Pochopenie toho, ako mikroglie menia svoj stav, aby sa prispôsobili rôznym oblastiam mozgu

Pochopenie toho, ako mikroglie menia svoj stav, aby sa prispôsobili rôznym oblastiam mozgu

Myšlienkový vodcaJeffrey Stogsdill, Ph.D.Ústav pre kmeňové bunky a regeneračnú biológiuHarvardská univerzitaV tomto rozhovore News Medical hovorí s Jeffreyom Stogsdillom, Ph.D., o jeho najnovšom výskume, ktorý skúma, ako mikroglie menia stav, aby sa prispôsobili rôznym oblastiam mozgu.

Môžete sa nám predstaviť a povedať nám o svojom výskumnom pozadí a záujmoch, ako aj o tom, prečo ste sa rozhodli uskutočniť svoju najnovšiu štúdiu?

V čase publikácie som bol postdoktorom v laboratóriu Dr. Paola Arlotta na Katedre kmeňových buniek a regeneratívnej biológie na Harvardskej univerzite. Absolvoval som svoju postgraduálnu prácu na Duke University u Dr. Cagla Eroglu, kde som získal uznanie a fascináciu pre neneuronálne gliové bunky centrálneho nervového systému, najmä astrocyty a mikroglie.

Ako postgraduálny študent som zistil, že bunky astrocytov sa úzko spájajú s neurónovými synapsiami a dokonca regulujú, ako sa spájajú. Vybral som si postdoktorandské štúdium s Paolou Arlottou, pretože jej laboratórium bolo v popredí pochopenia toho, ako sa v mozgovej kôre zhromažďujú rôzne typy neurónových buniek. Cítil som, že došlo k veľkým objavom spojením mojich odborných znalostí v gliálnej biológii s odbornými znalosťami laboratória v oblasti neurónovej diverzity. Spoločne sme objavili komunikačný kód medzi excitačnými neurónmi a mikrogliami v mozgovej kôre, oblasti mozgu zodpovednej za kognitívne procesy vyššieho rádu.

Fotografický kredit: nobeastsofierce/Shutterstock

Výskumníci sa čoraz viac dozvedajú o mnohých úlohách mikroglií. Čo sú tieto maličké imunitné bunky a ako zohrávajú úlohu pri fungovaní mozgu, zdraví a chorobách?

Mikroglie sú miestne makrofágy mozgu, čo znamená, že majú imunologické bunkové dedičstvo. V skutočnosti pochádzajú z oblasti mimo vyvíjajúceho sa embrya, nazývanej žĺtkový vak, kde prechádzajú krvným obehom a kolonizujú mozog, pričom nakoniec zostávajú za stenou do značnej miery nepriepustnou pre bunky, známou ako hematoencefalická bariéra.

V minulosti bolo známe, že mikroglie fungujú ako bunky, ktoré požierajú mozog a odstraňujú trosky z mozgu (t. j. odumreté bunky a čistenie po poškodení mozgu). Teraz sa však dozvedáme, že robia oveľa viac, vrátane snímania a reagovania na nervovú aktivitu. Hrajú tiež veľkú úlohu v ľudskom zdraví. Mnohé neurologické ochorenia sú buď priamo alebo nepriamo spojené s mikrogliálnou funkciou, vrátane porúch autistického spektra, Alzheimerovej choroby a roztrúsenej sklerózy, aby sme vymenovali aspoň niektoré.

Ich najnovší výskum naznačuje, že bunky mikroglie môžu „počúvať“ susedné neuróny a meniť ich molekulárny stav tak, aby im zodpovedali. Môžete vysvetliť, čo to znamená a ako sa to deje?

