Микроглия: иммунная защита и поддержание гомеостаза в центральной нервной системе.

Введение

Глиальные клетки, расположенные по всему головному и спинному мозгу.

Микроглии — это тип нейроглии (глиальных клеток), расположенный по всему головному и спинному мозгу. Микроглии составляют около 10–15% клеток, обнаруженных в головном мозге. Являясь резидентными макрофагами, они выступают в качестве первой и основной формы активной иммунной защиты в центральной нервной системе (ЦНС). Микроглии происходят из желточного мешка в ходе строго регулируемого молекулярного процесса. Эти клетки (и другие нейроглии, включая астроциты) распределены по обширным неперекрывающимся областям во всей ЦНС. Микроглии играют ключевую роль в поддержании нормальной функции мозга — они постоянно очищают ЦНС от бляшек, поврежденных или ненужных нейронов и синапсов, а также от инфекционных агентов. Поскольку эти процессы должны быть эффективными для предотвращения потенциально смертельного повреждения, микроглии чрезвычайно чувствительны даже к незначительным патологическим изменениям в ЦНС. Эта чувствительность достигается, в частности, благодаря наличию уникальных калиевых каналов, реагирующих даже на небольшие изменения внеклеточного калия. Микроглии также постоянно контролируют функции нейронов посредством прямого соматического контакта и оказывают нейропротекторное действие при необходимости. Головной и спинной мозг, составляющие ЦНС, обычно недоступны для патогенных факторов, циркулирующих в организме, благодаря ряду эндотелиальных клеток, известному как гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). ГЭБ предотвращает попадание большинства инфекций в уязвимую нервную ткань. В случае непосредственного попадания инфекционных агентов в мозг или их проникновения через ГЭБ, микроглиальные клетки должны быстро реагировать, чтобы уменьшить воспаление и уничтожить инфекционные агенты до того, как они повредят чувствительную нервную ткань. Ввиду отсутствия антител из остальной части организма (лишь немногие антитела достаточно малы, чтобы преодолеть ГЭБ), микроглии должны уметь распознавать чужеродные тела, фагоцитировать их и выступать в качестве клеток, представляющих антиген, активируя Т-клетки.

История

Способность визуализировать и характеризовать различные нейронные клетки, включая микроглию, появилась в 1880 году, когда Франц Ниссль разработал метод окраски по Нисслю. Франц Ниссль и Уильям Форд Робертсон впервые описали микроглиальные клетки в ходе своих гистологических экспериментов. Методы окрашивания клеток, использовавшиеся в 1880-х годах, показали, что микроглия связана с макрофагами. Активация микроглии и формирование разветвленных скоплений микроглии были впервые отмечены Виктором Бабешем при изучении случая бешенства в 1897 году. Бабеш заметил, что эти клетки обнаруживаются при различных вирусных инфекциях мозга, но не знал, что представляют собой наблюдаемые им скопления микроглии. Испанский ученый Сантьяго Рамон-и-Кахаль выделил "третий элемент" (тип клеток) помимо нейронов и астроцитов. Пио дель Рио Хортега, ученик Сантьяго Рамона-и-Кахаля, впервые назвал эти клетки "микроглией" около 1920 года. Он продолжил изучать микроглиальный ответ на повреждения мозга в 1927 году и отметил "фонтаны микроглии", присутствующие в мозолистом теле и других областях перинатального белого вещества в 1932 году. После многих лет исследований Рио Хортега общепризнанно стал считаться "Отцом микроглии". На протяжении длительного времени знания о микроглии практически не пополнялись. Затем, в 1988 году, Хики и Кимура показали, что периваскулярные микроглиальные клетки происходят из костного мозга и экспрессируют высокие уровни белков MHC класса II, используемых для презентации антигена. Это подтвердило постулат Пио дель Рио Хортеги о том, что микроглиальные клетки функционируют аналогично макрофагам, осуществляя фагоцитоз и презентацию антигена.

