Forstå hvordan mikroglia endrer tilstand for å tilpasse seg ulike områder av hjernen

Forstå hvordan mikroglia endrer tilstand for å tilpasse seg ulike områder av hjernen

TankelederJeffrey Stogsdill, Ph.D.Institutt for stamcelle- og regenerativ biologiHarvard UniversityI dette intervjuet snakker News Medical med Jeffrey Stogsdill, Ph.D., om hans siste forskning som undersøker hvordan mikroglia endrer tilstand for å tilpasse seg forskjellige områder av hjernen.

Kan du introdusere deg selv og fortelle oss om din forskningsbakgrunn og interesse, samt hvorfor du bestemte deg for å gjennomføre den siste studien din?

På publiseringstidspunktet var jeg postdoktor i laboratoriet til Dr. Paola Arlotta ved Institutt for stamcelle- og regenerativ biologi ved Harvard University. Jeg utførte utdannet arbeid ved Duke University med Dr. Cagla Eroglu, hvor jeg fikk min takknemlighet og fascinasjon for de ikke-nevronale gliacellene i sentralnervesystemet, hovedsakelig astrocytter og mikroglia.

Som doktorgradsstudent oppdaget jeg at astrocyttceller assosieres tett med nevronale synapser og til og med regulerer hvordan de kobles sammen. Jeg valgte å gjøre postdoktorale studier med Paola Arlotta fordi laboratoriet hennes var i forkant av å forstå hvordan ulike nevroncelletyper er satt sammen i hjernebarken. Jeg følte at det var store oppdagelser ved å kombinere min ekspertise innen glialbiologi med laboratoriets ekspertise på nevronalt mangfold. Sammen oppdaget vi en kommunikasjonskode mellom eksitatoriske nevroner og mikroglia i hjernebarken, regionen i hjernen som er ansvarlig for kognitive prosesser av høyere orden.

Bildekreditt: nobeastsofierce/Shutterstock

Forskere lærer i økende grad om mikroglias mange roller. Hva er disse små immuncellene og hvordan spiller de en rolle i hjernens funksjon, helse og sykdom?

Mikroglia er de lokale makrofagene i hjernen, noe som betyr at de har en immunologisk cellulær arv. Faktisk stammer de fra et område utenfor det utviklende embryoet, kalt plommesekken, hvor de reiser gjennom blodstrømmen og koloniserer hjernen, og til slutt forblir bak den stort sett celle-ugjennomtrengelige veggen kjent som blod-hjerne-barrieren.

Tidligere var mikroglia kjent for å fungere som celler som spiser hjernen og fjerner rusk fra hjernen (dvs. døde celler og opprydding etter hjerneskade). Imidlertid lærer vi nå at de gjør så mye mer, inkludert sansing og respons på nevral aktivitet. De spiller også en overordnet rolle for menneskers helse. Mange nevrologiske sykdommer er enten direkte eller indirekte knyttet til mikroglial funksjon, inkludert autismespekterforstyrrelser, Alzheimers sykdom og multippel sklerose, for å nevne noen.

Deres siste forskning tyder på at mikrogliaceller kan "lytte" til naboceller og endre deres molekylære tilstand for å matche dem. Kan du forklare hva dette betyr og hvordan dette skjer?

Av deres immunologiske natur er mikroglia celler som "lytter" og "sanser" miljøet rundt dem. De har mange små grener som hele tiden skanner omgivelsene for blant annet å finne svake synapser og skadeområder og vurdere nivået av nærliggende nevronaktivitet. Vi visste fra tidligere forskning at mikroglia fra en hjerneregion uttrykker forskjellige cellereseptorer (dvs. molekylene som er involvert i hørselen) enn andre hjerneregioner, men det var uklart hvordan dette ble oversatt på lokalt nivå til en individuell mikroglia.

Vi fant at innenfor en enkelt hjerneregion (lagene i hjernebarken), som huser mange forskjellige typer eksitatoriske nevroner, kan de lokalt kontrollere mikroglia på to viktige måter: 1) forskjellige nevron-subtyper lokalt rekrutterer forskjellige antall mikroglia til sitt område, og 2) de "tuner" transkripsjonsprofilene til en lokal mikroglia, noe som gjør at en lokal mikroglia gir riktig lyd. Dette siste punktet er ganske viktig fordi det antyder at forskjellige nevroner involvert i forskjellige hjerneaktiviteter tilpasser den cellulære profilen til lokale mikroglia til behovene til deres kretsløp.

Vi postulerer at dette delvis utføres av forskjellige signalmolekyler uttrykt av forskjellige klasser av eksitatoriske nevroner. Vi fant disse ved å profilere uttrykket av alle signalmolekyler i nevroner og korrelere dette uttrykksatlaset med alle signalmolekyler i forskjellige tilstander (eller melodier, tilbake til musikkanalogien) av mikroglia. Vi ble overrasket over å se nivået av spesifisitet i signalering mellom disse store underavdelingene av celler.

Studien deres ble utført ved bruk av genetiske profileringsmetoder for å undersøke mikrogliaene i de forskjellige lagene. Kan du utdype hvordan du utførte forskningen din og hvilken innsikt du fikk?

