science-review.ru
Синаптическая пластичность имеет важное значение для развития и адаптации головного мозга в онтогенезе. Все больше открытий свидетельствуют об участии микроглии в метаболизме нейронов. Морфологически клетки микроглии являются резидентными макрофагами ЦНС, которые, как известно, обладают целым рядом важнейших свойств: участие в воспалении, иммунный надзор и т.д. Кроме того, клетки микроглии, резидентные иммунные клетки мозга, экспрессируют и секретируют связанные с иммунитетом сигнальные молекулы, которые изменяют синаптическую передачу и пластичность в отсутствие воспаления. Когда воспаление действительно происходит, микроглия изменяет синаптические связи и синаптическую пластичность, необходимые для обучения и памяти. Поэтому данный обзор будет посвящен важнейшим исследованиям о роли микроглии как важнейшего компонента в развитии синаптогенеза и нейронов головного мозга.
Характеристика микроглии
Микроглия составляет приблизительно 10 % клеток всей ЦНС. Многие авторы отмечают, что важнейшей функцией клеток микроглии является иммунный надзор в головном и спинном мозге [1], а также их прямое участие в воспалении при инфекциях в тканях головного мозга [2, 3]. Клетки микроглии происходят из эритромиелоидных предшественников желточного мешка [4]. Известно, что в мезенхиме желточного мешка на 4–6 неделе эмбриогенеза находятся 2 популяции клеток, по своему внешнему виду схожие с нейронами. Большая часть клеток сходна с макрофагами, однако они не экспрессируют гены главного комплекса гистосовместимости (HLA-DR); оставшаяся популяция клеток, наоборот, вырабатывает антигены MHC II класса, но по морфологическим характеристикам не схожа с макрофагами. У первых колонизация макрофагами оказывается независимой от кровообращения, и макрофаги желточного мешка мигрируют в мезенхиму, а оттуда в головной мозг до формирования гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) и остаются там после его образования [5]. Эта популяция является постоянно обновляющейся, поэтому периферические макрофаги активируются только при заболеваниях, сопровождающихся проницаемостью ГЭБ [6]. В головном мозге клетки микроглии инициируют воспалительную реакцию на различные экзо- и эндогенные факторы. Главные рецепторы, которые реагируют на различные повреждения нейронов, относятся к типам пуринергических и хемокиновых рецепторов и локализуются на поверхности микроглии. Основной контроль повреждения осуществляется за счет реагирования на уровни внеклеточного АТФ и секретируемых хемокинов [7]. Этап, характеризующийся вовлечением клеток микроглии в процесс воспаления, получил название активация. Активация состоит из пяти последовательных стадий, которые включают: миграцию в очаг повреждения, локальную пролиферацию, изменение морфологии и экспрессии генов, презентацию антигена и фагоцитоза антигенных структур [8]. Клетки микроглии способны секретировать БАВ, такие как фактор некроза опухоли ФНО- α [9], интерлейкин- (ИЛ-) 1β, оксид азота (NO) [10], глутамат [11], противовоспалительные цитокины IL-4 и IL-13, которые обладают нейропротективным свойством и повышают метаболизм в нейронах после разных повреждений [12]. Классификация клеток микроглии основана на преобладании синтеза противовоспалительных и провоспалительных цитокинов. Клетки М1 (провоспалительные) и М2 (противовоспалительные) [13]. Клетки М1 обладают нейротоксическими и нейродегенеративными эффектами, так как повышение их концентрации коррелирует с хроническими нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера [14]. При инсультах различной этиологии и черепно-мозговой травме также происходит повышение концентрации клеток микроглии М1 [15]. Накопление микроглии М2 коррелирует с нейропротекцией, восстановлением и репарацией в различных условиях заболевания [16]. До недавнего времени первоначальные исследования для понимания нейрональ-микроглиальных взаимодействий описывали, что различные нейроактивные вещества, такие как NO [17] и ФНО-α [18], оказывают мощное воздействие на функции нейронов, в частности на синаптическую пластичность. Примечательно, однако, что длительное воздействие воспалительных цитокинов может привести к праймированию или сенсибилизации микроглии, поэтому она более активно трансформируется в М2, а не М1 тип в ответ на воспаление [19]. Это совершенно противоположная реакция по сравнению с реакцией при остром воспалении [20].