Формы

Микроглиальные клетки обладают высокой пластичностью и претерпевают разнообразные структурные изменения в зависимости от локализации и потребностей системы. Этот уровень пластичности необходим для выполнения широкого спектра функций микроглии. Способность к трансформации отличает микроглию от макрофагов, которые нуждаются в регулярной замене, и позволяет им быстро защищать ЦНС, не вызывая иммунологических нарушений. Даже в этом, считающемся состоянием покоя, микроглия активно химически исследует окружающую среду. Рамифицированная микроглия может в любой момент трансформироваться в активированную форму в ответ на повреждение или угрозу.

Реактивный (активированный)

Хотя исторически термин "активированная" микроглия часто использовался, его следует заменить на "реактивная" микроглия. Действительно, микроглия, кажущаяся покоящейся, не лишена активных функций, и термин "активация" вводит в заблуждение, поскольку подразумевает "либо всё, либо ничего" в поляризации клеточной реактивности. Маркер Iba1, экспрессия которого повышается в реактивной микроглии, часто используется для визуализации этих клеток.

Нефагоцитарные

Это состояние на самом деле является частью градиентной реакции, поскольку микроглии переходят от своей разветвленной формы к полностью активной фагоцитарной форме. Микроглии могут быть активированы различными факторами, включая: провоспалительные цитокины, факторы некроза клеток, липополисахариды и изменения внеклеточного калия (указывающие на разрушение клеток). После активации клетки претерпевают несколько ключевых морфологических изменений, включая утолщение и сокращение отростков, захват белков MHC класса I/II, экспрессию иммуномолекул, секрецию цитотоксических факторов, секрецию молекул, привлекающих другие клетки, и секрецию проинфламаторных сигнальных молекул (что приводит к каскаду проинфламаторных сигналов). Активированные нефагоцитарные микроглии обычно выглядят как "кустистые", "стержневидные" или мелкие амебоиды, в зависимости от стадии перехода от разветвленной формы к полной фагоцитарной трансформации. Кроме того, микроглии также быстро пролиферируют для увеличения их числа. С чисто морфологической точки зрения, вариация формы микроглии вдоль этого континуума связана с изменением морфологической сложности и может быть количественно оценена с использованием методов фрактального анализа, которые оказались чувствительны даже к незначительным, визуально неопределяемым изменениям, связанным с различными морфологиями в разных патологических состояниях.

Фагоцитарная

Активированные фагоцитарные микроглии — это форма микроглии с максимальной иммунной реактивностью. Эти клетки обычно приобретают крупную, амебоидную форму, хотя наблюдается некоторая вариабельность. Помимо антигенпрезентирующей, цитотоксической и воспалительной сигнализации, характерной для активированных нефагоцитарных микроглии, они также способны фагоцитировать чужеродные вещества и представлять полученные иммуномолекулы для активации Т-клеток. Фагоцитарные микроглии направляются к месту повреждения, поглощают повреждающий агент и секретируют провоспалительные факторы, стимулируя пролиферацию других клеток и их участие в этом процессе. Активированные фагоцитарные микроглии также взаимодействуют с астроцитами и нейронами для максимально быстрой борьбы с инфекцией или воспалением, минимизируя повреждение здоровых клеток мозга.

Гритчерные ячейки

Гиттерные клетки — это конечный результат фагоцитоза инфекционного материала или клеточного детрита микроглиальными клетками. В конечном итоге, поглотив определенное количество материала, фагоцитирующая микроглия теряет способность к дальнейшему фагоцитозу. Образующаяся клеточная масса известна как гранулярное тельце, получившее такое название из-за своего "зернистого" вида. Исследуя окрашенные ткани для выявления гиттерных клеток, патологи могут визуализировать области, прошедшие заживление после инфекции.

Периваскулярные

В отличие от других типов микроглии, упомянутых выше, термин "периваскулярная" микроглия относится к расположению клетки, а не к её форме или функциям. Периваскулярная микроглия преимущественно располагается внутри стенок базальной мембраны. Она выполняет типичные для микроглии функции, но, в отличие от обычной микроглии, регулярно замещается предшественниками, происходящими из костного мозга, и экспрессирует антигены MHC класса II вне зависимости от окружающей среды. Периваскулярная микроглия также сильно реагирует на антигены дифференцировки макрофагов.

