Nieuczciwe komórki odpornościowe, które niszczą mózg

W pierwszych latach swojej kariery w badaniach mózgu Beth Stevens myślała o mikrogleju z irytacją, jeśli w ogóle o nich myślała. Kiedy spojrzała w mikroskop i zobaczyła te wszechobecne komórki z ich pajęczymi mackami, zrobiła to, co większość neuronaukowców robiła od pokoleń: spojrzała przez nie i skupiła się na reszcie tkanki mózgowej, tak jak można patrzeć przez drobiny brud na przedniej szybie.

Co oni tam robią? pomyślała. Zawadzają.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2016 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Stevens nigdy by się nie domyślił, że zaledwie kilka lat później będzie biegać laboratorium w Harvardzie i Bostonie Szpitalu Dziecięcym poświęconym badaniu tych niejasnych małych kępek. Albo, że będzie argumentować w najlepszych czasopismach naukowych na świecie, że mikroglej może być kluczem do zrozumienia nie tylko normalnego rozwoju mózgu, ale także przyczyn choroby Alzheimera, Huntingtona, autyzmu, schizofrenii i innych nieuleczalnych zaburzeń mózgu.

Mikroglej jest częścią większej klasy komórek – znanych pod wspólną nazwą gleju – które pełnią szereg funkcji w mózgu, kierując jego rozwojem i służąc jako jego układ odpornościowy, pożerając chore lub uszkodzone komórki i wynosząc szczątki. Wraz ze swoim częstym współpracownikiem i mentorem, biologiem ze Stanford, Benem Barresem, i rosnącą kadrą innych naukowców, 45-letnią Stevens, pokazuje, że te dawno przeoczone komórki są czymś więcej niż tylko pracownikami pomocniczymi dla otaczających je neuronów. Jej praca wywołała prowokacyjną sugestię: że zaburzenia mózgu mogą w jakiś sposób zostać wywołane przez złą obronę naszego organizmu.

U góry strony: komórka mikrogleju ludzkiego mózgu, zabarwiona w celach badawczych. Powyżej: rodzaj komórki glejowej znanej jako oligodendrocyt.

W jednym przełomowym papier , w styczniu Stevens i badacze z Broad Institute of MIT i Harvard wykazali, że nieprawidłowy mikroglej może odgrywać rolę w schizofrenii – powodując lub przynajmniej przyczyniając się do masowej utraty komórek, która może pozostawić ludzi z wyniszczającymi defektami poznawczymi. Co najważniejsze, naukowcy wskazali na szlak chemiczny, który może być ukierunkowany na spowolnienie lub zatrzymanie choroby. W zeszłym tygodniu Stevens i inni badacze opublikowany podobne odkrycie dla choroby Alzheimera.

To może być dopiero początek. Stevens bada również związek między tymi drobnymi strukturami a innymi chorobami neurologicznymi – praca, która przyniosła jej 625 000 dolarów Stypendium Fundacji MacArthura ostatni wrzesień.

Wszystko to rodzi intrygujące pytania. Czy to możliwe, że wiele powszechnych zaburzeń mózgu, pomimo ich rozległych objawów, jest spowodowanych lub przynajmniej pogarszanych przez tego samego sprawcę, element układu odpornościowego? Jeśli tak, to czy wiele z tych zaburzeń można leczyć w podobny sposób – poprzez zatrzymanie tych nieuczciwych komórek?

Kompleksowy park maszynowy

Nic dziwnego, że naukowcy przez lata ignorowali mikroglej i inne komórki glejowe na rzecz neuronów. Neurony, które razem działają, pozwalają nam myśleć, oddychać i poruszać się. Używając neuronów widzimy, słyszymy i czujemy, tworzymy wspomnienia i skojarzenia, gdy połączenia między różnymi neuronami wzmacniają się na połączeniach między nimi, zwanych synapsami. Wielu neuronaukowców twierdzi, że neurony tworzą naszą świadomość.

Z drugiej strony Glia zawsze były uważane za mniej ważne i interesujące. Mają zwyczajne obowiązki, takie jak dostarczanie składników odżywczych i tlenu do neuronów, a także wycieranie zabłąkanych chemikaliów i wywożenie śmieci.

