Назад
Микроглия имеет различную морфологию в зависимости от того, где она расположена в мозге мыши, согласно новому исследованию, которое раскрывает нюансы формы клеток. Эта форма также меняется с развитием и зависит от пола, показали исследователи в данных, которые могут помочь в понимании роли микроглии при таких заболеваниях, как аутизм.
Микроглия - это иммунные клетки, которые поддерживают здоровое развитие мозга. Считающиеся мозговыми садовниками или домработницами, они постоянно исследуют окружающую среду, готовые активизироваться, когда их услуги потребуются для обрезки синапсов или уборки клеточного мусора.
Согласно одной из теорий этого заболевания, функция микроглиальных клеток нарушается у людей с аутизмом. Микроглия в мозге аутистов имеет тенденцию к дисрегуляции генов, а модели аутизма у мышей демонстрируют непропорционально большое количество микроглии в активированном состоянии. Но исследователи пока не знают, как морфология микроглии связана с функцией или как она меняется в процессе развития, поэтому трудно определить, что именно является нетипичным у аутистов.
Одна из проблем заключается в том, чтобы понять, как вообще можно отследить изменения клеток, объясняет Сандра Зигерт, доцент кафедры наук о жизни в Институте науки и технологии Австрии в Клостернойбурге. Хотя часто можно отличить активированную микроглию от неактивированной - первая имеет округлую форму с короткими придатками, в то время как неактивированные клетки обычно имеют длинные, тонкие ручки, которые разветвляются в разных направлениях - многие клетки существуют в промежуточном состоянии.
В результате "мы не знаем, какой признак является наиболее важным для характеристики формы микроглии", - говорит Зигерт. Поэтому она и ее коллеги придумали способ математически упростить трехмерную форму микроглиальной клетки, сохранив при этом как можно больше информации, который они использовали для анализа более 40 000 отдельных клеток из семи областей мозга самцов и самок мышей на разных стадиях развития. Этот подход может "пролить свет на то, какие цепи могут быть задействованы" в состояниях, таких как аутизм, считает Лиор Бримберг, доцент нейроиммунологии в Институте медицинских исследований Файнштейна, который не принимал участия в работе.
Зигерт рассказывает, что она и ее коллеги хотели оценить, как микроглия меняет форму в ответ на воздействие препарата кетамин, который используется для анестезии лабораторных животных. Повторное воздействие кетамина, как показало предыдущее исследование, позволяет микроглии удалять структуру, называемую перинейрональной сетью, из интернейронов, повышая синаптическую пластичность нейронов. Но когда команда использовала стандартные методы для оценки изменений в форме микроглиальных клеток, которые могли бы объяснить изменение функции, они ничего не нашли.
Вместо этого они решили отследить морфологию клеток с помощью методов из математической топологии. Они разработали алгоритм, который отслеживает длину ответвлений клетки, начиная с концов, наиболее удаленных от тела клетки. В каждой точке ветвления программа определяет самую длинную и самую короткую ветвь. Она записывает длину более короткой ветви, а затем продолжает отслеживать длину более длинного рукава. Полученный результат выглядит как горизонтальный штрих-код, со стопкой расположенных в шахматном порядке линий, которые отражают длину каждого ответвления и его связь с другими на клетке.
Затем исследователи преобразовали каждый штрих-код в изображение и обработали всю совокупность изображений таким образом, чтобы получить наиболее информативные размеры. Микроглия из одной и той же области мозга имеет схожую морфологию, как показали графики результатов, полученных для каждой клетки. Например, клетки из первичной соматосенсорной коры располагались близко друг к другу, в то время как клетки из кохлеарного ядра и мозжечка образовывали свои собственные группы, что говорит о том, что данный подход позволяет уловить значимые региональные различия в форме микроглии. Результаты исследования опубликованы в сентябре в журнале Nature Neuroscience.
Морфология микроглии меняется в процессе развития регионально специфическим образом, согласно анализу клеток 7-, 15- и 22-дневных мышей, а также взрослых животных. Клетки взрослых самок и самцов мышей также сформировали свои собственные отдельные кластеры для большинства областей мозга, что указывает на половые различия в микроглии. Когда Зигерт и ее коллеги применили тот же подход к микроглии, неоднократно подвергавшейся воздействию кетамина, они обнаружили, что многократное воздействие сдвигает клетки от зрелого, неактивированного профиля к активированному профилю, наблюдаемому в мозге молодых мышей. При использовании предыдущего подхода "не так очевидно, что происходит что-то морфологическое", - поясняет Зигерт. "Но теперь с помощью нашей стратегии можно отследить такого рода морфологические изменения".
Получение четкого представления о том, как и когда микроглия меняет морфологию в животных моделях аутизма, "будет огромным преимуществом", - считает Бримберг. Секвенирование РНК единичных клеток позволяет отличить активированную микроглию от неактивированной, но пока неясно, как данные РНК-секвенирования соотносятся с тонкими различиями в форме клеток, отмечает Бримберг. В дальнейшем было бы полезно сравнить данные РНК-последовательностей с данными морфологии, чтобы увидеть, насколько они совпадают, добавляет она.
Исследователи планируют продолжить изучение того, как морфология микроглии предсказывает функцию - от точного определения изменений после повторного воздействия кетамина до отслеживания формы клеток в мозге мышей, моделирующих такие заболевания, как болезнь Альцгеймера. "Морфология была так важна" для классификации клеток и сравнения различных состояний, говорит Зигерт. "Так что это очень важно" для ее понимания.
Gloria Colombo et al. Метод картирования морфологии микроглии, morphOMICs, выявляет фенотипы, зависящие от региона мозга и пола (аннотация).
Факторы окружающей среды влияют на высокодинамичную морфологию микроглии. Стратегии для характеристики этих изменений обычно включают выбранные пользователем морфометрические характеристики, что исключает идентификацию спектра контекстно-зависимых морфологических фенотипов.
В данном исследовании мы разработали MorphOMICs, топологический подход к анализу данных, который позволяет полуавтоматически отображать морфологию микроглии в атласе фенотипов, зависящих от сигнала, и преодолевает предубеждения при отборе признаков и биологическую изменчивость. Мы извлекаем пространственно неоднородные и сексуально диморфные морфологические фенотипы для семи областей мозга взрослых мышей. Этот половой фенотип уменьшается по мере взросления, но увеличивается по мере развития заболевания в двух мышиных моделях нейродегенерации, причем у самок морфологический сдвиг в пораженных областях мозга происходит быстрее. Примечательно, что морфология микроглии отражает адаптацию при повторном воздействии кетаминового наркоза и не восстанавливается до контрольной морфологии. Наконец, мы продемонстрировали, что длинные первичные процессы и короткие терминальные процессы дают различные представления о морфологических фенотипах.
MorphOMICs открывает новую перспективу для характеристики морфологии микроглии.
