Razumevanje, kako mikroglija spreminja stanje, da se prilagodi različnim delom možganov

Razumevanje, kako mikroglija spreminja stanje, da se prilagodi različnim delom možganov

Miselni vodjaJeffrey Stogsdill, dr.Inštitut za izvorne celice in regenerativno biologijoUniverza HarvardV tem intervjuju se News Medical pogovarja z dr. Jeffreyjem Stogsdillom o njegovi najnovejši raziskavi, ki preučuje, kako mikroglija spreminja stanje, da se prilagodi različnim delom možganov.

Ali se lahko, prosim, predstavite in nam poveste o svojem raziskovalnem ozadju in interesih ter zakaj ste se odločili izvesti svojo najnovejšo študijo?

V času objave sem bil na podoktorskem študiju v laboratoriju dr. Paole Arlotta na oddelku za izvorne celice in regenerativno biologijo na univerzi Harvard. Diplomiral sem na Univerzi Duke pri dr. Cagli Eroglu, kjer sem pridobil hvaležnost in navdušenje nad ne-nevronskimi glialnimi celicami centralnega živčnega sistema, predvsem astrociti in mikroglijami.

Kot podiplomski študent sem odkril, da so astrocitne celice tesno povezane z nevronskimi sinapsami in celo uravnavajo njihovo povezovanje. Za podoktorski študij pri Paoli Arlotta sem se odločil, ker je bil njen laboratorij v ospredju razumevanja, kako se različne vrste nevronskih celic sestavljajo v možganski skorji. Čutil sem, da sem z združitvijo svojega strokovnega znanja o glialni biologiji s strokovnim znanjem laboratorija o nevronski raznolikosti dosegel velika odkritja. Skupaj smo odkrili komunikacijsko kodo med ekscitatornimi nevroni in mikroglijo v možganski skorji, predelu možganov, ki je odgovoren za kognitivne procese višjega reda.

Avtor fotografije: nobeastsofierce/Shutterstock

Raziskovalci vedno bolj spoznavajo številne vloge mikroglije. Kaj so te drobne imunske celice in kako igrajo vlogo pri delovanju možganov, zdravju in bolezni?

Mikroglija so lokalni makrofagi možganov, kar pomeni, da imajo imunološko celično dediščino. Pravzaprav izvirajo iz območja zunaj razvijajočega se zarodka, imenovanega rumenjakova vrečka, kjer potujejo po krvnem obtoku in kolonizirajo možgane ter sčasoma ostanejo za večinoma celično neprepustno steno, znano kot krvno-možganska pregrada.

V preteklosti je bilo znano, da mikroglija deluje kot celice, ki jedo možgane in odstranjujejo ostanke iz možganov (tj. odmrle celice in čiščenje po poškodbi možganov). Vendar se zdaj učimo, da počnejo veliko več, vključno z zaznavanjem in odzivanjem na nevronsko aktivnost. Imajo tudi izjemno vlogo pri zdravju ljudi. Številne nevrološke bolezni so neposredno ali posredno povezane z delovanjem mikroglije, vključno z motnjami avtističnega spektra, Alzheimerjevo boleznijo in multiplo sklerozo, če naštejemo le nekatere.

Njihove najnovejše raziskave kažejo, da lahko celice mikroglije "poslušajo" sosednje nevrone in spremenijo svoje molekularno stanje, da se ujemajo z njimi. Ali lahko pojasnite, kaj to pomeni in kako se to zgodi?

Po svoji imunološki naravi so mikroglije celice, ki »poslušajo« in »čutijo« okolje okoli sebe. Imajo veliko majhnih vej, ki nenehno pregledujejo svojo okolico, da med drugim najdejo šibke sinapse in poškodovana področja ter ocenijo raven bližnje nevronske aktivnosti. Iz prejšnjih raziskav smo vedeli, da mikroglija iz ene možganske regije izraža različne celične receptorje (tj. molekule, ki sodelujejo pri sluhu) kot druge možganske regije, vendar ni bilo jasno, kako se je to prevedlo na lokalni ravni posamezne mikroglije.

Ugotovili smo, da lahko v eni sami možganski regiji (plasti možganske skorje), v kateri je veliko različnih vrst ekscitatornih nevronov, lokalno nadzorujejo mikroglijo na dva pomembna načina: 1) različni nevronski podtipi lokalno rekrutirajo različno število mikroglije na svoje področje in 2) "uglasijo" transkripcijske profile lokalne mikroglije, podobno kot glasbenik, ki uglasi inštrument, da naredi pravi zvok. Ta zadnja točka je precej pomembna, ker nakazuje, da različni nevroni, vključeni v različne možganske dejavnosti, prilagajajo celični profil lokalne mikroglije potrebam svojih vezij.

Predpostavljamo, da to deloma izvajajo različne signalne molekule, ki jih izražajo različni razredi ekscitatornih nevronov. Te smo našli s profiliranjem izražanja vseh signalnih molekul v nevronih in korelacijo tega izraznega atlasa z vsemi signalnimi molekulami v različnih stanjih (ali melodijah, nazaj k glasbeni analogiji) mikroglije. Presenečeni smo bili, ko smo videli stopnjo specifičnosti v signalizaciji med temi glavnimi deli celic.

Njihova študija je bila izvedena z uporabo metod genetskega profiliranja za pregled mikroglije v različnih plasteh. Ali lahko podrobneje opišete, kako ste izvedli raziskavo in do kakšnih spoznanj ste prišli?