Юкставаскулярная

Как и периваскулярные микроглии, юкставаскулярные микроглии можно отличить главным образом по их расположению. Юкставаскулярные микроглии обнаруживаются в непосредственном контакте с базальной мембраной кровеносных сосудов, но не находятся внутри их стенок. В таком положении они могут взаимодействовать как с эндотелиальными клетками, так и с перицитами. Подобно периваскулярным клеткам, они экспрессируют белки MHC класса II даже при низкой активности воспалительных цитокинов. В отличие от периваскулярных клеток, но аналогично резидентной микроглии, юкставаскулярные микроглии не подвергаются быстрому обновлению или регулярной замене миелоидными предшественниками. После развития большинство мертвых или апоптотических клеток обнаруживается в коре головного мозга и подкорковом белом веществе. Это может объяснить, почему большинство амебоидных микроглиальных клеток находятся в "фонтанах микроглии" в коре головного мозга.

Внешнеклеточная сигнализация

Большая часть роли микроглиальных клеток в мозге заключается в поддержании гомеостаза в неинфицированных областях и усилении воспаления в инфицированных или поврежденных тканях. Микроглии достигают этого посредством чрезвычайно сложной серии внеклеточных сигнальных молекул, позволяющих им взаимодействовать с другими микроглиями, астроцитами, нервами, Т-клетками и миелоидными клетками-предшественниками. Как упоминалось выше, цитокин IFN γ может быть использован для активации микроглиальных клеток. Кроме того, после активации IFN γ микроглия также высвобождает больше IFN γ во внеклеточное пространство. Это активирует больше микроглии и запускает цитокин-индуцированный каскад активации, быстро активируя все находящиеся поблизости микроглии. Производимый микроглией TNF α вызывает апоптоз нервной ткани и усиливает воспаление. IL 8 способствует росту и дифференцировке В-клеток, позволяя ему помогать микроглии в борьбе с инфекцией. Другой цитокин, IL 1, ингибирует цитокины IL 10 и TGF β, которые подавляют презентацию антигена и провоспалительную сигнализацию. Дополнительные дендритные клетки и Т-клетки рекрутируются к месту повреждения благодаря микроглиальному производству хемотактических молекул, таких как MDC, IL 8 и MIP 3β. Наконец, PGE2 и другие простаноиды предотвращают хроническое воспаление, ингибируя провоспалительную реакцию микроглии и снижая Th1 (T-хелпер) ответ. Микроглии в культуре секретируют большое количество перекиси водорода и оксида азота в процессе, известном как «респираторный взрыв». Оба этих химических вещества могут непосредственно повреждать клетки и приводить к гибели нейронов. Протеазы, секретируемые микроглией, катаболизируют специфические белки, вызывая прямое повреждение клеток, в то время как цитокины, такие как IL 1, способствуют демиелинизации аксонов нейронов. Наконец, микроглия может повреждать нейроны посредством процессов, опосредованных NMDA-рецепторами, путем секреции глутамата, аспартата и хинолиновой кислоты. Цитотоксическая секреция направлена на уничтожение инфицированных нейронов, вирусов и бактерий, но также может вызывать значительное сопутствующее повреждение нервов. В результате хроническая воспалительная реакция может привести к масштабному повреждению нервов, поскольку микроглии разрушают мозг, пытаясь уничтожить вторгшуюся инфекцию.

