Izpratne par to, kā mikroglija maina stāvokli, lai pielāgotos dažādām smadzeņu zonām

Izpratne par to, kā mikroglija maina stāvokli, lai pielāgotos dažādām smadzeņu zonām

Domu vadītājsDžefrijs Stogsdils, Ph.D.Cilmes šūnu un reģeneratīvās bioloģijas institūtsHārvardas universitāteŠajā intervijā News Medical runā ar Ph.D. Džefriju Stogsdilu par viņa jaunākajiem pētījumiem, kas pēta, kā mikroglija maina stāvokli, lai pielāgotos dažādām smadzeņu zonām.

Vai varat, lūdzu, iepazīstināt ar sevi un pastāstīt par savu zinātnisko pieredzi un interesēm, kā arī par to, kāpēc nolēmāt veikt savu jaunāko pētījumu?

Publicēšanas laikā es biju pēcdoktors Dr. Paolas Arlotas laboratorijā Hārvardas Universitātes Cilmes šūnu un reģeneratīvās bioloģijas katedrā. Es pabeidzu savu absolvēšanas darbu Djūka universitātē pie Dr. Cagla Eroglu, kur es ieguvu atzinību un aizraušanos ar centrālās nervu sistēmas neneironālajām glia šūnām, galvenokārt astrocītiem un mikrogliju.

Būdams maģistrants, es atklāju, ka astrocītu šūnas cieši saistās ar neironu sinapsēm un pat regulē to, kā tās savienojas. Es izvēlējos veikt pēcdoktorantūras studijas ar Paolu Arlottu, jo viņas laboratorija bija priekšplānā, lai izprastu, kā smadzeņu garozā tiek apkopoti dažādi neironu šūnu veidi. Es jutu, ka ir bijuši lieli atklājumi, apvienojot savas zināšanas glial bioloģijā ar laboratorijas pieredzi neironu daudzveidībā. Kopā mēs atklājām saziņas kodu starp ierosinošiem neironiem un mikrogliju smadzeņu garozā, smadzeņu reģionā, kas ir atbildīgs par augstākas pakāpes kognitīviem procesiem.

Fotoattēlu kredīts: nobeastsofierce/Shutterstock

Pētnieki arvien vairāk uzzina par daudzajām mikroglia lomām. Kas ir šīs mazās imūnās šūnas un kā tās ietekmē smadzeņu darbību, veselību un slimības?

Mikroglijas ir smadzeņu vietējie makrofāgi, kas nozīmē, ka tiem ir imunoloģisks šūnu mantojums. Faktiski to izcelsme ir ārpus jaunattīstības embrija, ko sauc par dzeltenuma maisiņu, kur tie pārvietojas pa asinsriti un kolonizē smadzenes, galu galā paliekot aiz lielākoties šūnu necaurlaidīgās sienas, kas pazīstama kā asins-smadzeņu barjera.

Agrāk bija zināms, ka mikroglia darbojas kā šūnas, kas ēd smadzenes un no smadzenēm noņem gružus (t.i., atmirušās šūnas un sakopšanu pēc smadzeņu bojājumiem). Tomēr tagad mēs mācāmies, ka viņi dara daudz vairāk, tostarp uztver nervu darbību un reaģē uz to. Viņiem ir arī liela nozīme cilvēku veselībā. Daudzas neiroloģiskās slimības ir tieši vai netieši saistītas ar mikroglia funkciju, tostarp autisma spektra traucējumiem, Alcheimera slimību un multiplo sklerozi.

Viņu jaunākie pētījumi liecina, ka mikroglia šūnas var “klausīties” blakus esošos neironus un mainīt to molekulāro stāvokli, lai tie atbilstu tiem. Vai varat paskaidrot, ko tas nozīmē un kā tas notiek?

Pēc savas imunoloģiskās būtības mikroglijas ir šūnas, kas “klausās” un “jūt” apkārtējo vidi. Viņiem ir daudz mazu zaru, kas pastāvīgi skenē apkārtni, lai cita starpā atrastu vājas sinapses un bojājumu vietas un novērtētu blakus esošās neironu aktivitātes līmeni. No iepriekšējiem pētījumiem mēs zinājām, ka viena smadzeņu reģiona mikroglija ekspresē dažādus šūnu receptorus (t.i., dzirdē iesaistītās molekulas) nekā citi smadzeņu reģioni, taču nebija skaidrs, kā tas izpaužas atsevišķas mikroglijas vietējā līmenī.

