svojoj imunološkoj prirodi, mikroglija je stanica koja "sluša" i "osjeća" okolinu oko sebe. Imaju mnogo malih ogranaka koji neprestano skeniraju svoju okolinu kako bi, između ostalog, pronašli slabe sinapse i područja oštećenja te procijenili razinu obližnje neuronske aktivnosti. Iz prijašnjih smo istraživanja znali da mikroglija iz jedne regije mozga izražava različite stanične receptore (tj. molekule uključene u sluh) nego druge regije mozga, ali nije bilo jasno kako se to prenosi na lokalnu razinu pojedinačne mikroglije.

Otkrili smo da unutar jedne moždane regije (slojevi moždane kore), u kojoj se nalazi mnogo različitih tipova ekscitatornih neurona, oni mogu lokalno kontrolirati mikrogliju na dva važna načina: 1) različiti podtipovi neurona lokalno regrutiraju različite brojeve mikroglije u svoje područje, i 2) oni "štimaju" transkripcijske profile lokalne mikroglije, slično kao što glazbenik štima instrument da proizvede pravi zvuk. Ova zadnja točka je vrlo važna jer sugerira da različiti neuroni uključeni u različite moždane aktivnosti prilagođavaju stanični profil lokalne mikroglije potrebama svojih krugova.

Pretpostavljamo da se to djelomično provodi pomoću različitih signalnih molekula izraženih različitim klasama ekscitatornih neurona. Pronašli smo ih profiliranjem ekspresije svih signalnih molekula u neuronima i korelacijom ovog ekspresijskog atlasa sa svim signalnim molekulama u različitim stanjima (ili melodijama, nazad na glazbenu analogiju) mikroglije. Bili smo zaprepašteni kada smo vidjeli razinu specifičnosti u signalizaciji između ovih glavnih pododjela stanica.

Njihova je studija provedena korištenjem metoda genetskog profiliranja kako bi se ispitala mikroglija u različitim slojevima. Možete li elaborirati kako ste proveli svoje istraživanje i do kojih ste saznanja došli?

Ovom smo pitanju pristupili na dva načina profiliranjem mišje mikroglije, koja je dobar, iako ne i savršen, korelat ljudskog mozga. U prvom pristupu uklonili smo korteks, a zatim pažljivo mikrodisektirali slojeve korteksa. Zatim smo ekstrahirali sve mikroglije i profilirali ih pomoću moćnog alata koji se zove jednostanično RNA sekvenciranje. Ova metoda omogućuje istraživačima da vide profil ekspresije RNK (drugim riječima, repertoar eksprimiranih gena) svake pojedinačne stanice odvojeno od drugih stanica.

E-knjiga o genetici i genomici

Kompilacija najboljih intervjua, članaka i vijesti iz prošle godine.

Preuzmite kopiju danas

Prvo, otkrili smo da su sve stanice iz svih slojeva koje smo ekstrahirali bile mikroglija kroz ekspresiju gena jedinstvenih i specifičnih za mikrogliju. Ali tada smo otkrili da iznad bazalnog sloja identiteta postoji sekundarni sloj ekspresije gena koji je u korelaciji sa slojem iz kojeg je mikroglija mikrodisecirana. To nam je dalo "genski potpis" svakog stanja mikroglije obogaćenog slojem ili podudarno stanje mikroglije iz svakog sloja. Važno je napomenuti da svaki sloj korteksa sadrži različitu podskupinu ekscitatornih neurona. Stoga smo bili u mogućnosti korelirati podtip neurona (po sloju) sa statusom mikroglije (po sloju).

Drugi pristup koristio je još snažniji alat za profiliranje koji nam je omogućio da pogledamo transkripcijsku ekspresiju svih stanica (neurona, mikroglije, druge glije, itd.) u intaktnom mozgu bez potrebe za mikrodisekcijom. Ovaj pristup, nazvan Multiplex Error-Robust Fluorescence In Situ Hybridization (ili skraćeno MERFISH), primijenjen je na mozak miša pomoću genskih potpisa koje smo pronašli u našem prvom gore opisanom eksperimentu profiliranja. Koristeći ovu metodu, uspjeli smo mapirati točnu lokaciju svake mikroglije i ekscitatornog neurona u tri dimenzije s izvanrednom preciznošću.

