Înțelegerea modului în care microglia își schimbă starea pentru a se adapta la diferite zone ale creierului

Înțelegerea modului în care microglia își schimbă starea pentru a se adapta la diferite zone ale creierului

Lider de gândireJeffrey Stogsdill, Ph.D.Institutul pentru Celule Stem și Biologie RegenerativăUniversitatea HarvardÎn acest interviu, News Medical vorbește cu Jeffrey Stogsdill, Ph.D., despre cele mai recente cercetări ale sale care examinează modul în care microglia își schimbă starea pentru a se adapta la diferite zone ale creierului.

Vă rugăm să vă prezentați și să ne spuneți despre antecedentele și interesele dvs. de cercetare, precum și de ce v-ați decis să efectuați cel mai recent studiu?

La momentul publicării, eram postdoc în laboratorul dr. Paola Arlotta în cadrul Departamentului de Celule Stem și Biologie Regenerativă de la Universitatea Harvard. Mi-am făcut munca de absolvent la Universitatea Duke cu Dr. Cagla Eroglu, unde mi-am câștigat aprecierea și fascinația pentru celulele gliale non-neuronale ale sistemului nervos central, în principal astrocite și microglia.

Ca student absolvent, am descoperit că celulele astrocitelor se asociază strâns cu sinapsele neuronale și chiar reglează modul în care se conectează. Am ales să fac studii postdoctorale cu Paola Arlotta, deoarece laboratorul ei a fost în fruntea înțelegerii modului în care diferite tipuri de celule neuronale sunt asamblate în cortexul cerebral. Am simțit că au fost descoperiri majore prin combinarea experienței mele în biologia glială cu expertiza laboratorului în diversitatea neuronală. Împreună, am descoperit un cod de comunicare între neuronii excitatori și microglia din cortexul cerebral, regiunea creierului responsabilă pentru procesele cognitive de ordin superior.

Credit foto: nobeastsofierce/Shutterstock

Cercetătorii învață din ce în ce mai mult despre numeroasele roluri ale microgliei. Ce sunt aceste celule imunitare minuscule și cum joacă ele un rol în funcționarea creierului, sănătatea și boala?

Microglia sunt macrofagele locale ale creierului, ceea ce înseamnă că au o moștenire celulară imunologică. De fapt, ei provin dintr-o regiune din afara embrionului în curs de dezvoltare, numită sacul vitelin, unde călătoresc prin fluxul sanguin și colonizează creierul, rămânând în cele din urmă în spatele peretelui în mare parte impermeabil la celule cunoscut sub numele de bariera hemato-encefalică.

În trecut, se știa că microglia funcționează ca celule care mănâncă creierul și elimină resturile din creier (adică, celulele moarte și curățarea după leziuni ale creierului). Cu toate acestea, acum învățăm că fac mult mai mult, inclusiv să detecteze și să răspundă la activitatea neuronală. Ele joacă, de asemenea, un rol extraordinar în sănătatea umană. Multe boli neurologice sunt legate fie direct, fie indirect de funcția microglială, inclusiv tulburările din spectrul autismului, boala Alzheimer și scleroza multiplă, pentru a numi câteva.

Cele mai recente cercetări sugerează că celulele microglia pot „asculta” neuronii învecinați și își pot schimba starea moleculară pentru a le potrivi. Puteți explica ce înseamnă acest lucru și cum se întâmplă acest lucru?

Prin natura lor imunologică, microglia sunt celule care „ascultă” și „simtesc” mediul din jurul lor. Au multe ramuri mici care scanează în mod constant împrejurimile lor, printre altele, pentru a găsi sinapse slabe și zone de deteriorare și pentru a evalua nivelul activității neuronale din apropiere. Știam din cercetările anterioare că microglia dintr-o regiune a creierului exprimă diferiți receptori celulari (adică moleculele implicate în auz) decât alte regiuni ale creierului, dar nu era clar cum se traduce acest lucru la nivel local al unei microglie individuale.

Am descoperit că într-o singură regiune a creierului (straturile cortexului cerebral), care găzduiește multe tipuri diferite de neuroni excitatori, aceștia pot controla local microglia în două moduri importante: 1) diferite subtipuri de neuroni recrutează local un număr diferit de microglie în zona lor și 2) „ajustează” profilurile de transcripție ale microgliei locale, la fel ca un muzician care face ca un muzician să sune corect. Acest ultim punct este destul de important deoarece sugerează că diferiți neuroni implicați în diferite activități ale creierului adaptează profilul celular al microgliei locale la nevoile circuitelor lor.

Noi postulăm că acest lucru este realizat în parte de diferite molecule de semnalizare exprimate de diferite clase de neuroni excitatori. Le-am găsit prin profilarea expresiei tuturor moleculelor de semnalizare în neuroni și corelând acest atlas de expresie cu toate moleculele de semnalizare în diferite stări (sau melodii, înapoi la analogia muzicală) ale microgliei. Am fost uimiți să vedem nivelul de specificitate în semnalizare între aceste subdiviziuni majore de celule.

Studiul lor a fost efectuat folosind metode de profilare genetică pentru a examina microglia din diferitele straturi. Puteți detalia modul în care v-ați condus cercetarea și ce perspective ați obținut?