A large part of microglial cell's role in the brain is maintaining homeostasis in non infected regions and promoting inflammation in infected or damaged tissue. Microglia accomplish this through an extremely complicated series of extracellular signaling molecules which allow them to communicate with other microglia, astrocytes, nerves, T cells, and myeloid progenitor cells. As mentioned above the cytokine IFN γ can be used to activate microglial cells. In addition, after becoming activated with IFN γ, microglia also release more IFN γ into the extracellular space. This activates more microglia and starts a cytokine induced activation cascade rapidly activating all nearby microglia. Microglia produced TNF α causes neural tissue to undergo apoptosis and increases inflammation. IL 8 promotes B cell growth and differentiation, allowing it to assist microglia in fighting infection. Another cytokine, IL 1, inhibits the cytokines IL 10 and TGF β, which downregulate antigen presentation and pro inflammatory signaling. Additional dendritic cells and T cells are recruited to the site of injury through the microglial production of the chemotactic molecules like MDC, IL 8, and MIP 3β. Finally, PGE2 and other prostanoids prevent chronic inflammation by inhibiting microglial pro inflammatory response and downregulating Th1 (T helper cell) response. Microglia in culture secrete large amounts of hydrogen peroxide and nitric oxide in a process known as 'respiratory burst'. Both of these chemicals can directly damage cells and lead to neuronal cell death. Proteases secreted by microglia catabolise specific proteins causing direct cellular damage, while cytokines like IL 1 promote demyelination of neuronal axons. Finally, microglia can injure neurons through NMDA receptor mediated processes by secreting glutamate, aspartate and quinolinic acid. Cytotoxic secretion is aimed at destroying infected neurons, virus, and bacteria, but can also cause large amounts of collateral neural damage. As a result, chronic inflammatory response can result in large scale neural damage as the microglia ravage the brain in an attempt to destroy the invading infection.

Синаптическая стриптиз

В феномене, впервые отмеченном Блинзингером и Кройцбергом в 1968 году при поражениях спинного мозга, микроглия после воспаления удаляет отростки от нервов вблизи поврежденной ткани. Это способствует росту и перестройке поврежденных нейронных цепей.

Содействие ремонту

После воспаления микроглия проходит несколько этапов, способствующих регенерации нервной ткани. К ним относятся удаление синапсов, секреция противовоспалительных цитокинов, привлечение нейронов и астроцитов в область повреждения и формирование глиттер-клеток. Без клеток микроглии регенерация и перестройка были бы значительно замедлены в резидентных областях ЦНС и практически невозможны во многих сосудистых системах, окружающих мозг и глаза.

Разработка

Долгое время считалось, что микроглиальные клетки дифференцируются в костном мозге из гемопоэтических стволовых клеток, предшественников всех клеток крови. Однако недавние исследования показывают, что микроглии происходят из желточного мешка в течение весьма ограниченного эмбрионального периода и заселяют паренхиму мозга, направляемые четко организованным молекулярным процессом. Кроме того, наибольший вклад в репопуляцию микроглии вносит их локальное самообновление как в стабильном состоянии, так и при заболеваниях, в то время как циркулирующие моноциты также могут вносить вклад в меньшей степени, особенно при болезни. Моноциты также могут дифференцироваться в миелоидные дендритные клетки и макрофаги в периферических системах. Подобно макрофагам в остальной части тела, микроглии используют фагоцитарные и цитотоксические механизмы для уничтожения чужеродных материалов. Микроглии и макрофаги вносят вклад в иммунный ответ, выступая в качестве клеток, представляющих антиген, а также способствуя воспалению и гомеостатическим механизмам в организме посредством секреции цитокинов и других сигнальных молекул. В состоянии покоя микроглии лишены белков MHC I/MHC II класса, цитокинов IFN γ, антигенов CD45 и многих других поверхностных рецепторов, необходимых для выполнения антигенпрезентативной, фагоцитарной и цитотоксической функций, которые отличают нормальные макрофаги. Микроглии также отличаются от макрофагов более строгой пространственной и временной регуляцией для поддержания точного иммунного ответа. Еще одно отличие между микроглией и другими клетками, дифференцирующимися из миелоидных клеток-предшественников, заключается в скорости обновления. Макрофаги и дендритные клетки постоянно расходуются и заменяются миелоидными клетками-предшественниками, которые дифференцируются в необходимый тип. Из-за гематоэнцефалического барьера постоянная замена микроглии была бы затруднена. Поэтому, вместо постоянной замены миелоидными клетками-предшественниками, микроглии поддерживают свой статус-кво в состоянии покоя, а затем, при активации, быстро пролиферируют для поддержания их численности. Однако исследования на костных химерах показали, что в случаях тяжелой инфекции гематоэнцефалический барьер ослабевает, и микроглии заменяются гематогенными клетками, полученными из костного мозга, а именно миелоидными клетками-предшественниками и макрофагами. После снижения инфекции связь между периферической и центральной системами восстанавливается, и в период восстановления и регенерации присутствуют только микроглии.