Naukowcy od jakiegoś czasu wiedzą o gleju. W XIX wieku patolog Rudolf Virchow zauważył obecność małych okrągłych komórek wypełniających przestrzenie między neuronami i nazwał je nerwikitt lub neuroglia, co można przetłumaczyć jako kit nerwowy lub klej. Jedna odmiana tych komórek, znana jako astrocyty, została zdefiniowana w 1893 roku. W latach dwudziestych hiszpański naukowiec Pio del Río Hortega opracował nowe sposoby barwienia komórek pobranych z mózgu. To doprowadziło go do zidentyfikowania i nazwania jeszcze dwóch typów komórek glejowych, w tym mikrogleju, które są znacznie mniejsze niż inne i charakteryzują się pająkowatym kształtem i wieloma gałęziami. Zasugerował, że dopiero wtedy, gdy mózg jest uszkodzony w wieku dorosłym, mikroglej ożywa – pędząc do urazu, gdzie, jak sądzono, pomógł oczyścić ten obszar, jedząc uszkodzone i martwe komórki. Na scenie często pojawiały się również astrocyty; uważano, że tworzą blizny.

Ta nadzwyczajna konwergencja mikrogleju i astrocytów została nazwana glejozą, a zanim Ben Barres wstąpił do szkoły medycznej pod koniec lat 70., została dobrze ugruntowana jako znak rozpoznawczy chorób neurodegeneracyjnych, infekcji i szerokiej gamy innych schorzeń. Ale wydawało się, że nikt nie rozumie, dlaczego tak się stało. To zaintrygowało Barresa, ówczesnego neurologa w trakcie szkolenia, który widział to za każdym razem, gdy patrzył pod mikroskopem na tkankę nerwową w niebezpieczeństwie. Mówi, że to było naprawdę fascynujące. Wielką tajemnicą było: jaki jest sens tej glejozy? Czy to jest dobre? To jest złe? Czy napędza proces chorobowy, czy próbuje naprawić uszkodzony mózg?

Barres zaczął szukać odpowiedzi. Nauczył się hodować komórki glejowe w naczyniu i stosować do nich nową technikę nagrywania. Mógł zmierzyć ich właściwości elektryczne, które określają sygnalizację biochemiczną, której używają wszystkie komórki mózgowe do komunikowania się i koordynowania aktywności.

Odkąd zacząłem rejestrować komórki glejowe, pomyślałem: „O mój Boże!”, wspomina Barres. Aktywność elektryczna była bardziej dynamiczna i złożona, niż ktokolwiek przypuszczał. Te dziwne właściwości elektryczne można by wyjaśnić tylko wtedy, gdyby komórki glejowe były dostrojone do otaczających je warunków i do sygnałów wysyłanych z pobliskich neuronów. Innymi słowy, komórki glejowe Barresa miały całą maszynerię niezbędną do prowadzenia złożonego dialogu z neuronami i przypuszczalnie reagowania na różnego rodzaju stany w mózgu.

Ale po co mieliby potrzebować tej maszynerii, skoro byli po prostu zaangażowani w oczyszczanie martwych komórek? Co mogliby robić? Okazuje się, że przy braku substancji chemicznych uwalnianych przez glej neurony popełniły biochemiczną wersję samobójstwa. Barres wykazał również, że astrocyty odgrywają kluczową rolę w tworzeniu synaps, mikroskopijnych połączeń między neuronami kodującymi pamięć. W izolacji neurony były zdolne do tworzenia kolczastych wyrostków niezbędnych do dotarcia do synaps. Ale bez astrocytów nie były w stanie połączyć się ze sobą.

Mało kto mu wierzył. Kiedy był młodym wykładowcą na Uniwersytecie Stanforda w latach 90., jeden z jego wniosków o stypendium do National Institutes of Health został odrzucony siedmiokrotnie. Recenzenci powtarzali: „Nie, nie ma mowy, żeby Glia mógł to robić” — wspomina Barres. I nawet po tym, jak opublikowaliśmy dwa artykuły w: Nauka pokazując, że [astrocyty] miały głęboki, prawie wszystko albo nic wpływ na kontrolowanie tworzenia synaps lub aktywności synaps, nadal nie mogłem otrzymać funduszy! Myślę, że nadal trudno jest sprawić, by ludzie myśleli o gleju jako o działaniu aktywnym w układzie nerwowym.

