Förstå hur mikroglia ändrar tillstånd för att anpassa sig till olika delar av hjärnan

Förstå hur mikroglia ändrar tillstånd för att anpassa sig till olika delar av hjärnan

TankeledareJeffrey Stogsdill, Ph.D.Institutet för stamcells- och regenerativ biologiHarvard UniversityI den här intervjun pratar News Medical med Jeffrey Stogsdill, Ph.D., om hans senaste forskning som undersöker hur mikroglia ändrar tillstånd för att anpassa sig till olika delar av hjärnan.

Kan du presentera dig själv och berätta om din forskningsbakgrund och dina intressen, samt varför du valde att genomföra din senaste studie?

Vid tidpunkten för publiceringen var jag postdoc i laboratoriet hos Dr. Paola Arlotta vid institutionen för stamcells- och regenerativ biologi vid Harvard University. Jag gjorde mitt examensarbete vid Duke University med Dr. Cagla Eroglu, där jag fick min uppskattning och fascination för de icke-neuronala gliacellerna i det centrala nervsystemet, främst astrocyter och mikroglia.

Som doktorand upptäckte jag att astrocytceller associerar tätt med neuronala synapser och till och med reglerar hur de kopplas ihop. Jag valde att göra postdoktorala studier med Paola Arlotta eftersom hennes labb låg i framkant för att förstå hur olika neuronala celltyper är sammansatta i hjärnbarken. Jag kände att det fanns stora upptäckter genom att kombinera min expertis inom gliabiologi med labbets expertis inom neuronal mångfald. Tillsammans upptäckte vi en kommunikationskod mellan excitatoriska neuroner och mikroglia i hjärnbarken, den region i hjärnan som ansvarar för kognitiva processer av högre ordning.

Bildkredit: nobeastsofierce/Shutterstock

Forskare lär sig allt mer om mikroglias många roller. Vad är dessa små immunceller och hur spelar de en roll i hjärnans funktion, hälsa och sjukdom?

Mikroglia är de lokala makrofagerna i hjärnan, vilket betyder att de har ett immunologiskt cellulärt arv. Faktum är att de härstammar från en region utanför det utvecklande embryot, kallad gulesäcken, där de färdas genom blodomloppet och koloniserar hjärnan, och så småningom förblir bakom den i stort sett cellogenomträngliga väggen som kallas blod-hjärnbarriären.

Tidigare var mikroglia kända för att fungera som celler som äter upp hjärnan och tar bort skräp från hjärnan (dvs döda celler och städning efter hjärnskador). Men nu lär vi oss att de gör så mycket mer, inklusive att känna av och svara på neural aktivitet. De spelar också en stor roll för människors hälsa. Många neurologiska sjukdomar är antingen direkt eller indirekt kopplade till mikrogliafunktion, inklusive autismspektrumstörningar, Alzheimers sjukdom och multipel skleros, för att nämna några.

Deras senaste forskning tyder på att mikrogliaceller kan "lyssna" på närliggande neuroner och ändra sitt molekylära tillstånd för att matcha dem. Kan du förklara vad detta betyder och hur det går till?

Genom sin immunologiska natur är mikroglia celler som "lyssnar" och "känner" miljön runt dem. De har många små grenar som hela tiden skannar sin omgivning för att bland annat hitta svaga synapser och skadeområden och bedöma nivån på närliggande neuronal aktivitet. Vi visste från tidigare forskning att mikroglia från en hjärnregion uttrycker olika cellreceptorer (d.v.s. molekylerna som är involverade i hörseln) än andra hjärnregioner, men det var oklart hur detta översattes på lokal nivå för en enskild mikroglia.

Vi fann att inom en enda hjärnregion (lagren i hjärnbarken), som hyser många olika typer av excitatoriska neuroner, kan de lokalt kontrollera mikroglia på två viktiga sätt: 1) olika neuronsubtyper rekryterar lokalt olika antal mikroglia till sitt område, och 2) de "stämmer" transkriptionsprofilerna för en lokal mikroglia, vilket gör att ljudet är rätt som en lokal mikroglia. Denna sista punkt är ganska viktig eftersom den antyder att olika neuroner som är involverade i olika hjärnaktiviteter anpassar den cellulära profilen för lokala mikroglia till behoven i deras kretsar.

Vi postulerar att detta delvis utförs av olika signalmolekyler som uttrycks av olika klasser av excitatoriska neuroner. Vi hittade dessa genom att profilera uttrycket av alla signalmolekyler i neuroner och korrelera denna uttrycksatlas med alla signalmolekyler i olika tillstånd (eller låtar, tillbaka till musikanalogin) av mikroglia. Vi blev förvånade över att se nivån av specificitet i signalering mellan dessa stora underavdelningar av celler.

Deras studie genomfördes med hjälp av genetiska profileringsmetoder för att undersöka mikroglia i de olika lagren. Kan du utveckla hur du genomförde din forskning och vilka insikter du fick?

