Zrozumienie, w jaki sposób mikroglej zmienia stan, aby dostosować się do różnych obszarów mózgu

Zrozumienie, w jaki sposób mikroglej zmienia stan, aby dostosować się do różnych obszarów mózgu

Lider myśliDoktor Jeffrey StogsdillInstytut Komórek Macierzystych i Biologii RegeneracyjnejUniwersytet HarvardaW tym wywiadzie magazyn News Medical rozmawia z doktorem Jeffreyem Stogsdillem na temat jego najnowszych badań mających na celu sprawdzenie, w jaki sposób mikroglej zmienia stan, aby dostosować się do różnych obszarów mózgu.

Czy mógłbyś się przedstawić i opowiedzieć nam o swoim doświadczeniu badawczym i zainteresowaniach, a także o tym, dlaczego zdecydowałeś się przeprowadzić ostatnie badanie?

W momencie publikacji byłem postdoktorem w laboratorium dr Paoli Arlotty na Wydziale Komórek Macierzystych i Biologii Regeneracyjnej na Uniwersytecie Harvarda. Swoją pracę dyplomową ukończyłam na Duke University pod kierunkiem dr Cagla Eroglu, gdzie zyskałam uznanie i fascynację nieneuronalnymi komórkami glejowymi centralnego układu nerwowego, głównie astrocytami i mikroglejem.

Jako student odkryłem, że komórki astrocytów ściśle łączą się z synapsami neuronalnymi, a nawet regulują sposób ich łączenia. Zdecydowałem się na studia podoktorskie z Paolą Arlottą, ponieważ jej laboratorium przodowało w zrozumieniu, w jaki sposób różne typy komórek neuronowych są gromadzone w korze mózgowej. Poczułem, że udało mi się dokonać poważnych odkryć, łącząc moją wiedzę z zakresu biologii glejów z doświadczeniem laboratorium w zakresie różnorodności neuronów. Wspólnie odkryliśmy kod komunikacyjny między neuronami pobudzającymi a mikroglejem w korze mózgowej – obszarze mózgu odpowiedzialnym za procesy poznawcze wyższego rzędu.

Źródło zdjęcia: nobeastsofierce/Shutterstock

Naukowcy coraz częściej dowiadują się o wielu rolach mikrogleju. Czym są te maleńkie komórki odpornościowe i jaką rolę odgrywają w funkcjonowaniu mózgu, zdrowiu i chorobie?

Mikroglej to lokalne makrofagi mózgu, co oznacza, że ​​mają immunologiczne dziedzictwo komórkowe. W rzeczywistości pochodzą z obszaru znajdującego się na zewnątrz rozwijającego się zarodka, zwanego woreczkiem żółtkowym, gdzie wędrują przez krwioobieg i kolonizują mózg, ostatecznie pozostając za w dużej mierze nieprzepuszczalną dla komórek ścianą znaną jako bariera krew-mózg.

W przeszłości wiadomo było, że mikroglej funkcjonuje jako komórki zjadające mózg i usuwające z niego resztki (tj. martwe komórki i pozostałości po uszkodzeniu mózgu). Jednak teraz dowiadujemy się, że robią o wiele więcej, w tym wyczuwają aktywność neuronową i reagują na nią. Odgrywają również ogromną rolę w zdrowiu człowieka. Wiele chorób neurologicznych jest bezpośrednio lub pośrednio powiązanych z funkcjonowaniem mikrogleju, w tym zaburzenia ze spektrum autyzmu, choroba Alzheimera i stwardnienie rozsiane, żeby wymienić tylko kilka.

Ich najnowsze badania sugerują, że komórki mikrogleju potrafią „słuchać” sąsiadujących neuronów i zmieniać swój stan molekularny, aby do nich dopasować. Czy możesz wyjaśnić, co to oznacza i jak to się dzieje?