For a long time it was thought that microglial cells differentiate in the bone marrow from hematopoietic stem cells, the progenitors of all blood cells. However, recent studies show that microglia originate in the yolk sac during a remarkably restricted embryonal period and populate the brain parenchyma guided by a precisely orchestrated molecular process. Additionally, the greatest contribution to microglial repopulation is based upon its local self renewal, both in steady state and disease, while circulating monocytes may also contribute to a lesser extent, especially in disease. Monocytes can also differentiate into myeloid dendritic cells and macrophages in the peripheral systems. Like macrophages in the rest of the body, microglia use phagocytic and cytotoxic mechanisms to destroy foreign materials. Microglia and macrophages both contribute to the immune response by acting as antigen presenting cells, as well as promoting inflammation and homeostatic mechanisms within the body by secreting cytokines and other signaling molecules. In their downregulated form, microglia lack the MHC class I/MHC class II proteins, IFN γ cytokines, CD45 antigens, and many other surface receptors required to act in the antigen presenting, phagocytic, and cytotoxic roles that distinguish normal macrophages. Microglia also differ from macrophages in that they are much more tightly regulated spatially and temporally in order to maintain a precise immune response. Another difference between microglia and other cells that differentiate from myeloid progenitor cells is the turnover rate. Macrophages and dendritic cells are constantly being used up and replaced by myeloid progenitor cells which differentiate into the needed type. Due to the blood–brain barrier, it would be fairly difficult for the body to constantly replace microglia. Therefore, instead of constantly being replaced with myeloid progenitor cells, the microglia maintain their status quo while in their quiescent state, and then, when they are activated, they rapidly proliferate in order to keep their numbers up. Bone chimera studies have shown, however, that in cases of extreme infection the blood–brain barrier will weaken, and microglia will be replaced with haematogenous, marrow derived cells, namely myeloid progenitor cells and macrophages. Once the infection has decreased the disconnect between peripheral and central systems is reestablished and only microglia are present for the recovery and regrowth period.

Старение

Микроглия переживает всплеск митотической активности при повреждении; за этим пролиферацией следует апоптоз для возвращения числа клеток к исходному уровню. Активация микроглии создает нагрузку на анаболические и катаболические механизмы клеток, что приводит к более быстрой гибели активированных микроглиальных клеток по сравнению с неактивированными. Эти хронические, связанные с возрастом, увеличения активации микроглии и экспрессии IL-1 могут способствовать повышению риска болезни Альцгеймера с возрастом, благоприятствуя формированию нейрофибриллярных бляшек у предрасположенных пациентов.