Механизмы, регулирующие метаболизм в нейронах
В одном эксперименте авторы [21] исследовали, существует ли роль микроглии во взаимодействии с синапсами нейронов в онтогенезе, используя визуализацию и электрофизиологические методики. Они использовали нокаутных мышей, которые экспрессируют белок GFP в микроглии под контролем промотора хемокинового рецептора CX3CR1. Таким образом, авторы могли помечать и визуализировать все изменения, происходящие в микроглии, а также изменять ее активность. Авторы обнаружили, что количество синапсов и так называемых дендритных шипов, экспрессирующих PSD95 в Cx3cr1GFP / + у мышей этот показатель был примерно в 3 раза выше, чем у мышей с дефицитом CX3CR1 (Cx3cr1KO/KO). Их результат позволил получить некоторое представление о потенциальной роли микроглии в созревании синапсов, а также о возможности того, что это может быть опосредовано белком CX3CR1 [22]. Для дальнейшего рассмотрения вопроса о том, обладают ли клетки микроглии синаптической активностью в нормальном мозге молодого взрослого человека, другая группа авторов [23] использовала электрофизиологический метод с использованием визуализации во фронтальных срезах гиппокампа головного мозга и первичных культурах нейронов, полученных из него. Далее они управляли концентрацией клеток микроглии, либо уменьшая их количество с помощью клодроната (препарат ингибирующий костную резорбцию). Снижение концентрации микроглии приводило к резкому увеличению синаптических частот, известных как спонтанные и микровозбуждающие постсинаптические токи (sEPSC и mEPSC) из области CA1 гиппокампа. Эти токи были устранены после восполнения популяции клеток микроглии в срезах гиппокампа области СА1. Изменение синаптической активности коррелировало с изменением количества синапсов, что позволило предположить, что микроглия может участвовать в контроле синаптической активности, регулируя количество синапсов.
Механизм, с помощью которого микроглия, возможно, регулирует синаптическую активность, был предложен в исследовании тех же авторов [23]. Характерными маркерами, которые определяют функционирование синапсов, являются молекулы синаптической адгезии, такие как протокадгерин и SynCAM1. Их активность была снижена в нейронах с низкой концентрацией микроглии, по сравнению с нейронами контроля. Нормальный уровень молекул синаптической адгезии был восстановлен при инкубации нейронов с микроглией, в активаторе тканевого плазминогена сериновой протеазы (ТПА). Структурные изменения в синапсе связаны со стабильностью передачи потенциала действия между нейронами. Классические молекулы синаптической адгезии кадгерины (E-кадгерин и N-кадгерин), протокатдгерины и NCAM изучались в работе синаптической пластичности. Срезы гиппокампа, которые предварительно обработали антителами против N- и E-кадгеринов, демонстрируют при использовании электрофизиологических токов сниженный уровень долговременной потенциации [24]. Кроме того, экспрессия мутантного белка N-кадгерина или действие короткого нокдауна РНК N-кадгерина обеспечивает нарушение синаптической стабильности и нарушение проведения нервного импульса в этом участке [25].
Другой группой авторов показано, что при блокировании антител к протокадгеринам в срезах гиппокампа уменьшается синаптическая передача и происходит индукция долговременной потенциации [26]. Металлопротеиназы – это семейство протеаз, которые влияют на клеточное поведение посредством целенаправленной деградации или протеолитической обработки различных молекул внеклеточного матрикса и играют важную роль в регуляции динамических изменений молекул адгезии, связанных с синаптической пластичностью [27]. Матриксные металлопротеиназы (ММП) синтезируются в клетках микроглии при патологических процессах, происходящих в ЦНС, их активность связана в первую очередь с расщеплением молекул клеточной адгезии на поверхности клетки и в синапсе [28, 29]. В частности, было показано, что использование ММП-9 специфически участвует в синтезе синапсов. Новые данные показали, что применение ММП-9 снижает уровень N-кадгерина и уменьшает синаптическую передачу [30]. Возможно, что протеазы, секретируемые из микроглии, могут регулировать синаптическую активность путем ремоделирования ЭВМ, которая, как известно, влияет на связь между синапсами [31].
Один из способов коммуникации между микроглией и нейронами – через коннексины и большие поровые каналы. Коннексины (СХ) – это белки, находящиеся в щелевых контактах, соединяющих соседние клетки. Коннексины содержат четыре высокоупорядоченных трансмембранных сегмента, цитоплазматическую петлю и 2 внеклеточные петли (EL-1) и (EL-2). Коннексины собираются в группы по шесть, чтобы сформировать полуканалы или коннексоны, а два полуканала затем объединяются, образуя щелевое соединение. Этот комплекс из шести коннексинов получил название коннексон, в дальнейшем он будет формировать гемиканал [32]. Наиболее распространенными изоформами у человека являются: Сх32 Сх46, Cx36, Cx43 и Cx45. Многочисленные исследования подтвердили, что коннексины экспрессируются в астроцитах и нейронах. В одном исследовании авторы обнаружили, что Cx36 и Cx43 экспрессируются в микроглии [33], где они индуцируют реакцию высвобождения провоспалительных цитокинов (ФНО -α и IL1β) [34] и метаболитов. В исследовании [35] было показано, что во время воспалительных процессов в организме экспрессия Cx43 повышается. Это увеличение приводит к образованию ретракции клеток микроглии и образованию так называемого функционального синцития. Изоформа Cx36 находится всегда в активном состоянии в покоящейся микроглии и не подвергается вовлечению в различные процессы во время активации микроглии. Подобно белкам СХ, в микроглии образуются большие поровые каналы, состоящие в основном из паннексинов и каналов Р2Х. Они являются пуринергическими и активируются внеклеточным АТФ. Среди них есть P2X4 канал, активность которого повышена в активированной микроглии [35]. Как уже упоминалось выше, микроглия может генерировать нейромедиаторы, в первую очередь глутамат. Показано, что применение ингибиторов глутаматных рецепторов NBQX и GYKI, а также ингибитора ГАМКергической сигнализации бикукуллина снижает подвижность микроглиальных процессов [36].