Ze względu na swoją naturę immunologiczną mikroglej jest komórką, która „słucha” i „wyczuwa” otaczające je środowisko. Mają wiele małych gałęzi, które stale skanują otoczenie, aby między innymi znaleźć słabe synapsy i obszary uszkodzeń oraz ocenić poziom aktywności neuronów w pobliżu. Z poprzednich badań wiedzieliśmy, że mikroglej z jednego obszaru mózgu wyraża inne receptory komórkowe (tj. cząsteczki biorące udział w słyszeniu) niż inne obszary mózgu, ale nie było jasne, jak to przekłada się na poziom lokalny pojedynczego mikrogleju.

Odkryliśmy, że w pojedynczym obszarze mózgu (warstwach kory mózgowej), w którym mieści się wiele różnych typów neuronów pobudzających, mogą one lokalnie kontrolować mikroglej na dwa ważne sposoby: 1) różne podtypy neuronów lokalnie rekrutują różną liczbę mikrogleju do swojego obszaru oraz 2) „dostrajają” profile transkrypcji lokalnego mikrogleju, podobnie jak muzyk strojący instrument, aby wydobyć odpowiedni dźwięk. Ten ostatni punkt jest dość ważny, ponieważ sugeruje, że różne neurony zaangażowane w różne czynności mózgu dostosowują profil komórkowy lokalnego mikrogleju do potrzeb swoich obwodów.

Postulujemy, że jest to częściowo realizowane przez różne cząsteczki sygnalizacyjne wyrażane przez różne klasy neuronów pobudzających. Znaleźliśmy je poprzez profilowanie ekspresji wszystkich cząsteczek sygnalizacyjnych w neuronach i korelowanie tego atlasu ekspresji ze wszystkimi cząsteczkami sygnalizacyjnymi w różnych stanach (lub melodiach, wracając do analogii muzycznej) mikrogleju. Byliśmy zdumieni poziomem specyficzności sygnalizacji pomiędzy tymi głównymi podziałami komórek.

Badania przeprowadzono przy użyciu metod profilowania genetycznego w celu zbadania mikrogleju w różnych warstwach. Czy możesz opisać, w jaki sposób przeprowadziłeś badania i jakie wnioski uzyskałeś?

Podeszliśmy do tego pytania na dwa sposoby, profilując mysi mikroglej, który jest dobrym, choć nie idealnym, korelatem ludzkiego mózgu. W pierwszym podejściu usunęliśmy korę, a następnie dokładnie dokonaliśmy mikrodysekcji warstw kory. Następnie wyodrębniliśmy cały mikroglej i profilowaliśmy go za pomocą potężnego narzędzia zwanego sekwencjonowaniem jednokomórkowego RNA. Metoda ta umożliwia badaczom obejrzenie profilu ekspresji RNA (innymi słowy repertuaru genów ulegających ekspresji) każdej pojedynczej komórki w izolacji od innych komórek.

E-book Genetyka i genomika

Zestawienie najważniejszych wywiadów, artykułów i aktualności z ostatniego roku.

Pobierz kopię już dziś

Po pierwsze, odkryliśmy, że wszystkie komórki ze wszystkich wyekstrahowanych przez nas warstw były mikroglejem poprzez ekspresję genów unikalnych i specyficznych dla mikrogleju. Ale potem odkryliśmy, że nad podstawową warstwą tożsamości istniała wtórna warstwa ekspresji genów, która była skorelowana z warstwą, z której mikroglej został wycięty. Dało nam to „sygnaturę genową” każdego stanu mikrogleju wzbogaconego w warstwy lub dopasowany stan mikrogleju z każdej warstwy. Należy zauważyć, że w każdej warstwie kory znajduje się inny podzbiór neuronów pobudzających. W ten sposób byliśmy w stanie powiązać podtyp neuronu (wg warstwy) ze stanem mikrogleju (wg warstwy).

W drugim podejściu wykorzystano jeszcze potężniejsze narzędzie do profilowania, które pozwoliło nam przyjrzeć się ekspresji transkrypcyjnej wszystkich komórek (neuronów, mikrogleju, innych glejów itp.) w nienaruszonym mózgu bez konieczności jego mikrodysekcji. Podejście to, zwane hybrydyzacją multipleksową odporną na błędy fluorescencji in situ (w skrócie MERFISH), zastosowano do mózgu myszy przy użyciu sygnatur genowych, które znaleźliśmy w naszym pierwszym eksperymencie profilowania opisanym powyżej. Dzięki tej metodzie byliśmy w stanie z niezwykłą precyzją zmapować dokładną lokalizację każdego mikrogleju i neuronu pobudzającego w trzech wymiarach.