Клиническое значение

Микроглии являются основными иммунными клетками центральной нервной системы, сходными с периферическими макрофагами. Они реагируют на патогены и повреждения, изменяя морфологию и мигрируя к очагу инфекции/повреждения, где уничтожают патогены и удаляют поврежденные клетки. В рамках этого ответа они секретируют цитокины, хемокины, простагландины и активные формы кислорода, которые помогают направлять иммунный ответ. Кроме того, они играют важную роль в разрешении воспалительного ответа посредством продукции противовоспалительных цитокинов. Микроглии также широко изучались в контексте их деструктивной роли при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, рассеянный склероз, а также при сердечно-сосудистых заболеваниях, глаукоме и вирусных и бактериальных инфекциях. Накапливаются данные о том, что иммунная дисрегуляция вносит вклад в патофизиологию обсессивно-компульсивного расстройства (ОКР), синдрома Туретта и педиатрических аутоиммунных нейропсихиатрических расстройств, связанных со стрептококковыми инфекциями (ПАНДС). Поскольку микроглии быстро реагируют даже на незначительные изменения гомеостаза центральной нервной системы, их можно рассматривать как сенсоры неврологических дисфункций или расстройств. При развитии патологий мозга микроглиальный фенотип неизбежно изменяется. Множество идентифицированных генов сенсома кодируют рецепторы распознавания паттернов, однако спектр включенных генов весьма широк. Микроглии обладают сенсомой, сходной с другими макрофагами, но содержат 22 уникальных гена, 16 из которых используются для взаимодействия с эндогенными лигандами. Эти различия формируют уникальный микроглиальный биомаркер, включающий более 40 генов, в том числе P2ry12 и HEXB. DAP12 (TYROBP), по-видимому, играет важную роль во взаимодействии белков сенсомы, выступая в качестве сигнального адаптера и регуляторного белка. По этим причинам предполагается, что сенсома может играть роль в нейродегенерации. Гены сенсомы, экспрессия которых повышается с возрастом, в основном участвуют в распознавании инфекционных микробных лигандов, в то время как гены, экспрессия которых снижается, в основном участвуют в распознавании эндогенных лигандов. Способность сенсомы влиять на нейроразвитие, однако, может способствовать борьбе с заболеваниями. Делеция CX3CL1, высокоэкспрессированного гена сенсомы, в моделях грызунов с синдромом Ретта привела к улучшению состояния здоровья и увеличению продолжительности жизни. Снижение экспрессии Cx3cr1 у людей без синдрома Ретта связано с симптомами, сходными с симптомами шизофрении. Это позволяет предположить, что сенсома играет роль не только в различных нарушениях развития, но и требует жесткой регуляции для поддержания здорового состояния.

Microglia are the primary immune cells of the central nervous system, similar to peripheral macrophages. They respond to pathogens and injury by changing morphology and migrating to the site of infection/injury, where they destroy pathogens and remove damaged cells. As part of their response they secrete cytokines, chemokines, prostaglandins, and reactive oxygen species, which help to direct the immune response. Additionally, they are instrumental in the resolution of the inflammatory response, through the production of anti inflammatory cytokines. Microglia have also been extensively studied for their harmful roles in neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, Multiple sclerosis, as well as cardiac diseases, glaucoma, and viral and bacterial infections. There is accumulating evidence that immune dysregulation contributes to the pathophysiology of obsessive compulsive disorder (OCD), Tourette syndrome, and Pediatric Autoimmune Neuropsychiatric Disorders Associated with Streptococcal Infections (PANDAS). Since microglia rapidly react to even subtle alterations in central nervous system homeostasis, they can be seen as sensors for neurological dysfunctions or disorders. In the event of brain pathologies, the microglial phenotype is certainly altered. The plurality of identified sensome genes code for pattern recognition receptors, however, there are a large variety of included genes. Microglial share a similar sensome to other macrophages, however they contain 22 unique genes, 16 of which are used for interaction with endogenous ligands. These differences create a unique microglial biomarker that includes over 40 genes including P2ry12 and HEXB. DAP12 (TYROBP) appears to play an important role in sensome protein interaction, acting as a signalling adaptor and a regulatory protein. For these reasons, it is suspected that the sensome may be playing a role in neurodegeneration. Sensome genes that are upregulated with aging are mostly involved in sensing infectious microbial ligands while those that are downregulated are mostly involved in sensing endogenous ligands. The sensome's ability to alter neurodevelopment may however be able to combat disease. The deletion of CX3CL1, a highly expressed sensome gene, in rodent models of Rett syndrome resulted in improved health and longer lifespan. The downregulation of Cx3cr1 in humans without Rett syndrome is associated with symptoms similar to schizophrenia. This suggests that the sensome not only plays a role in various developmental disorders, but also requires tight regulation in order to maintain a disease free state.