Микроглия — это передовые исполнители иммунной системы в мозге. Это клетки, которые патрулируют мозг и уничтожают все вредоносное, с чем сталкиваются, от вторгающихся бактерий до клеточного мусора. Они также удаляют бляшки и обрезают дисфункциональные синапсы между нейронами.

Микроглия устраняет свои цели, поедая их: они обволакивают материал и запечатывают его в пузыревидных органеллах, называемых фагосомами. Затем фагосома может сливаться с другими органеллами, которые расщепляют ее содержимое.

Микроглиальные фагосомы играют важную роль в развитии мозга , функционировании мозга и множестве заболеваний мозга, включая нейродегенерацию и рак мозга . Поэтому понимание биологии микроглиальных фагосом может помочь в разработке новых методов лечения неизлечимых в настоящее время заболеваний мозга.

Однако микроглию и ее органеллы было трудно изучать, поскольку существующие модели стволовых клеток и животных недостаточно напоминают микроглию в человеческом мозге, а также потому, что микроглия, как бдительный иммунный патруль, реагирует даже на едва заметные стимулы, и поэтому экспериментальные условия могут вызывать изменения в клетках, затрудняющие анализы.

Чтобы преодолеть эти проблемы, основатель Института Уайтхеда Рудольф Йениш, также являющийся профессором биологии Массачусетского технологического института, профессор невропатологии Фрайбургского университета Марко Принц и невропатолог Фрайбургского университета Эмиль Вограм, начавший этот проект в качестве постдокторанта в лаборатории Йениша, разработали метод выделения и анализа фагосом микроглии быстрым, щадящим и беспристрастным способом.

В исследовании , опубликованном в журнале Immunity 15 августа, исследователи описывают, как они могут изолировать и профилировать фагосомы из микроглии, полученной из стволовых клеток, и свежей ткани человеческого мозга. Они также делятся новыми идеями о биологии фагосом в человеческом мозге, касающимися синаптической обрезки и генерации НАД + , широко используемой молекулы в мозге, микроглией.

Разработанный исследователями метод выделения фагосом из клеток использует иммунопреципитацию, при которой антитела прикрепляются к определенному целевому белку на поверхности органеллы.

Когда антитела собираются, они тянут за собой органеллы. Этот метод позволяет избежать многих химических пертурбаций, которые могут изменить профиль микроглии. Иногда исследователи генетически конструируют мишень для антител, но для того, чтобы изолировать фагосомы из ткани человеческого мозга, Вограму пришлось найти естественно экспрессируемую мишень. В конце концов, он и его коллеги нашли одну: белок CD68.

Сначала исследователи выделили фагосомы из микроглии, полученной из стволовых клеток. Они совместно культивировали микроглию с другими типами клеток мозга, чтобы создать среду, более похожую на мозговую, что привело к лучшему соответствию между экспрессией генов микроглии, полученной из мозга и стволовых клеток.

Они заставили часть микроглии войти в воспалительное или похожее на болезнь состояние, чтобы увидеть, как это повлияло на фагосомы. Кроме того, Вограм сотрудничал с отделением нейрохирургии Фрайбургского университета, чтобы получить доступ к тканям мозга сразу после их удаления во время операции. Он изолировал фагосомы от мозговой ткани в течение получаса после ее удаления, что позволило ему профилировать органеллы до того, как их содержимое могло сильно измениться.

Профили, которые построили исследователи, включали в себя то, какие белки и метаболиты содержались в фагосомах, а также профиль экспрессии генов всей клетки. Профили значительно различались между наборами фагосом, но исследователи идентифицировали ядро ​​постоянных белков, включая многие известные, а также некоторые неизвестные белки фагосом.

Результаты показали, что фагосомы содержат чувствительные сигнальные молекулы, которые позволяют им быстро реагировать даже на незначительные раздражители окружающей среды.

Кроме того, содержание белка в совместно культивируемой микроглии предоставило убедительные доказательства того, что когда микроглия обрезает синапсы, она преимущественно обрезает сторону, которая посылает сигнал, а не сторону, которая его получает. Это понимание может быть полезным для понимания того, как микроглия взаимодействует с синапсами в норме и патологии.

Исследователи также получили представление о ключевом метаболическом пути, который происходит внутри микроглии . В избытке молекула хинолиновой кислоты может быть токсичной для нейронов; она вовлечена во многие нейродегенеративные заболевания. Однако клетки могут использовать хинолиновую кислоту для производства НАД + , молекулы, широко используемой для выполнения основных клеточных функций.

Микроглия — единственные клетки мозга, которые генерируют НАД + . Вограм и его коллеги обнаружили, что ключевые этапы этого процесса происходят в фагосомах. Таким образом, фагосомы необходимы как для удаления избытка хинолиновой кислоты для предотвращения токсичности, так и для помощи в генерации НАД + в мозге.

Наконец, Вограм использовал ткани мозга для сравнения фагосом из опухоли с фагосомами из окружающей здоровой ткани. Фагосомы в опухоли содержали избыток хинолиновой кислоты. Хотя для подтверждения результатов потребуются последующие исследования, эти результаты согласуются с исследованиями, которые предполагают, что раковые клетки используют хинолиновую кислоту для подпитки своего роста.

В совокупности эти результаты проливают свет на аспекты биологии фагосом и роли, которые фагосомы могут играть в нормальном развитии и поддержании мозга, а также в раке и нейродегенерации. Исследователи также ожидают, что их метод может оказаться полезным для профилирования других органелл, особенно когда органеллы необходимо быстро изолировать от тканей человека.