Svojou imunologickou povahou sú mikroglie bunky, ktoré „počúvajú“ a „cítia“ prostredie okolo nich. Majú veľa malých vetiev, ktoré neustále skenujú svoje okolie, aby okrem iného našli slabé synapsie a oblasti poškodenia a posúdili úroveň blízkej neuronálnej aktivity. Z predchádzajúceho výskumu sme vedeli, že mikroglie z jednej oblasti mozgu exprimujú iné bunkové receptory (t. j. molekuly zapojené do sluchu) ako iné oblasti mozgu, ale nebolo jasné, ako sa to prenieslo na lokálnu úroveň jednotlivých mikroglií.

Zistili sme, že v rámci jednej oblasti mozgu (vrstvy mozgovej kôry), v ktorej sa nachádza mnoho rôznych typov excitačných neurónov, môžu lokálne kontrolovať mikroglie dvoma dôležitými spôsobmi: 1) rôzne podtypy neurónov lokálne získavajú rôzne počty mikroglií do svojej oblasti a 2) „vylaďujú“ transkripčné profily miestnych mikroglií, podobne ako v prípade hudobného nástroja na ladenie zvuku. Tento posledný bod je dosť dôležitý, pretože naznačuje, že rôzne neuróny zapojené do rôznych mozgových aktivít prispôsobujú bunkový profil miestnych mikroglií potrebám svojich obvodov.

Predpokladáme, že sa to čiastočne uskutočňuje rôznymi signálnymi molekulami exprimovanými rôznymi triedami excitačných neurónov. Našli sme ich profilovaním expresie všetkých signálnych molekúl v neurónoch a koreláciou tohto expresného atlasu so všetkými signálnymi molekulami v rôznych stavoch (alebo melódiách, späť k hudobnej analógii) mikroglií. Boli sme ohromení, keď sme videli úroveň špecifickosti v signalizácii medzi týmito hlavnými podskupinami buniek.

Ich štúdia sa uskutočnila pomocou metód genetického profilovania na preskúmanie mikroglií v rôznych vrstvách. Môžete priblížiť, ako ste uskutočnili svoj výskum a aké poznatky ste získali?

K tejto otázke sme pristúpili dvoma spôsobmi, a to profilovaním myších mikroglií, čo je dobrý, aj keď nie dokonalý korelát ľudského mozgu. Pri prvom prístupe sme odstránili kôru a potom opatrne mikrodisekovali vrstvy kôry. Potom sme extrahovali všetky mikroglie a profilovali sme ich pomocou výkonného nástroja nazývaného jednobunkové sekvenovanie RNA. Táto metóda umožňuje výskumníkom zobraziť profil expresie RNA (inými slovami, repertoár exprimovaných génov) každej jednotlivej bunky izolovane od ostatných buniek.

Elektronická kniha Genetika a genomika

Kompilácia top rozhovorov, článkov a noviniek za posledný rok.

Stiahnite si kópiu ešte dnes

Najprv sme zistili, že všetky bunky zo všetkých vrstiev, ktoré sme extrahovali, boli mikroglie prostredníctvom expresie génov jedinečných a špecifických pre mikroglie. Potom sme však zistili, že nad bazálnou vrstvou identity existovala sekundárna vrstva génovej expresie, ktorá korelovala s vrstvou, z ktorej boli mikroglie vyrezané. To nám dalo „génový podpis“ každého mikrogliálneho stavu obohateného o vrstvu alebo zodpovedajúci stav mikroglie z každej vrstvy. Je dôležité poznamenať, že každá vrstva kôry obsahuje inú podskupinu excitačných neurónov. Boli sme teda schopní korelovať podtyp neurónu (podľa vrstvy) so stavom mikroglie (podľa vrstvy).

Druhý prístup využíval ešte výkonnejší nástroj na profilovanie, ktorý nám umožnil pozrieť sa na transkripčnú expresiu všetkých buniek (neurónov, mikroglií, iných glií atď.) v intaktnom mozgu bez toho, aby sme ho museli mikrodisekovať. Tento prístup, nazývaný Multiplex Error-Robust Fluorescence In situ Hybridization (alebo skrátene MERFISH), bol aplikovaný na mozog myši pomocou génových podpisov, ktoré sme našli v našom prvom profilovom experimente opísanom vyššie. Pomocou tejto metódy sme dokázali zmapovať presné umiestnenie každej mikroglie a excitačného neurónu v troch rozmeroch s mimoriadnou presnosťou.