Oznaczone do eliminacji

Beth Stevens przyjechała na badanie gleju przez przypadek. Po ukończeniu Northeastern University w 1993 roku pojechała za swoim przyszłym mężem do Waszyngtonu, gdzie dostał pracę w Senacie USA. Stevens był przedmedykiem na studiach i miał nadzieję, że będzie pracował w laboratorium w National Institutes of Health. Ale bez wcześniejszego doświadczenia badawczego została mocno odrzucona. Dlatego podjęła pracę jako kelnerka w restauracji Chili's w pobliskim Rockville w stanie Maryland i co tydzień pojawiała się w NIH ze swoim CV.

Po kilku miesiącach Stevens odebrał telefon od naukowca Douga Fieldsa, który potrzebował pomocy w swoim laboratorium. Fields badał zawiłości procesu izolacji neuronów w powłoce zwanej mieliną. Ta izolacja jest niezbędna do przesyłania impulsów elektrycznych.

Gdy Stevens spędziła kolejne lata na doktoracie na Uniwersytecie Maryland, zaintrygowała ją rola, jaką komórki glejowe odegrały w izolujących neuronach. Po drodze zapoznała się z innymi spostrzeżeniami na temat komórek glejowych, które zaczęły się pojawiać, zwłaszcza z laboratorium Bena Barresa. Dlatego wkrótce po ukończeniu doktoratu w 2003 roku Stevens znalazła się na stażu podoktorskim w laboratorium Barresa w Stanford, aby dokonać ważnego odkrycia.

Grupa Barresa zaczęła identyfikować określone związki wydzielane przez astrocyty, które wydawały się powodować wzrost synaps w neuronach. W końcu zauważyli, że te związki stymulują również produkcję białka o nazwie C1q.

Konwencjonalna wiedza głosiła, że ​​C1q był aktywowany tylko w chorych komórkach – białko oznaczało, że mają zostać zjedzone przez komórki odpornościowe – i tylko poza mózgiem. Ale Barres znalazł to w mózgu. I to było w zdrowych neuronach, które prawdopodobnie znajdowały się na swoim najmocniejszym etapie: we wczesnym rozwoju. Co tam robiło białko C1q?

Zabarwiony astrocyt.

Odpowiedź tkwi w fakcie, że oznaczanie komórek do eliminacji nie jest czymś, co dzieje się tylko w chorym mózgu; jest również niezbędna do rozwoju. W miarę rozwoju mózgu ich neurony tworzą znacznie więcej połączeń synaptycznych, niż będą ostatecznie potrzebować. Tylko te, które są używane, mogą pozostać. To przycinanie pozwala na najbardziej wydajny przepływ transmisji neuronowych w mózgu, usuwając szumy, które mogłyby zaciemnić sygnał.

Nie wiadomo jednak, jak dokładnie przebiegał ten proces. Czy to możliwe, że C1q pomógł zasygnalizować mózgowi przycinanie nieużywanych synaps? Stevens skoncentrowała swoje badania podoktoranckie na odkryciu. Mogliśmy się całkowicie mylić, wspomina. Ale zdecydowaliśmy się na to.

Opłaciło się. W artykule z 2007 roku Barres i Stevens wykazali, że C1q rzeczywiście odgrywa rolę w eliminowaniu niepotrzebnych neuronów w rozwijającym się mózgu. Odkryli, że białko to jest praktycznie nieobecne w zdrowych, dorosłych neuronach.

Teraz naukowcy stanęli przed nową zagadką. Czy C1q pojawia się w chorobach mózgu, ponieważ ten sam mechanizm związany z przycinaniem rozwijającego się mózgu później zawodzi? Rzeczywiście, pojawiły się już dowody na to, że jednym z najwcześniejszych zdarzeń w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera, Parkinsona i Huntingtona, była znaczna utrata synaps.

Być może w końcu udamy się na choroby, które nie były kontrolowane od pokoleń.

