Verstehen, wie Mikroglia ihren Zustand ändern, um sich an verschiedene Bereiche des Gehirns anzupassen
Können Sie sich bitte vorstellen und uns etwas über Ihren Forschungshintergrund und Ihre Interessen erzählen, sowie warum Sie sich entschieden haben, Ihre neueste Studie durchzuführen?
Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war ich Postdoc im Labor von Dr. Paola Arlotta in der Abteilung für Stammzell- und Regenerative Biologie an der Harvard University. Ich habe meine Abschlussarbeit an der Duke University bei Dr. Cagla Eroglu gemacht, wo ich meine Wertschätzung und Faszination für die nicht-neuronalen Gliazellen des zentralen Nervensystems, hauptsächlich Astrozyten und Mikroglia, erlangte.
Als Doktorand entdeckte ich, dass Astrozytenzellen eng mit neuronalen Synapsen assoziieren und sogar regulieren, wie sie zusammen verdrahtet. Ich habe mich für ein Postdoc-Studium bei Paola Arlotta entschieden, weil ihr Labor an vorderster Front dabei war, zu verstehen, wie verschiedene neuronale Zelltypen in der Großhirnrinde aufgebaut werden. Ich hatte das Gefühl, dass es große Entdeckungen gab, die durch die Kombination meines Fachwissens in der Glia -Biologie mit dem Fachwissen des Labors in der neuronalen Vielfalt kombiniert wurden. Gemeinsam haben wir einen Kommunikationscode zwischen erregenden Neuronen und Mikroglia der Großhirnrinde entdeckt, der Region des Gehirns, die für kognitive Prozesse höherer Ordnung verantwortlich ist.
Forscher lernen zunehmend über die vielen Rollen von Mikroglia. Was sind diese winzigen Immunzellen und wie spielen sie eine Rolle in der Gehirnfunktion, in der Gesundheit und in der Krankheit?
Mikroglia sind die lokalen Makrophagen des Gehirns, was bedeutet, dass sie ein immunologisches Zellerbe haben. Tatsächlich stammen sie aus einer Region außerhalb des sich entwickelnden Embryos, dem sogenannten Dottersack, wo sie durch den Blutkreislauf wandern und das Gehirn besiedeln, um schließlich dort hinter der größtenteils zellundurchlässigen Wand zu verbleiben, die als Blut-Hirn-Schranke bekannt ist.
In der Vergangenheit war bekannt, dass Mikroglia als Zellen fungieren, die das Gehirn fressen und Ablagerungen aus dem Gehirn entfernen (dh tote Zellen und nach einer Hirnschädigung aufräumen). Wir lernen jetzt jedoch, dass sie so viel mehr tun, einschließlich der Erfassung und Reaktion auf neuronale Aktivitäten. Sie spielen auch eine übergroße Rolle in der menschlichen Gesundheit. Viele neurologische Erkrankungen sind entweder direkt oder indirekt mit der Funktion der Mikroglia verbunden, darunter Autismus-Spektrum-Störungen, Alzheimer und Multiple Sklerose, um nur einige zu nennen.
Ihre neuesten Untersuchungen deuten darauf hin, dass Mikroglia -Zellen benachbarte Neuronen „zuhören“ und ihren molekularen Zustand so verändern können, dass sie sie entsprechen. Können Sie erklären, was dies bedeutet und wie dies geschieht?
Mikroglia sind nach ihrer immunologischen Natur Zellen, die die Umgebung um sie herum „zuhören“ und „spüren“. Sie besitzen viele kleine Zweige, die ständig ihre Umgebung absuchen, um unter anderem schwache Synapsen und Schadensstellen zu finden und das Niveau der neuronalen Aktivität in der Nähe zu bewerten. Wir wussten aus früheren Forschungen, dass Mikroglia aus einer Gehirnregion andere Zellrezeptoren (dh die am Hören beteiligten Moleküle) exprimieren als andere Gehirnregionen, aber es war unklar, wie dies auf der lokalen Ebene einer einzelnen Mikroglia übersetzt wird.