Mēs noskaidrojām, ka vienā smadzeņu reģionā (smadzeņu garozas slāņos), kurā atrodas daudz dažādu veidu ierosinošie neironi, tie var lokāli kontrolēt mikrogliju divos svarīgos veidos: 1) dažādi neironu apakštipi lokāli piesaista dažādu skaitu mikrogliju savā apgabalā, un 2) tie “noskaņo” lokālas mikroglijas transkripcijas profilus, lai mūzikas instruments būtu līdzīgs skaņai. Šis pēdējais punkts ir diezgan svarīgs, jo tas liek domāt, ka dažādi neironi, kas iesaistīti dažādās smadzeņu aktivitātēs, pielāgo vietējās mikroglijas šūnu profilu to ķēžu vajadzībām.

Mēs postulējam, ka to daļēji veic dažādas signalizācijas molekulas, ko ekspresē dažādas uzbudinošo neironu klases. Mēs tos atradām, profilējot visu signalizācijas molekulu ekspresiju neironos un korelējot šo izteiksmes atlantu ar visām signālmolekulām dažādos mikroglijas stāvokļos (vai melodijās, atpakaļ uz mūzikas analoģiju). Mēs bijām pārsteigti, redzot signalizācijas specifikas līmeni starp šīm galvenajām šūnu apakšnodaļām.

Viņu pētījums tika veikts, izmantojot ģenētiskās profilēšanas metodes, lai pārbaudītu mikrogliju dažādos slāņos. Vai varat sīkāk pastāstīt, kā veicāt pētījumu un kādas atziņas guvāt?

Mēs šim jautājumam pievērsāmies divos veidos, profilējot peles mikrogliju, kas ir laba, kaut arī ne ideāla cilvēka smadzeņu korelācija. Pirmajā pieejā mēs noņēmām garozu un pēc tam rūpīgi mikroizgriezām garozas slāņus. Pēc tam mēs ekstrahējām visas mikroglijas un profilējām tās, izmantojot spēcīgu rīku, ko sauc par vienas šūnas RNS sekvencēšanu. Šī metode ļauj pētniekiem apskatīt katras atsevišķas šūnas RNS ekspresijas profilu (citiem vārdiem sakot, izteikto gēnu repertuāru) atsevišķi no citām šūnām.

Ģenētika un genomika e-grāmata

Pagājušā gada populārāko interviju, rakstu un ziņu apkopojums.

Lejupielādējiet kopiju šodien

Pirmkārt, mēs noskaidrojām, ka visas šūnas no visiem mūsu ekstrahētajiem slāņiem bija mikroglijas, ekspresējot unikālus un mikroglijai raksturīgus gēnus. Bet pēc tam mēs atklājām, ka virs identitātes pamata slāņa pastāvēja sekundārais gēnu ekspresijas slānis, kas korelēja ar slāni, no kura mikroglija tika mikrodissektēta. Tas mums deva katra slāņa bagātinātā mikroglia stāvokļa “gēna parakstu” vai atbilstošo mikroglia stāvokli no katra slāņa. Ir svarīgi atzīmēt, ka katrā garozas slānī ir atšķirīga ierosinošo neironu apakškopa. Tādējādi mēs varējām korelēt neironu apakštipu (pēc slāņa) ar mikroglia statusu (pēc slāņa).

Otrajā pieejā tika izmantots vēl jaudīgāks profilēšanas rīks, kas ļāva mums izpētīt visu šūnu (neironu, mikrogliju, citu gliju utt.) transkripcijas ekspresiju neskartās smadzenēs, neveicot to mikrodissekciju. Šī pieeja, ko sauc par Multiplex Error-Robust Fluorescence In Situ hibridizāciju (vai saīsināti MERFISH), tika piemērota peles smadzenēm, izmantojot gēnu parakstus, ko atradām mūsu pirmajā iepriekš aprakstītajā profilēšanas eksperimentā. Izmantojot šo metodi, mēs varējām kartēt precīzu katra mikroglia un ierosinošā neirona atrašanās vietu trīs dimensijās ar neparastu precizitāti.