Kiedy Stevens i Barres zbadali myszy wyhodowane z jaskrą, chorobą neurodegeneracyjną, która zabija neurony w układzie wzrokowym, odkryli, że C1q pojawił się na długo przed jakimikolwiek innymi wykrywalnymi oznakami, że choroba się opanowała. Pojawił się jeszcze zanim komórki zaczęły umierać.

Sugerowało to, że komórki odpornościowe mogą w rzeczywistości powodować chorobę lub przynajmniej ją przyspieszać. A to oferowało intrygującą możliwość: można zrobić coś, co zatrzymałoby ten proces. Barres założył firmę Annexon Biosciences, aby opracować leki blokujące C1q. Artykuł opublikowany w zeszłym tygodniu przez Barresa, Stevensa i innych badaczy pokazuje, że związek testowany przez Annexon wydaje się być w stanie zapobiegać wystąpieniu choroby Alzheimera u myszy hodowanych w celu rozwoju tej choroby. Teraz firma ma nadzieję przetestować go na ludziach w ciągu najbliższych dwóch lat.

Ścieżki do zabiegów

Aby lepiej zrozumieć proces, który może wywołać C1q, Stevens i Barres chcieli dowiedzieć się, co tak naprawdę odgrywa rolę Pac-Mana, pożerającego synapsy przeznaczone na śmierć. Powszechnie wiadomo było, że białe krwinki znane jako makrofagi pochłaniały chore komórki i obcych najeźdźców w pozostałej części ciała. Ale makrofagi zwykle nie są obecne w mózgu. Aby ich teoria zadziałała, musiał istnieć jakiś inny mechanizm. Dalsze badania wykazały, że komórki, które jedzą nawet w zdrowych mózgach, to te tajemnicze skupiska materiału, które Beth Stevens przez lata oglądała przez mikroskop — mikroglej, który Río Hortega zidentyfikował prawie 100 lat temu.

Teraz laboratorium Stevens na Harvardzie, które otworzyła w 2008 roku, poświęca połowę swoich wysiłków na ustalenie, co robi mikroglej i co powoduje, że to robi. Okazuje się, że komórki te pojawiają się w embrionie myszy w ósmym dniu, przed jakąkolwiek inną komórką mózgową, co sugeruje, że mogą pomóc w kierowaniu pozostałym rozwojem mózgu – i mogą przyczynić się do wielu chorób neurorozwojowych, gdy się nie powiodą.

W międzyczasie poszerza również swoje badania nad sposobem, w jaki różne substancje determinują to, co dzieje się w mózgu. C1q jest właściwie tylko pierwszym z serii białek, które gromadzą się na synapsach przeznaczonych do eliminacji. Stevens zaczął odkrywać dowody na to, że istnieje szeroki wachlarz ochronnych cząsteczek „nie zjedz mnie też”. To równowaga między wszystkimi tymi wskazówkami reguluje, czy mikroglej jest wzywany do niszczenia synaps. Problemy w każdym mogą, prawdopodobnie, zepsuć system.

Coraz więcej dowodów wskazuje, że mikroglej jest zaangażowany w kilka problemów neurorozwojowych i psychiatrycznych. Potencjalny związek ze schizofrenią, który został ujawniony w styczniu, pojawił się po tym, jak naukowcy z Broad Institute, kierowani przez Stevena McCarrolla i absolwenta Aswina Sekara, podążyli śladem wskazówek genetycznych, które doprowadziły ich bezpośrednio do pracy Stevensa. W 2009 roku trzy konsorcja z całego świata opublikowały artykuły porównujące DNA u osób ze schizofrenią i bez schizofrenii. To Sekar zidentyfikował możliwy wzorzec: im więcej określonego typu białka było obecne w synapsach, tym większe ryzyko rozwoju choroby. Białko C4 było blisko spokrewnione z C1q, tym, które po raz pierwszy zidentyfikowali w mózgu Stevens i Barres.

McCarroll wiedział, że schizofrenia atakuje w późnym okresie dojrzewania i wczesnej dorosłości, kiedy obwody mózgowe w korze przedczołowej podlegają intensywnemu przycinaniu. Inni odkryli, że obszary kory przedczołowej należą do najbardziej zniszczonych przez chorobę, co prowadzi do masywnej utraty synaps. Czy to możliwe, że nadmierne przycinanie przez nieuczciwy mikroglej jest częścią tego, co powoduje schizofrenię?