Vi nærmet oss dette spørsmålet på to måter ved å profilere musemikroglia, som er en god, men ikke en perfekt korrelasjon av den menneskelige hjernen. I den første tilnærmingen fjernet vi cortex og mikrodisserte deretter lagene av cortex forsiktig. Vi ekstraherte deretter alle mikroglia og profilerte dem ved hjelp av et kraftig verktøy kalt encellet RNA-sekvensering. Denne metoden lar forskere se RNA-ekspresjonsprofilen (med andre ord repertoaret av uttrykte gener) til hver enkelt celle isolert fra andre celler.

Genetikk og genomikk eBok

Sammenstilling av de beste intervjuene, artikler og nyheter fra det siste året.

Last ned en kopi i dag

Først fant vi ut at alle celler fra alle lagene vi ekstraherte var mikroglia gjennom ekspresjon av gener som er unike og spesifikke for mikroglia. Men vi fant da at over det basale laget av identitet eksisterte det et sekundært lag med genuttrykk som korrelerte med laget som mikrogliaene ble mikrodissekert fra. Dette ga oss "gensignaturen" til hver lag-anriket mikroglialtilstand, eller den matchede tilstanden til mikroglia fra hvert lag. Det er viktig å merke seg at hvert lag av cortex huser en annen undergruppe av eksitatoriske nevroner. Dermed var vi i stand til å korrelere nevronundertype (for lag) med mikroglial tilstand (for lag).

Den andre tilnærmingen brukte et enda kraftigere profileringsverktøy som tillot oss å se på transkripsjonsuttrykket til alle celler (nevroner, mikroglia, andre glia, etc.) i den intakte hjernen uten å måtte mikrodissisere den. Denne tilnærmingen, kalt Multiplex Error-Robust Fluorescence In Situ Hybridization (eller MERFISH for kort), ble brukt på musehjernen ved å bruke gensignaturene vi fant i vårt første profileringseksperiment beskrevet ovenfor. Ved hjelp av denne metoden var vi i stand til å kartlegge den nøyaktige plasseringen av hver mikroglia og eksitatorisk nevron i tre dimensjoner med ekstraordinær presisjon.

Med dette kartet i hånden fant vi ut at mikrogliale tilstander eksisterer i lag, slik vi tidligere hadde funnet. Det som imidlertid var mer spennende, var at hver mikroglia ligger i et nabolag med unike nevronundertyper og at tilstanden til mikroglia avhenger av den lokale sammensetningen til deres nærliggende nevronnaboer. Dette antyder at nivået av spesifisitet ligger på nivået av cellulære interaksjoner i nevron-mikroglia-nabolag.

Hva er noen av konsekvensene som oppstår når kommunikasjonen mellom mikroglia og deres nevronpartnere går galt?

Vår forskning tok ikke for seg effekten av feilkommunikasjon mellom mikroglia og deres nevronale partnere. Signalatlaset vårt gir imidlertid feltet et vell av utgangspunkt for å identifisere hva som kan gå galt, og kanskje enda viktigere, hvordan vi potensielt kan reparere eller korrigere kretsløp når feilkommunikasjon oppstår mellom nevronale subtyper og mikroglia.

Et veldig interessant notat fra menneskelig forskning er at autismespektrumforstyrrelser (ASD) har blitt identifisert mellom nevroner i det øvre laget av cortex og mikroglia. Datasettet vårt er forberedt for å bli utvunnet for å avdekke de molekylære mekanismene til disse øvre laglidelsene hos personer med ASD.

Hvordan kan resultatene av denne nye forskningen bidra til å åpne døren til forskningslinjer som kan målrette nøyaktig kommunikasjonen mellom mikroglia og deres nevronpartnere?

Som jeg nevnte i forrige spørsmål, er signalatlaset vårt mellom nevronundertyper og mikroglia en skattekiste av data som venter på å bli utvunnet av eksperter innen nevroimmunologi. Mange av kommunikasjonssignalene er veier som kan "medisineres" eller endres gjennom genterapi. Det er en spennende tid å se hvordan målretting av mikroglia kan reparere nevroner eller nevrale kretsløp og til slutt kanskje nevrologiske lidelser.

Hva er de neste trinnene for deg og din forskning?

Jeg flyttet til et bioteknologiselskap som har som mål å bruke gliaceller som terapi for nevrologiske sykdommer. Jeg håper at dataene generert fra denne publiserte studien vil være et springbrett for andre laboratorier for å utforske hvordan man kan generere forskjellige mikrogliale tilstander i kultur for testing, analyse og terapi. Jeg håper også at det kan bidra til å gi ny innsikt i mekanismer for nevrologisk sykdomsinitiering eller progresjon.

Hvor kan leserne finne mer informasjon?

Lesere kan finne den originale studien her:

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

Om Jeffrey Stogsdill, Ph.D.

Jeg er for tiden seniorforsker ved Sana Bioteknologi, og prøver å finne måter å bruke gliaceller som terapi for nevrologiske sykdommer. For forskningen på papiret som er diskutert her, jobbet jeg som postdoktor i Paola Arlottas laboratorium ved Institutt for stamcelle- og regenerativ biologi ved Harvard University. Omfattende bioinformatikkanalyser ble utført av Kwanho Kim i laboratoriet til Joshua Leven ved Broad Institute of Harvard og MIT. Prosjektet ble gjennomført med finansiering fra NIH og Broad Institute of MIT og Harvard (gjennom Paola Arlotta og Joshua Levin) og med finansiering fra HHMI (Jeff Stogsdill).

.