S ovom kartom u ruci, otkrili smo da mikroglijalna stanja postoje u slojevima, kao što smo prije otkrili. Ono što je bilo uzbudljivije, međutim, bilo je da svaka mikroglija boravi u susjedstvu jedinstvenih podtipova neurona i da stanje mikroglije ovisi o lokalnom sastavu njihovih obližnjih neuronskih susjeda. Ovo sugerira da razina specifičnosti leži na razini staničnih interakcija u susjedstvu neurona i mikroglije.

Koje su neke od posljedica koje se javljaju kada komunikacija između mikroglije i njihovih neuronskih partnera pođe po zlu?

Naše istraživanje nije se bavilo učincima pogrešne komunikacije između mikroglije i njihovih neuronskih partnera. Međutim, naš signalni atlas pruža polje s obiljem polaznih točaka za prepoznavanje onoga što bi moglo poći po zlu i, što je možda još važnije, kako potencijalno možemo popraviti ili ispraviti strujne krugove kada dođe do pogrešne komunikacije između podtipova neurona i mikroglije.

Vrlo zanimljiva bilješka iz istraživanja na ljudima je da su poremećaji autističnog spektra (ASD) identificirani između neurona gornjeg sloja korteksa i mikroglije. Naš skup podataka je spreman za rudarenje kako bi se otkrili molekularni mehanizmi ovih poremećaja gornjeg sloja kod osoba s ASD-om.

Kako bi rezultati ovog novog istraživanja mogli pomoći otvoriti vrata linijama istraživanja koja mogu precizno usmjeriti komunikaciju između mikroglije i njihovih neuronskih partnera?

Kao što sam spomenuo u prethodnom pitanju, naš signalni atlas između podtipova neurona i mikroglije je riznica podataka koji čekaju da ih iskopaju stručnjaci u polju neuroimunologije. Mnogi od komunikacijskih signala su putovi koji se mogu "liječiti" ili promijeniti putem genske terapije. Uzbudljivo je vrijeme vidjeti kako ciljanje mikroglije može popraviti neurone ili neuralne krugove i na kraju možda neurološke poremećaje.

Koji su sljedeći koraci za vas i vaše istraživanje?

Prešao sam u biotehnološku tvrtku koja ima za cilj koristiti glijalne stanice kao terapiju za neurološke bolesti. Nadam se da će podaci dobiveni ovom objavljenom studijom biti odskočna daska za druge laboratorije da istraže kako generirati različita stanja mikroglije u kulturi za testiranje, analizu i terapiju. Također se nadam da može pomoći u pružanju novih uvida u mehanizme inicijacije ili napredovanja neuroloških bolesti.

Gdje čitatelji mogu pronaći više informacija?

Čitatelji mogu pronaći izvornu studiju ovdje:

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

O Jeffreyu Stogsdillu, dr.sc.

Trenutno sam viši znanstvenik u Sana Biotechnology, pokušavajući pronaći načine za korištenje glijalnih stanica kao terapije za neurološke bolesti. Za istraživanje rada o kojem se ovdje govori, radio sam kao postdoktorand u laboratoriju Paole Arlotte na Odjelu za matične stanice i regenerativnu biologiju na Sveučilištu Harvard. Opsežne bioinformatičke analize proveo je Kwanho Kim u laboratoriju Joshue Levena na Broad institutu Harvarda i MIT-a. Projekt je proveden uz financiranje NIH-a i Broad instituta MIT-a i Harvarda (putem Paole Arlotte i Joshue Levina) i uz financiranje HHMI-ja (Jeff Stogsdill).

.