Aby się tego dowiedzieć, Sekar i McCarroll skontaktowali się ze Stevensem i oba laboratoria zaczęły organizować wspólne cotygodniowe spotkania. Wkrótce wykazali, że C4 odgrywa również rolę w przycinaniu synaps w mózgach młodych myszy, co sugeruje, że nadmierne poziomy białka mogą rzeczywiście prowadzić do nadmiernego przycinania – i do przerzedzania tkanki mózgowej, które wydaje się występować jako objawy, takie jak epizody psychotyczne nasilają się.

Jeśli uszkodzenie mózgu obserwowane w chorobie Parkinsona i Alzheimera wynika z nadmiernego przycinania, które może rozpocząć się we wczesnym okresie życia, dlaczego objawy tych chorób pojawiają się dopiero później? Barres myśli, że wie. Zauważa, że ​​mózg może normalnie zrekompensować obrażenia, zmieniając się i generując nowe synapsy. Zawiera również wiele nadmiarowości. To wyjaśniałoby, dlaczego pacjenci z chorobą Parkinsona nie wykazują dostrzegalnych objawów, dopóki nie stracą 90 procent neuronów wytwarzających dopaminę.

Może to również oznaczać, że subtelne objawy mogą w rzeczywistości zostać wykryte znacznie wcześniej. Barres wskazuje na studium zakonnic opublikowane w 2000 roku. Kiedy badacze przeanalizowali eseje, które zakonnice napisały przed dziesięcioleciami w swoich klasztorach, odkryli, że kobiety, u których rozwinęła się choroba Alzheimera, wykazywały mniejszą gęstość pomysłów nawet w wieku 20 lat. Myślę, że implikacją tego jest to, że mogą być chorobami na całe życie, mówi Barres. Proces chorobowy może trwać przez dziesięciolecia, a mózg po prostu kompensuje, zmienia okablowanie, tworzy nowe synapsy. W pewnym momencie mikroglej zostaje uruchomiony, aby usunąć zbyt wiele komórek, twierdzi Barres, i objawy choroby zaczynają się w pełni manifestować.

Przekształcenie tego wglądu w leczenie nie jest proste, ponieważ wiele pozostaje niejasnych. Być może nadmiernie agresywna reakcja mikrogleju jest zdeterminowana przez jakąś kombinację wariantów genetycznych, których nie wszyscy podzielają. Stevens zauważa również, że choroby takie jak schizofrenia nie są powodowane przez jedną mutację; raczej szeroka gama mutacji o niewielkich skutkach powoduje problemy, gdy działają wspólnie. Geny kontrolujące produkcję C4 i innych białek układu odpornościowego mogą być tylko częścią historii. To może wyjaśniać, dlaczego nie każdy, kto ma mutację C4, zachoruje na schizofrenię.

Niemniej jednak, jeśli Barres i Stevens mają rację, że układ odpornościowy jest powszechnym mechanizmem stojącym za wyniszczającymi zaburzeniami mózgu, to samo w sobie jest fundamentalnym przełomem. Ponieważ nie znamy mechanizmów wywołujących takie choroby, naukowcy medyczni byli w stanie jedynie złagodzić objawy, a nie zaatakować przyczyny. Nie ma dostępnych leków, które mogłyby zatrzymać lub nawet spowolnić neurodegenerację w chorobach takich jak choroba Alzheimera. Niektóre leki podnoszą poziom neuroprzekaźników w sposób, który krótkotrwale ułatwia osobom z demencją tworzenie nowych połączeń synaptycznych, ale nie zmniejszają szybkości niszczenia istniejących synaps. Podobnie nie ma terapii, które eliminują przyczyny autyzmu lub schizofrenii. Nawet spowolnienie postępu tych zaburzeń byłoby dużym postępem. Być może w końcu udamy się na choroby, które nie były kontrolowane od pokoleń.

Jesteśmy daleko od lekarstwa, mówi Stevens. Ale zdecydowanie mamy drogę naprzód.

Adam Piore jest niezależnym pisarzem, który napisał Szokujący sposób na naprawę mózgu w listopadzie/grudniu 2015 r.

ukryć