Wir fanden heraus, dass sie innerhalb einer einzelnen Gehirnregion (den Schichten der Großhirnrinde), die viele verschiedene Arten von exzitatorischen Neuronen beherbergt, Mikroglia auf zwei wichtige Arten lokal kontrollieren können: 1) verschiedene Neuronen-Subtypen rekrutieren lokal eine unterschiedliche Anzahl von Mikroglia in ihrem Bereich, und 2) sie „stimmen“ die Transkriptionsprofile lokaler Mikroglia, ähnlich wie ein Musiker, der ein Instrument stimmt, um den richtigen Klang zu machen. Dieser letzte Punkt ist ziemlich wichtig, da er darauf hindeutet, dass verschiedene Neuronen, die an verschiedenen Gehirnaktivitäten beteiligt sind, das zelluläre Profil lokaler Mikroglia an die Bedürfnisse ihrer Schaltkreise anpassen.
Wir postulieren, dass dies teilweise durch verschiedene Signalmoleküle durchgeführt wird, die von verschiedenen Klassen exzitatorischer Neuronen exprimiert werden. Wir fanden diese, indem wir die Expression aller Signalmoleküle in Neuronen profilierten und diesen Expressionsatlas mit allen Signalmolekülen in verschiedenen Zuständen (oder Melodien, zurück zur Musikanalogie) von Mikroglia korrelierten. Wir waren verblüfft, das Ausmaß an Spezifität bei der Signalübertragung zwischen diesen Hauptunterteilungen von Zellen zu sehen.
Ihre Studie wurde mit genetischen Profilierungsmethoden durchgeführt, um die Mikroglia in den verschiedenen Schichten zu untersuchen. Können Sie näher erläutern, wie Sie Ihre Recherchen durchgeführt und welche Erkenntnisse Sie gewonnen haben?
Wir haben diese Frage auf zwei Arten angegangen, indem wir Mikroglia von Mäusen profiliert haben, was gut ist, wenn auch kein perfektes Korrelat zum menschlichen Gehirn. Beim ersten Ansatz haben wir die Kortikalis herausgenommen und dann die Schichten der Kortikalis sorgfältig mikroseziert. Anschließend extrahierten wir alle Mikroglia und profilierten sie mit einem leistungsstarken Werkzeug namens Einzelzell-RNA-Sequenzierung. Diese Methode ermöglicht es Forschern, das RNA-Expressionsprofil (mit anderen Worten das Repertoire exprimierter Gene) jeder einzelnen Zelle isoliert von anderen Zellen anzuzeigen.
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Zuerst fanden wir heraus, dass alle Zellen aus allen Schichten, die wir extrahierten, Mikroglia waren, durch die Expression von Genen, die einzigartig und spezifisch für Mikroglia sind. Aber wir fanden dann heraus, dass über der Basisschicht der Identität eine sekundäre Schicht der Genexpression existierte, die mit der Schicht korrelierte, aus der die Mikroglia mikroseziert wurden. Dies gab uns die „Gensignatur“ jedes schichtangereicherten Mikrogliazustands oder den abgestimmten Zustand der Mikroglia aus jeder Schicht. Es ist wichtig zu beachten, dass jede Schicht des Kortex eine andere Untergruppe von erregenden Neuronen beherbergt. Somit konnten wir den Neuronen-Subtyp (nach Schicht) mit dem Mikroglia-Zustand (nach Schicht) korrelieren.
Der zweite Ansatz verwendete ein noch leistungsfähigeres Profiling-Tool, das es uns ermöglichte, einen Blick in die transkriptionelle Expression aller Zellen (Neuronen, Mikroglia, andere Glia usw.) im intakten Gehirn zu werfen, ohne es mikrosezieren zu müssen. Dieser Ansatz mit der Bezeichnung Multiplex Error-Robust Fluorescence In Situ Hybridization (oder kurz MERFISH) wurde auf das Mausgehirn angewendet, wobei die Gensignaturen verwendet wurden, die wir in unserem ersten oben beschriebenen Profiling-Experiment gefunden hatten. Durch die Anwendung dieser Methode konnten wir die genaue Lage jeder Mikroglia und jedes erregenden Neurons in drei Dimensionen mit außerordentlicher Präzision kartieren.