Vi närmade oss denna fråga på två sätt genom att profilera musmikroglia, vilket är ett bra, men inte ett perfekt, korrelat av den mänskliga hjärnan. I det första tillvägagångssättet tog vi bort cortex och mikrodisserade sedan försiktigt lagren av cortex. Vi extraherade sedan alla mikroglia och profilerade dem med ett kraftfullt verktyg som kallas encells-RNA-sekvensering. Denna metod gör det möjligt för forskare att se RNA-expressionsprofilen (med andra ord repertoaren av uttryckta gener) för varje enskild cell isolerad från andra celler.

Genetik och genomik e-bok

Sammanställning av de bästa intervjuerna, artiklarna och nyheterna från det senaste året.

Ladda ner en kopia idag

Först fann vi att alla celler från alla lager vi extraherade var mikroglia genom uttryck av gener som är unika och specifika för mikroglia. Men vi fann sedan att ovanför det basala lagret av identitet fanns ett sekundärt lager av genuttryck som korrelerade med lagret från vilket mikroglia mikrodissekerades. Detta gav oss "gensignaturen" för varje lagerberikat mikroglialtillstånd, eller det matchade tillståndet för mikroglia från varje lager. Det är viktigt att notera att varje lager av cortex inrymmer en annan undergrupp av excitatoriska neuroner. Således kunde vi korrelera neuronsubtyp (efter lager) med mikroglialstatus (efter lager).

Det andra tillvägagångssättet använde ett ännu kraftfullare profileringsverktyg som gjorde det möjligt för oss att undersöka det transkriptionella uttrycket av alla celler (neuroner, mikroglia, andra glia, etc.) i den intakta hjärnan utan att behöva mikrodissikera den. Denna metod, kallad Multiplex Error-Robust Fluorescence In Situ Hybridization (eller MERFISH för kort), applicerades på mushjärnan med hjälp av gensignaturerna vi hittade i vårt första profileringsexperiment som beskrivs ovan. Med denna metod kunde vi kartlägga den exakta platsen för varje mikroglia och excitatorisk neuron i tre dimensioner med extraordinär precision.

Med den här kartan i handen fann vi att mikroglialtillstånd existerar i lager, som vi tidigare upptäckt. Vad som var mer spännande var dock att varje mikroglia bor i ett område med unika neuronsubtyper och att tillståndet för mikroglia beror på den lokala sammansättningen av deras närliggande neurongrannar. Detta tyder på att specificitetsnivån ligger på nivån av cellulära interaktioner i neuron-mikroglia-kvarter.

Vilka är några av konsekvenserna som uppstår när kommunikationen mellan mikroglia och deras neuronpartner går fel?

Vår forskning tog inte upp effekterna av felkommunikation mellan mikroglia och deras neuronala partners. Men vår signalatlas ger fältet en mängd utgångspunkter för att identifiera vad som kan gå fel och, kanske ännu viktigare, hur vi potentiellt kan reparera eller korrigera kretsar när felkommunikation uppstår mellan neuronala subtyper och mikroglia.

En mycket intressant anteckning från mänsklig forskning är att autismspektrumstörningar (ASD) har identifierats mellan neuroner i det övre lagret av cortex och mikroglia. Vår datauppsättning är beredd att utvinnas för att avslöja de molekylära mekanismerna för dessa störningar i det övre skiktet hos personer med ASD.

Hur kan resultaten av denna nya forskning hjälpa till att öppna dörren till forskningslinjer som kan rikta in sig på kommunikationen mellan mikroglia och deras neuronpartners?

Som jag nämnde i föregående fråga är vår signalatlas mellan neuronsubtyper och mikroglia en skattkammare av data som väntar på att bli utvunna av experter inom området neuroimmunologi. Många av kommunikationssignalerna är vägar som kan "medicineras" eller förändras genom genterapi. Det är en spännande tid att se hur inriktning på mikroglia kan reparera neuroner eller neurala kretsar och i slutändan kanske neurologiska störningar.

Vilka är nästa steg för dig och din forskning?

Jag flyttade till ett bioteknikföretag som syftar till att använda gliaceller som terapi för neurologiska sjukdomar. Jag hoppas att data som genereras från denna publicerade studie kommer att vara en språngbräda för andra laboratorier att utforska hur man genererar olika mikrogliala tillstånd i kultur för testning, analys och terapi. Jag hoppas också att det kan bidra till att ge nya insikter om mekanismer för initiering eller progression av neurologiska sjukdomar.

Var kan läsarna hitta mer information?

Läsare kan hitta den ursprungliga studien här:

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

Om Jeffrey Stogsdill, Ph.D.

Jag är för närvarande senior forskare vid Sana Biotechnology, och försöker hitta sätt att använda gliaceller som terapi för neurologiska sjukdomar. För forskningen om uppsatsen som diskuteras här, arbetade jag som postdoc i Paola Arlottas laboratorium vid institutionen för stamcells- och regenerativ biologi vid Harvard University. Omfattande bioinformatikanalyser utfördes av Kwanho Kim i Joshua Levens laboratorium vid Broad Institute of Harvard och MIT. Projektet genomfördes med finansiering från NIH och Broad Institute of MIT och Harvard (genom Paola Arlotta och Joshua Levin) och med finansiering från HHMI (Jeff Stogsdill).

.