В 2011 г. был описан новый способ коммуникации в ЦНС, включающий высвобождение микровезикул, также называемых эктосомами, из плазматической мембраны [37]. Первоначально считалось, что эти микровезикулы не важны для ЦНС, но недавно было установлено, что они являются ключевыми мессенджерами в синаптической коммуникации. Везикулы содержат липиды, белки клеточной поверхности и материал из цитоплазмы или ядра клетки [38]. Везикулы распознаются клеткой-мишенью по наличию фосфатидилсерина на их поверхности [39] и взаимодействуют с соответствующими рецепторами. Они также могут непосредственно сливаться с клеткой- мишенью. На поверхности микроглии рецепторы Р2Х7, реагирующие на высвобождение АТФ, опосредуют активацию эктосом [40]. Этот процесс инициируется активностью фермента сфингомиелиназы и включает активацию эффекторного белка р38. Хотя этот механизм не является исключительным для микроглии (поскольку было показано, что астроциты также экспрессируют рецепторы Р2Х7), микроглия представляет собой значительный резервуар этих эктосом. Сигнализация через эти микровезикулы была зарегистрирована в различных системах. Считается, что одним из факторов, способствующих такой передаче сигналов, является аннексин А2 [41], белок, экспрессируемый микроглией, который влияет на их активацию [42]. Было показано, что аннексин А2 влияет на нейрональные ионные каналы и функционирование нейронов [43, 44] либо непосредственно, либо через его взаимодействие с Р11 [45].
Влияние микроглии на поведение и нейрогенез
Нормальное функционирование микроглии является необходимым условием для правильной работы мозга, и активность микроглиальных клеток важна для поддержания нейронных схем и контроля поведения. Есть два важных открытия, иллюстрирующих, что селективная дисфункция микроглии приводит к аномальному поведению или нейронной дисфункции. Первый пример – модель на мышах синдрома Ретта, формы аутистического расстройства, характеризующегося нарушением синаптогенеза, приводящего к тяжелым нарушениям моторных, языковых и когнитивных функций. Этот дефицит коррелирует с уменьшением размера нейронов, уменьшением дендритного разветвления и уменьшением числа шипов. Это заболевание связано с мутациями в гене метилового CpG-связывающего белка 2 (MECP2), транскрипционного репрессора, экспрессируемого во всех типах клеток мозга. Мыши с делецией MECP2 демонстрируют нарушение функций опорно-двигательного аппарата и снижение продолжительности жизни. Микроглия с дефицитом MECP2 демонстрирует сильное снижение фагоцитарной активности. Таким образом, авторы сделали вывод, что микроглиальная фагоцитарная активность является необходимой для развития или поддержания нейрональной схемы [45].
Другой дисфункцией мозга, связанной с нарушением работы микроглии, является патологическое поведение мышей с дефицитом Hoxb8. Эти мыши используются в качестве модели для компульсивного расстройства человека, известного также как трихотилломания. В модели на мышах поведенческий компонент может быть сохранен путем трансплантации клеток костного мозга дикого типа мышам с мутантным геном. Предполагается, что моноциты костного мозга заселяют мозг и превращаются в клетки с микроглиальными свойствами. Эксперимент по пересадке костного мозга взрослым мышам позволил авторам предположить, что этот дефект развития может отражать дисфункцию микроглии у взрослых животных [46].
В одном из исследований данные in vitro показывают, что микроглиальные клетки способствуют нейрогенезу. Супернатант, полученный из микроглиальных культур, лишь подтверждает способность стволовых клеток к самообновлению и образованию мультипотентных нейросфер [47]. Нейрогенез гиппокампа, индуцированный воздействием обогащенной среды с нейробластами, был напрямую связан с активацией микроглии [48], что еще больше подтверждает ключевую роль микроглии в его развитии. В гиппокампе взрослого животного микроглия способствует регуляции межнейрональной сетевой активности, контролируя интеграцию «юных» нейронов в существующие цепи и элиминацию апоптотических нейронов [49].
Выводы
Учитывая данные визуализации, клеточного и электрофизиологического подходов, исследования установили, что взаимодействие между нейронами и микроглией приводит к созреванию синапсов и синаптической активности в головном мозге. Полученные данные указывают на то, что клетки микроглии влияют как на созревание ЦНС в процессе развития, так и на острую и динамическую регуляцию нейронной активности зрелой, нормально функционирующей ЦНС.