K temu vprašanju smo pristopili na dva načina s profiliranjem mišje mikroglije, ki je dober, čeprav ne popoln korelat človeških možganov. Pri prvem pristopu smo odstranili skorjo in nato skrbno mikrodisecirali plasti skorje. Nato smo ekstrahirali vse mikroglije in jih profilirali z zmogljivim orodjem, imenovanim sekvenciranje enocelične RNA. Ta metoda omogoča raziskovalcem, da si ogledajo profil ekspresije RNA (z drugimi besedami, repertoar izraženih genov) vsake posamezne celice ločeno od drugih celic.

E-knjiga o genetiki in genomiki

Zbirka najboljših intervjujev, člankov in novic zadnjega leta.

Prenesite kopijo še danes

Najprej smo ugotovili, da so bile vse celice iz vseh plasti, ki smo jih ekstrahirali, mikroglija z izražanjem genov, edinstvenih in specifičnih za mikroglijo. Toda nato smo ugotovili, da je nad bazalno plastjo identitete obstajala sekundarna plast izražanja genov, ki je bila v korelaciji s plastjo, iz katere je bila mikroglija mikrodisecirana. To nam je dalo "genski podpis" vsakega stanja mikroglije, obogatenega s plastjo, ali ujemajoče se stanje mikroglije iz vsake plasti. Pomembno je omeniti, da vsaka plast korteksa vsebuje drugačno podskupino ekscitatornih nevronov. Tako smo lahko povezali podtip nevrona (po plasti) s statusom mikroglije (po plasti).

Drugi pristop je uporabil še močnejše orodje za profiliranje, ki nam je omogočilo vpogled v transkripcijsko izražanje vseh celic (nevronov, mikroglije, druge glije itd.) v nedotaknjenih možganih, ne da bi jih morali mikrodisecirati. Ta pristop, imenovan Multiplex Error-Robust Fluorescence In Situ Hybridization (ali na kratko MERFISH), je bil uporabljen za mišje možgane z uporabo genskih podpisov, ki smo jih našli v našem prvem poskusu profiliranja, opisanem zgoraj. S to metodo smo lahko z izjemno natančnostjo preslikali natančno lokacijo vsake mikroglije in ekscitatornega nevrona v treh dimenzijah.

S tem zemljevidom v roki smo ugotovili, da mikroglialna stanja obstajajo v plasteh, kot smo že ugotovili. Kar pa je bilo bolj vznemirljivo, je bilo, da vsaka mikroglija prebiva v soseščini edinstvenih podtipov nevronov in da je stanje mikroglije odvisno od lokalne sestave njihovih bližnjih nevronskih sosedov. To nakazuje, da je raven specifičnosti na ravni celičnih interakcij v soseskah nevronov in mikroglije.

Kakšne so nekatere posledice, ki se pojavijo, ko gre komunikacija med mikroglijo in njihovimi nevronskimi partnerji narobe?

Naša raziskava ni obravnavala učinkov napačne komunikacije med mikroglijo in njihovimi nevronskimi partnerji. Vendar pa naš signalizacijski atlas ponuja polje z bogastvom izhodišč za prepoznavanje, kaj bi lahko šlo narobe, in, kar je morda še pomembneje, kako bi lahko popravili ali popravili vezja, ko pride do napačne komunikacije med nevronskimi podtipi in mikroglijo.

Zelo zanimiva opomba iz raziskav pri ljudeh je, da so bile motnje avtističnega spektra (ASD) identificirane med nevroni zgornje plasti korteksa in mikroglije. Naš nabor podatkov je pripravljen za rudarjenje, da bi odkrili molekularne mehanizme teh motenj zgornjega sloja pri ljudeh z motnjami motenj aditivnega spektra.

Kako bi lahko rezultati te nove raziskave pomagali odpreti vrata linijam raziskav, ki lahko natančno ciljajo na komunikacijo med mikroglijo in njihovimi nevronskimi partnerji?

Kot sem omenil v prejšnjem vprašanju, je naš signalni atlas med nevronskimi podtipi in mikroglijo zakladnica podatkov, ki čakajo, da jih izkopajo strokovnjaki s področja nevroimunologije. Številni komunikacijski signali so poti, ki jih je mogoče "zdraviti" ali spremeniti z gensko terapijo. To je vznemirljiv čas, da vidimo, kako lahko ciljanje na mikroglijo popravi nevrone ali nevronske kroge in na koncu morda nevrološke motnje.

Kakšni so naslednji koraki za vas in vaše raziskave?

Preselil sem se v biotehnološko podjetje, katerega cilj je uporaba glialnih celic kot terapija za nevrološke bolezni. Upam, da bodo podatki, pridobljeni iz te objavljene študije, odskočna deska za druge laboratorije pri raziskovanju, kako ustvariti različna stanja mikroglije v kulturi za testiranje, analizo in terapijo. Upam tudi, da lahko pomaga zagotoviti nove vpoglede v mehanizme začetka ali napredovanja nevroloških bolezni.

Kje lahko bralci najdejo več informacij?

Bralci lahko izvirno študijo najdejo tukaj:

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

O Jeffreyju Stogsdillu, dr.

Trenutno sem višji znanstvenik pri Sana Biotechnology in poskušam najti načine za uporabo glialnih celic kot terapije za nevrološke bolezni. Za raziskave v članku, o katerem razpravljamo tukaj, sem delal kot postdoc v laboratoriju Paole Arlotta na Oddelku za izvorne celice in regenerativno biologijo na Univerzi Harvard. Kwanho Kim je opravil obsežne bioinformatične analize v laboratoriju Joshue Levena na Inštitutu Broad na Harvardu in MIT. Projekt je bil izveden s financiranjem NIH in Broad Institute MIT in Harvarda (prek Paole Arlotta in Joshue Levina) ter s financiranjem HHMI (Jeff Stogsdill).

.