Mit dieser Karte in der Hand fanden wir heraus, dass Mikroglia-Zustände in Schichten existieren, wie wir es zuvor gefunden hatten. Spannender war jedoch, dass sich jede Mikroglia in einer Nachbarschaft einzigartiger Neuronensubtypen befindet und dass der Zustand der Mikroglia von der lokalen Zusammensetzung ihrer nahe gelegenen Neuronennachbarn abhängt. Dies deutet darauf hin, dass die Ebene der Spezifität auf der Ebene der zellulären Interaktionen in Neuron-Mikroglia-Nachbarschaften liegt.
Was sind einige der Folgen, die auftreten, wenn die Kommunikation zwischen Mikroglia und ihren Neuronenpartnern schief geht?
Unsere Forschung befasste sich nicht mit den Auswirkungen einer Fehlkommunikation zwischen Mikroglia und ihren neuronalen Partnern. Unser Signalatlas bietet dem Fachgebiet jedoch eine Fülle von Ausgangspunkten, um zu identifizieren, was schief gehen könnte, und, was vielleicht noch wichtiger ist, wie wir Schaltkreise möglicherweise reparieren oder korrigieren könnten, wenn es zu einer Fehlkommunikation zwischen neuronalen Subtypen und Mikroglia kommt.
Ein sehr interessanter Hinweis aus der Humanforschung ist, dass Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) Störungen zwischen Neuronen der oberen Schicht des Kortex und Mikroglia identifiziert wurden. Unser Datensatz ist darauf vorbereitet, abgebaut zu werden, um die molekularen Mechanismen dieser Störungen der oberen Schicht bei Menschen mit ASS aufzudecken.
Wie könnten die Ergebnisse dieser neuen Forschung dazu beitragen, die Tür für Forschungslinien zu öffnen, die die Kommunikation zwischen Mikroglia und ihren Neuronenpartnern genau anvisieren können?
Wie ich in der vorherigen Frage erwähnt habe, ist unser Signalatlas zwischen Neuronensubtypen und Mikroglia eine Fundgrube an Daten, die darauf warten, von Fachleuten auf dem Gebiet der Neuroimmunologie geschürft zu werden. Viele der Kommunikationssignale sind Wege, die „medikamentös“ sein oder durch Gentherapie verändert werden können. Es ist eine aufregende Zeit zu sehen, wie das Targeting von Mikroglia Neuronen oder neurale Schaltkreise und letztendlich vielleicht neurologische Störungen reparieren kann.
Was sind die nächsten Schritte für Sie und Ihre Forschung?
Ich bin zu einem Biotechnologieunternehmen gewechselt, das sich zum Ziel gesetzt hat, Gliazellen als Therapie für neurologische Erkrankungen einzusetzen. Ich hoffe, dass die aus dieser veröffentlichten Studie generierten Daten ein Sprungbrett für andere Labore sein werden, um herauszufinden, wie verschiedene Mikroglia-Zustände in Kultur für Tests, Analysen und Therapien erzeugt werden können. Ich hoffe auch, dass es dazu beitragen kann, neue Einblicke in Mechanismen der neurologischen Krankheitsinitiierung oder -progression zu gewinnen.
Wo finden Leser weitere Informationen?
Leser finden die Originalstudie hier:
- https://www.nature.com/articles/s41586-022-05056-7
- https://www.nature.com/articles/d41586-022-02005-2
Über Jeffrey Stogsdill, Ph.D.
Derzeit bin ich Senior Scientist bei Sana Biotechnology und versuche, Wege zu finden, um Gliazellen als Therapie für neurologische Erkrankungen einzusetzen. Für die Forschung zu dem hier diskutierten Paper war ich als Postdoc im Labor von Paola Arlotta am Department of Stem Cell and Regenerative Biology der Harvard University tätig. Umfangreiche bioinformatische Analysen wurden von Kwanho Kim im Labor von Joshua Leven am Broad Institute of Harvard und am MIT durchgeführt. Das Projekt wurde mit Mitteln des NIH und des Broad Institute of MIT und Harvard (über Paola Arlotta und Joshua Levin) und mit Mitteln des HHMI (Jeff Stogsdill) durchgeführt.
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