Лидеры мненийДжеффри Стогсдилл, доктор философии.Кафедра стволовых клеток и регенеративной биологииГарвардский университет В этом интервью News Medical беседует с Джеффри Стогсдиллом, доктором философии, о его последнем исследовании, посвященном тому, как микроглия меняет свое состояние, чтобы адаптироваться к различным областям мозга.

Пожалуйста, не могли бы вы представиться и рассказать нам о своем исследовательском опыте и интересах, а также о том, почему вы решили провести свое последнее исследование?

На момент публикации я был постдоком в лаборатории доктора Паолы Арлотты на кафедре стволовых клеток и регенеративной биологии Гарвардского университета. Я закончил свою дипломную работу в Университете Дьюка с доктором Чаглой Эроглу, где я получил признание и восхищение ненейрональными глиальными клетками центральной нервной системы, преимущественно астроцитами и микроглией.

Будучи аспирантом, я обнаружил, что клетки астроцитов тесно связаны с нейронными синапсами и даже регулируют их взаимодействие. Я решил сделать постдок с Паолой Арлоттой, потому что ее лаборатория была на переднем крае понимания того, как различные типы нейронных клеток были построены в коре головного мозга. Я чувствовал, что могу сделать важные открытия, объединив свои знания в области глиальной биологии с опытом лаборатории в области нейронального разнообразия. Вместе мы раскрыли код связи между возбуждающими нейронами и микроглией коры головного мозга, области мозга, ответственной за когнитивные процессы высшего порядка.

Изображение предоставлено: nobeastofierce/Shutterstock

Исследователи все больше узнают о многих ролях микроглии. Что это за крошечные иммунные клетки и как они влияют на работу мозга, здоровье и болезни?

Микроглия представляет собой локальные макрофаги головного мозга, что означает, что они имеют иммунологическое клеточное наследие. На самом деле, они происходят из области вне развивающегося эмбриона, называемой желточным мешком, где они мигрируют по кровотоку и колонизируют мозг, в конечном итоге оставаясь там за преимущественно непроницаемой для клеток стенкой, известной как гематоэнцефалический барьер.

Исторически известно, что микроглия действует как клетки, которые поедают и удаляют из мозга мусор (т.е. мертвые клетки и очищают мозг после повреждения). Однако теперь мы узнаем, что они делают гораздо больше, в том числе воспринимают нейронную активность и реагируют на нее. Они также играют огромную роль в здоровье человека. Многие неврологические расстройства прямо или косвенно связаны с функцией микроглии, включая расстройства аутистического спектра, болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз, и это лишь некоторые из них.

Ваше последнее исследование предполагает, что клетки микроглии могут «прислушиваться» к соседним нейронам и изменять свое молекулярное состояние, чтобы соответствовать им. Можете ли вы объяснить, что это значит и как это происходит?

Микроглия по своей иммунологической природе представляет собой клетки, которые «слушают» и «ощущают» окружающую их среду. У них есть множество небольших ответвлений, которые постоянно обследуют их локальную область, чтобы найти слабые синапсы, места повреждения и, среди прочего, оценить уровень активности нейронов поблизости. Из прошлых исследований мы знали, что микроглия из одной области мозга экспрессирует другие клеточные рецепторы (то есть молекулы, участвующие в слушании), чем другие области мозга, но было неясно, как это проявляется на локальном уровне отдельной микроглии.

Мы обнаружили, что в пределах одной области мозга (слоев коры головного мозга), в которой находится множество различных типов возбуждающих нейронов, они могут локально контролировать микроглию двумя важными способами: 1) различные подтипы нейронов локально привлекают различное количество микроглии в свою область, и 2) они «настраивают» транскрипционные профили локальной микроглии, что-то вроде музыканта, настраивающего инструмент для получения правильного звука. Этот последний пункт очень важен, потому что он предполагает, что разные нейроны, участвующие в разных видах деятельности мозга, регулируют клеточный профиль локальной микроглии, чтобы соответствовать потребностям своих цепей.

Мы предполагаем, что это частично осуществляется различными сигнальными молекулами, которые экспрессируются различными классами возбуждающих нейронов. Мы обнаружили их путем профилирования экспрессии всех сигнальных молекул в нейронах и сопоставления этого атласа экспрессии со всеми сигнальными молекулами в различных состояниях (или мелодиях, возвращаясь к музыкальной аналогии) микроглии. Мы были ошеломлены, увидев степень специфичности передачи сигналов между этими основными подразделениями клеток.

Ваше исследование проводилось с использованием методов генетического профилирования для изучения микроглии в разных слоях. Не могли бы вы подробнее рассказать о том, как вы проводили свое исследование и какие выводы вы сделали?