Mając tę ​​mapę w ręku, odkryliśmy, że stany mikrogleju istnieją warstwowo, jak odkryliśmy wcześniej. Bardziej ekscytujące było jednak to, że każdy mikroglej znajduje się w sąsiedztwie unikalnych podtypów neuronów i że stan mikrogleju zależy od lokalnego składu sąsiadujących neuronów. Sugeruje to, że poziom specyficzności leży na poziomie interakcji komórkowych w sąsiedztwie neuronów i mikrogleju.

Jakie są konsekwencje nieprawidłowej komunikacji między mikroglejem a jego neuronami?

Nasze badania nie dotyczyły skutków nieporozumień między mikroglejem a jego neuronalnymi partnerami. Jednakże nasz atlas sygnalizacji zapewnia w tej dziedzinie mnóstwo punktów wyjścia do identyfikacji tego, co może pójść nie tak i, co być może ważniejsze, w jaki sposób możemy potencjalnie naprawić lub skorygować obwody, gdy wystąpi nieporozumienie między podtypami neuronów a mikroglejem.

Bardzo interesującą notatką z badań na ludziach jest to, że zaburzenia ze spektrum autyzmu (ASD) zidentyfikowano pomiędzy neuronami górnej warstwy kory mózgowej a mikroglejem. Nasz zbiór danych jest przygotowany do eksploracji w celu odkrycia mechanizmów molekularnych tych zaburzeń górnej warstwy u osób z ASD.

W jaki sposób wyniki tych nowych badań mogą pomóc otworzyć drzwi do kierunków badań, które mogą precyzyjnie ukierunkować komunikację między mikroglejem a jego neuronami?

Jak wspomniałem w poprzednim pytaniu, nasz atlas sygnalizacji między podtypami neuronów a mikroglejem jest skarbnicą danych czekających na eksplorację przez ekspertów w dziedzinie neuroimmunologii. Wiele sygnałów komunikacyjnych to ścieżki, które można „leczyć” lub zmieniać za pomocą terapii genowej. To ekscytujący czas, aby zobaczyć, jak celowanie w mikroglej może naprawić neurony lub obwody nerwowe, a ostatecznie być może zaburzenia neurologiczne.

Jakie są kolejne kroki dla Ciebie i Twoich badań?

Przeniosłem się do firmy biotechnologicznej, której celem jest wykorzystanie komórek glejowych w terapii chorób neurologicznych. Mam nadzieję, że dane wygenerowane w wyniku tego opublikowanego badania będą odskocznią dla innych laboratoriów do zbadania, w jaki sposób generować różne stany mikrogleju w hodowli na potrzeby testów, analiz i terapii. Mam również nadzieję, że może pomóc w uzyskaniu nowego wglądu w mechanizmy inicjacji i postępu chorób neurologicznych.

Gdzie czytelnicy mogą znaleźć więcej informacji?

Czytelnicy mogą znaleźć oryginalne badanie tutaj:

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

O dr Jeffreyu Stogsdillu

Obecnie jestem starszym naukowcem w Sana Biotechnology i próbuję znaleźć sposoby wykorzystania komórek glejowych w terapii chorób neurologicznych. W ramach badań nad omawianą tutaj pracą pracowałam jako postdoktor w laboratorium Paoli Arlotty na Wydziale Komórek Macierzystych i Biologii Regeneracyjnej na Uniwersytecie Harvarda. Obszerne analizy bioinformatyczne przeprowadził Kwanho Kim w laboratorium Joshuy Levena w Broad Institute of Harvard i MIT. Projekt został zrealizowany dzięki funduszom NIH i Broad Institute of MIT i Harvard (poprzez Paolę Arlottę i Joshuę Levina) oraz dzięki funduszom HHMI (Jeff Stogsdill).

.