Am abordat această întrebare în două moduri, profilând microglia de șoarece, care este o corelație bună, deși nu perfectă, a creierului uman. În prima abordare, am îndepărtat cortexul și apoi am microdisecat cu atenție straturile cortexului. Apoi am extras toate microgliile și le-am profilat folosind un instrument puternic numit secvențierea ARN unicelular. Această metodă permite cercetătorilor să vadă profilul expresiei ARN (cu alte cuvinte, repertoriul genelor exprimate) al fiecărei celule individuale, izolat de alte celule.

Carte electronică Genetică și Genomică

Compilare a celor mai bune interviuri, articole și știri din ultimul an.

Descărcați o copie astăzi

În primul rând, am constatat că toate celulele din toate straturile pe care le-am extras au fost microglie prin expresia genelor unice și specifice microgliei. Dar apoi am descoperit că deasupra stratului bazal de identitate a existat un strat secundar de expresie a genelor care s-a corelat cu stratul din care microglia au fost microdisecate. Acest lucru ne-a oferit „semnătura genei” a fiecărei stări microgliale îmbogățite cu strat, sau starea potrivită a microgliei din fiecare strat. Este important de reținut că fiecare strat al cortexului găzduiește un subset diferit de neuroni excitatori. Astfel, am putut corela subtipul neuronului (pe strat) cu starea microglială (pe strat).

A doua abordare a folosit un instrument de profilare și mai puternic, care ne-a permis să analizăm expresia transcripțională a tuturor celulelor (neuroni, microglii, alte gliale etc.) din creierul intact, fără a fi nevoie să-l microdisecăm. Această abordare, numită hibridizare in situ cu fluorescență robustă cu erori multiple (sau MERFISH pe scurt), a fost aplicată creierului șoarecelui folosind semnăturile genelor pe care le-am găsit în primul nostru experiment de profilare descris mai sus. Folosind această metodă, am putut să cartografiam locația exactă a fiecărei microglie și neuron excitator în trei dimensiuni, cu o precizie extraordinară.

Cu această hartă în mână, am descoperit că stările microgliale există în straturi, așa cum am descoperit anterior. Ceea ce a fost mai interesant, totuși, a fost faptul că fiecare microglia se află într-o zonă de subtipuri unice de neuroni și că starea microgliei depinde de compoziția locală a vecinilor lor neuroni din apropiere. Acest lucru sugerează că nivelul de specificitate se află la nivelul interacțiunilor celulare din cartierele neuron-microglia.

Care sunt câteva dintre consecințele care apar atunci când comunicarea dintre microglia și partenerii lor neuroni nu merge bine?

Cercetarea noastră nu a abordat efectele comunicării greșite dintre microglia și partenerii lor neuronali. Cu toate acestea, atlasul nostru de semnalizare oferă câmpului o mulțime de puncte de plecare pentru a identifica ce ar putea merge prost și, poate mai important, cum am putea repara sau corecta circuitele atunci când apare o comunicare greșită între subtipurile neuronale și microglia.

O notă foarte interesantă din cercetările umane este că tulburările din spectrul autismului (ASD) au fost identificate între neuronii stratului superior al cortexului și microglia. Setul nostru de date este pregătit pentru a fi extras pentru a descoperi mecanismele moleculare ale acestor tulburări ale stratului superior la persoanele cu ASD.

Cum ar putea rezultatele acestei noi cercetări să deschidă ușa către linii de cercetare care pot viza în mod precis comunicarea dintre microglia și partenerii lor neuroni?

După cum am menționat în întrebarea anterioară, atlasul nostru de semnalizare între subtipurile de neuroni și microglia este o comoară de date care așteaptă să fie extrase de experți în domeniul neuroimunologiei. Multe dintre semnalele de comunicare sunt căi care pot fi „medicate” sau modificate prin terapia genică. Este un moment interesant pentru a vedea cum țintirea microgliei poate repara neuronii sau circuitele neuronale și, în cele din urmă, poate și tulburările neurologice.

Care sunt următorii pași pentru tine și cercetarea ta?

M-am mutat la o companie de biotehnologie care își propune să folosească celulele gliale ca terapie pentru bolile neurologice. Sper că datele generate din acest studiu publicat vor fi o rampă de lansare pentru alte laboratoare pentru a explora cum să genereze diferite stări microgliale în cultură pentru testare, analiză și terapie. De asemenea, sper că poate ajuta la furnizarea de noi perspective asupra mecanismelor de inițiere sau progresie a bolii neurologice.

Unde pot găsi cititorii mai multe informații?

Cititorii pot găsi studiul original aici:

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

Despre Jeffrey Stogsdill, Ph.D.

În prezent, sunt om de știință senior la Sana Biotechnology, încercând să găsesc modalități de a folosi celulele gliale ca terapie pentru bolile neurologice. Pentru cercetarea pe lucrarea discutată aici, am lucrat ca postdoc în laboratorul Paolei Arlotta din Departamentul de Celule Stem și Biologie Regenerativă de la Universitatea Harvard. Analize bioinformatice extinse au fost efectuate de Kwanho Kim în laboratorul lui Joshua Leven de la Broad Institute of Harvard și MIT. Proiectul a fost realizat cu finanțare de la NIH și Broad Institute of MIT și Harvard (prin Paola Arlotta și Joshua Levin) și cu finanțare de la HHMI (Jeff Stogsdill).

.