Kyolic, Aged Garlic Extract, выдержанный экстракт чеснока с лецитином, 200 капсул

Мы подошли к этому вопросу двумя основными способами, профилируя микроглию мышей, что хорошо, хотя и не идеально коррелирует с человеческим мозгом. При первом подходе мы извлекали кору, затем тщательно микропрепарировали слои коры. Затем мы извлекли всю микроглию и профилировали их с помощью мощного инструмента, называемого секвенированием одноклеточной РНК. Этот метод позволяет исследователям просматривать профиль экспрессии РНК (другими словами, репертуар экспрессируемых генов) каждой клетки отдельно от других клеток.

Сначала мы обнаружили, что все клетки из всех слоев, которые мы извлекли, были микроглией благодаря экспрессии генов, уникальных и специфичных для микроглии. Но затем мы обнаружили, что поверх базового слоя идентичности существует вторичный слой экспрессии генов, который коррелирует со слоем, из которого микроглия была микродиссецирована. Это дало нам «генную сигнатуру» состояния микроглии, обогащенной каждым слоем, или настроенное состояние микроглии из каждого слоя. Важно отметить, что в каждом слое коры находится разное подмножество возбуждающих нейронов. Таким образом, мы смогли сопоставить подтип нейрона (по слоям) с состоянием микроглии (по слоям).

Во втором подходе использовался еще более мощный инструмент профилирования, который позволил нам заглянуть в экспрессию транскрипции всех клеток (нейронов, микроглии, другой глии и т. д.) в интактном мозге без необходимости его микродиссекции. Этот подход, называемый мультиплексной устойчивой к ошибкам флуоресцентной гибридизацией in situ (или сокращенно MERFISH), был применен к мозгу мыши с использованием сигнатур генов, которые мы обнаружили в нашем первом эксперименте по профилированию, подробно описанном выше. Применяя этот метод, мы могли с исключительной точностью нанести на карту точное местоположение каждой микроглии и каждого возбуждающего нейрона в трех измерениях.

Имея в руках эту карту, мы обнаружили, что состояния микроглии существуют в слоях, как мы обнаружили ранее. Что еще более интересно, мы обнаружили, что каждая микроглия находится в районе уникальных подтипов нейронов и что состояние микроглии зависит от локального состава соседних нейронов. Это говорит о том, что уровень специфичности лежит на уровне клеточных взаимодействий в окрестностях нейронов и микроглии.

Каковы некоторые последствия, которые возникают, когда связь между микроглией и их нейронами-партнерами нарушается?

Наше исследование не углублялось в последствия недопонимания между микроглией и их нейронными партнерами. Тем не менее, наш сигнальный атлас представляет поле и множество отправных точек для определения того, что может пойти не так, и, что, возможно, более важно, как мы могли бы потенциально исправить или исправить схемы, когда существует недопонимание между подтипами нейронов и микроглией.

Одно очень интересное замечание из исследований на людях заключается в том, что были выявлены расстройства аутистического спектра (РАС) между нейронами верхнего слоя коры и микроглией. Наш набор данных предназначен для раскрытия молекулярных механизмов этих нарушений верхнего слоя у людей с РАС.

Как результаты этого нового исследования могут помочь открыть двери для направлений исследований, которые могут точно нацелиться на связь между микроглией и их нейронами-партнерами?

Как я упоминал в предыдущем вопросе, наш сигнальный атлас между подтипами нейронов и микроглией — это кладезь данных, ожидающих своего изучения специалистами в области нейроиммунологии. Многие из коммуникационных сигналов являются путями, которые могут быть «лекарственными» или могут быть изменены с помощью генной терапии. Это захватывающее время, чтобы увидеть, как нацеливание на микроглию может исправить нейроны или нервные цепи и, в конечном итоге, возможно, неврологические расстройства.

Каковы следующие шаги для вас и вашего исследования?

Я перешел в биотехнологическую компанию, нацеленную на использование глиальных клеток в качестве терапии неврологических расстройств. Я надеюсь, что данные, полученные в результате этого опубликованного исследования, станут трамплином для других лабораторий, чтобы определить, как создавать различные состояния микроглии в культуре для тестирования, анализа и терапии. Я также надеюсь, что это поможет по-новому взглянуть на механизмы инициации или прогрессирования неврологических заболеваний.

Где читатели могут найти дополнительную информацию?

Читатели могут найти оригинальное исследование здесь: 

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

О Джеффри Стогсдилле, докторе философии.

В настоящее время я являюсь старшим научным сотрудником Sana Biotechnology и пытаюсь найти способы использования глиальных клеток в качестве терапии неврологических расстройств. Для исследования, проведенного по обсуждаемому документу, я работал постдоком в лаборатории Паолы Арлотты на кафедре стволовых клеток и регенеративной биологии Гарвардского университета. Обширный биоинформатический анализ был проведен Кванхо Кимом в лаборатории Джошуа Левена в Институте Броуда Гарварда и Массачусетского технологического института. Проект осуществлялся на средства NIH и Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда (через Паолу Арлотту и Джошуа Левина) и на средства HHMI (Джефф Стогсдилл).