S touto mapou v ruke sme zistili, že mikrogliálne stavy existujú vo vrstvách, ako sme predtým zistili. Čo však bolo vzrušujúcejšie, bolo, že každá mikroglia sa nachádza v susedstve jedinečných podtypov neurónov a že stav mikroglie závisí od lokálneho zloženia ich susedných neurónov. To naznačuje, že úroveň špecifickosti leží na úrovni bunkových interakcií v susedstve neurón-mikroglia.

Aké sú niektoré z dôsledkov, ktoré sa vyskytujú, keď komunikácia medzi mikrogliami a ich neurónovými partnermi zlyhá?

Náš výskum sa nezaoberal účinkami nesprávnej komunikácie medzi mikrogliami a ich neurónovými partnermi. Náš signalizačný atlas však poskytuje poliu množstvo východiskových bodov na identifikáciu toho, čo by sa mohlo pokaziť, a čo je možno dôležitejšie, ako by sme mohli potenciálne opraviť alebo opraviť obvody, keď dôjde k nesprávnej komunikácii medzi neurónovými podtypmi a mikrogliami.

Veľmi zaujímavou poznámkou z ľudského výskumu je, že medzi neurónmi hornej vrstvy kôry a mikrogliami boli identifikované poruchy autistického spektra (ASD). Náš súbor údajov je pripravený na ťažbu, aby sme odhalili molekulárne mechanizmy týchto porúch hornej vrstvy u ľudí s ASD.

Ako môžu výsledky tohto nového výskumu pomôcť otvoriť dvere k líniám výskumu, ktoré môžu presne zacieliť komunikáciu medzi mikrogliami a ich neurónovými partnermi?

Ako som už spomenul v predchádzajúcej otázke, náš signalizačný atlas medzi podtypmi neurónov a mikrogliami je pokladnicou údajov, ktoré čakajú na vyťaženie odborníkmi v oblasti neuroimunológie. Mnohé z komunikačných signálov sú cesty, ktoré možno „liečiť“ alebo zmeniť génovou terapiou. Je to vzrušujúci čas vidieť, ako zacielenie na mikroglie môže opraviť neuróny alebo nervové obvody a nakoniec možno aj neurologické poruchy.

Aké sú ďalšie kroky pre vás a váš výskum?

Presťahoval som sa do biotechnologickej spoločnosti, ktorej cieľom je využívať gliové bunky ako terapiu neurologických ochorení. Dúfam, že údaje získané z tejto publikovanej štúdie budú odrazovým mostíkom pre iné laboratóriá, aby preskúmali, ako generovať rôzne mikrogliálne stavy v kultúre na testovanie, analýzu a terapiu. Dúfam tiež, že môže pomôcť poskytnúť nový pohľad na mechanizmy iniciácie alebo progresie neurologických ochorení.

Kde môžu čitatelia nájsť viac informácií?

Originál štúdie nájdu čitatelia tu:

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

O Jeffrey Stogsdill, Ph.D.

V súčasnosti som vedúcim vedcom v Sana Biotechnology a snažím sa nájsť spôsoby, ako využiť gliové bunky ako terapiu neurologických ochorení. Pre výskum tu diskutovaného článku som pracoval ako postdoktor v laboratóriu Paola Arlotta na Katedre kmeňových buniek a regeneratívnej biológie na Harvardskej univerzite. Rozsiahle bioinformatické analýzy vykonal Kwanho Kim v laboratóriu Joshuu Levena na Broad Institute of Harvard a MIT. Projekt sa uskutočnil s financovaním z NIH a Broad Institute of MIT a Harvard (prostredníctvom Paoly Arlotta a Joshuu Levina) as financovaním z HHMI (Jeff Stogsdill).

.