Izmantojot šo karti, mēs noskaidrojām, ka mikroglia stāvokļi pastāv slāņos, kā mēs iepriekš bijām konstatējuši. Tomēr aizraujošāks bija tas, ka katra mikroglija atrodas unikālu neironu apakštipu tuvumā un ka mikroglijas stāvoklis ir atkarīgs no to blakus esošo neironu kaimiņu lokālā sastāva. Tas liek domāt, ka specifiskuma līmenis ir šūnu mijiedarbības līmenī neironu-mikrogliju apkaimēs.

Kādas ir sekas, kas rodas, ja saziņa starp mikrogliju un viņu neironu partneriem notiek nepareizi?

Mūsu pētījums neaptvēra nepareizas komunikācijas sekas starp mikrogliju un viņu neironu partneriem. Tomēr mūsu signalizācijas atlants nodrošina laukā daudzus sākumpunktus, lai noteiktu, kas varētu noiet greizi, un, iespējams, vēl svarīgāk, kā mēs varētu potenciāli salabot vai labot ķēdes, ja starp neironu apakštipiem un mikrogliju rodas nepareiza saziņa.

Ļoti interesanta piezīme no cilvēku pētījumiem ir tāda, ka starp garozas augšējā slāņa neironiem un mikrogliju ir identificēti autisma spektra traucējumi (ASD). Mūsu datu kopa ir sagatavota ieguvei, lai atklātu šo augšējā slāņa traucējumu molekulāros mehānismus cilvēkiem ar ASD.

Kā šī jaunā pētījuma rezultāti varētu palīdzēt atvērt durvis uz pētījumu līnijām, kas var precīzi mērķēt uz saziņu starp mikrogliju un viņu neironu partneriem?

Kā jau minēju iepriekšējā jautājumā, mūsu signalizācijas atlants starp neironu apakštipiem un mikrogliju ir datu dārgums, ko gaida neiroimunoloģijas jomas eksperti. Daudzi saziņas signāli ir ceļi, kurus var "ārstēt" vai mainīt, izmantojot gēnu terapiju. Šis ir aizraujošs laiks, lai redzētu, kā mērķēšana uz mikrogliju var labot neironus vai neironu ķēdes un galu galā, iespējams, neiroloģiskus traucējumus.

Kādi ir jūsu un jūsu pētījuma nākamie soļi?

Es pārcēlos uz biotehnoloģiju uzņēmumu, kura mērķis ir izmantot glia šūnas kā neiroloģisko slimību terapiju. Es ceru, ka dati, kas iegūti no šī publicētā pētījuma, būs tramplīns citām laboratorijām, lai izpētītu, kā kultūrā radīt dažādus mikroglia stāvokļus testēšanai, analīzei un terapijai. Es arī ceru, ka tas var palīdzēt sniegt jaunu ieskatu neiroloģisko slimību ierosināšanas vai progresēšanas mehānismos.

Kur lasītāji var atrast vairāk informācijas?

Pētījuma oriģinālu lasītāji var atrast šeit:

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

Par Džefriju Stogsdilu, Ph.D.

Pašlaik esmu Sana Biotechnology vecākais zinātnieks, mēģinot atrast veidus, kā izmantot glia šūnas kā neiroloģisko slimību terapiju. Lai veiktu pētījumu par šeit apspriesto papīru, es strādāju par pēcdoktoru Paolas Arlotas laboratorijā Hārvardas universitātes Cilmes šūnu un reģeneratīvās bioloģijas katedrā. Plašas bioinformātikas analīzes veica Kwanho Kim Džošua Levena laboratorijā Hārvardas un MIT Plašajā institūtā. Projekts tika veikts ar finansējumu no NIH un MIT un Hārvardas Plašā institūta (caur Paola Arlotta un Joshua Levin) un ar finansējumu no HHMI (Jeff Stogsdill).

.