science-review.ru
Традиционно считается, что астроцитарная глия осуществляет опорную, разграничительную и метаболическую функции. При этом известно, что глиальные клетки занимают около половины объема головного мозга (ГМ), в 5–10 раз превышая число нейронов. В последние десятилетия накопились доказательства того, что нейроглия, в первую очередь астроцитарная, не только играет важную роль в развитии мозга, гомеостазе и метаболической поддержке, но также является активным модулятором синаптической передачи, обусловливающим синаптическую пластичность [1].
Астроглия связана с нейронами посредством сигнальных молекул, формируя сложную сеть нейрон-глиальных взаимодействий. Метаболические изменения в астроцитарных клетках могут вызывать структурные и функциональные изменения нейронов, что указывает на участие астроглии в патофизиологии неврологических расстройств [2].
Цель исследования – детально изучить нейрон-астроцитарные взаимодействия в головном мозге человека в норме и при патологии, показать, что астроциты способны осуществлять передачу сигналов нейронной активности, которые позволяют головному мозгу качественно обрабатывать поступающую информацию при решении различных когнитивных задач.
Материалы и методы исследования
В работе применялись метод сплошной выборки, описательный метод.
Результаты исследования и их обсуждение
Глава 1. Популяции и специфические маркеры клеток астроглии
Астроциты (А) – отростчатые клетки со светлым овальным ядром, цитоплазмой с умеренным развитием органелл и многочисленными гранулами гликогена. В теле и отростках локализуются промежуточные филаменты, представленные виментином, нестином и глиальным фибриллярным кислым белком (GFAP). Наиболее общим признаком А является наличие двух типов контактных участков: с нейронами (в области синапсов в сером веществе и с аксоном в белом веществе) и кровеносной системой или стенками желудочков мозга [3]. Выделяют два основных типа А: протоплазматические и фиброзные.
Протоплазматические А являются наиболее распространенным типом в головном мозге человека, они расположены во всех слоях начиная с II по VI и имеют сильно ветвящиеся отростки длиной около 100 мкм, имеющие характерную «кустообразную» морфологию. Каждый А занимает собственное пространство с небольшим перекрытием с соседними клетками, охватывая тела нейронов, синапсы и кровеносные сосуды в своей окрестности. Объем протоплазматических А человека увеличен в 16,5 раза по сравнению с их аналогами у грызунов. В то время как А грызунов могут покрывать от 20 000 до 120 000 синапсов, один протоплазматический А человека может обеспечить покрытие от 270 000 до 2 миллионов синапсов. Таким образом, человеческие протоплазматические А имеют огромный потенциал для регуляции межнейронного взаимодействия и интеграции информации из большого количества синапсов. Фиброзные А находятся в белом веществе центральной нервной системы (ЦНС), имеют до 40 слабо ветвящихся отростков. Роль фиброзных А в метаболической поддержке очевидна: большинство из них контактирует с сосудистой сетью.
В дополнение к этим двум большим классам в ГМ высших приматов и человека были идентифицированы два подтипа: интерламинарные А и А с варикозными утолщениями. Интерламинарные А обнаружены в верхних кортикальных слоях, из которых они распространяют свои длинные отростки сквозь слои 2–4. Человеческие интерламинарные А более многочисленны, чем у приматов, и имеют маленькие круглые клеточные тела. Дополнительным заметным различием является наличие у людей коротких отростков, которые распространяются во всех направлениях и участвуют в формировании сети волокон GFAP. Функциональное значение интерламинарных А еще не определено окончательно, но предполагается, что они участвуют в дистанционной внутрикортикальной коммуникации. При патологических состояниях, связанных с потерей нейронов, таких как синдром Дауна, болезнь Альцгеймера, наблюдаются повреждения отростков интраламинарных А, что свидетельствует об их значимости для нейрональной поддержки. А с варикозными утолщениями локализуются в слоях 5 и 6 коры ГМ, они распространяют короткие шиповидные и до пяти длинных отростков с равномерно расположенными на расстоянии около 10 мкм друг от друга варикозными утолщениями в более глубокие слои коры. Тот факт, что А с варикозными утолщениями были зарегистрированы только у людей и приматов более высокого порядка, причем обнаруженные у шимпанзе были меньше и менее сложные, чем у людей, предполагает особую важность этого типа А в когнитивных функциях человека. Однако их точное значение до сих пор неизвестно. Предполагается, что варикозные утолщения обеспечивает компартментализацию субклеточных участков по ходу отростка и что длинные отростки могут обеспечивать связь на больших расстояниях через корковые слои, подобно интерламинарным астроцитам [3, 4]. Кроме того, известны и другие типы А: глия Бергмана, маргинальная, велатная, периваскулярная, радиальная глия Мюллера и др.
Отростки А окружают базальные мембраны капилляров, участвуя в формировании и функционировании гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), тянутся к телам и дендритам нейронов, охватывая синаптические структуры. Методом иммуноэлектронной микроскопии с использованием трехмерной реконструкции обнаружено, что перисинаптические астроцитарные отростки имеют листообразную ультратонкую форму, лишены митохондрий, микротрубочек и эндоплазматического ретикулума, но содержат отдельные рибосомы, гранулы гликогена, актин и актинсвязывающий белок, а также некоторые запасы Са2+[5, 6].
Существует несколько маркеров, специфичных для зрелых А, как то: GFAP, S100, Aldh1L1, AldoC, Ascgb1, Glt1 и аквапорин 4 [7]. Однако ни один из этих маркеров не является универсальным; например, GFAP предпочтительно маркирует А белого вещества, тогда как S100 маркирует А серого вещества и некоторые популяции олигодендроцитов. GFAP промежуточных филаментов занимает ведущее место в формировании и функционировании цитоскелета ЦНС, участвует в формировании гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), росте астроцитарных отростков и их контакте с олигодендроглицитами, миелинизации нервных волокон, стимулирует васкуляризацию белого вещества посредством индуктивного воздействия астроцитов на эндотелиальные клетки. Наконец, в присутствии GFAP протекают процессы митоза А, что крайне важно для их регенерации. Однако уровни экспрессии GFAP значительно различаются в зависимости от астроцитарного подтипа и расположения клеток. При этом некоторые А в норме не экспрессируют GFAP (а только при патологии), как, например, радиальные глиоциты Мюллера в сетчатке. Протеин S100 принадлежит к группе кислых кальций-связывающих белков и составляет до 90 % белковой фракции нервной ткани. При этом 85–90 % общего содержания S100 сосредоточено в глиальных элементах, где он синтезируется, и только 10–15 % – в нейронах. Белок модулирует специфическую активность связывания ацетилхолиновых, γ-аминокислотных, норадреналиновых, допаминовых и серотониновых рецепторов, принимает участие как в реализации генетических программ апоптоза, так и защиты от него. S100 обладает нейротрофической активностью по отношению к нейронам и морфогенной активностью по отношению к астроцитам. Нейротрофическая активность проявляется в активизации роста аксонов и дендритов, в то время как глиотрофическая и морфогенная – в стимуляции пролиферации и трансформации глиальных клеток из плоских в стеллатные.
Глава 2. Роль астроглии в формировании и функционировании ЦНС
В эмбриогенезе нервная трубка формируется по всей дорсо-вентральной оси за счет комбинации морфогенов (Shh, BMP и Wnts), регулирующих экспрессию факторов транскрипции гомеодоменов. В дальнейшем они перекрестно репрессируют друг друга, контролируя образование разных подтипов нейронов. В процессе развития ЦНС нейрогенез предшествует глиогенезу, при этом радиальная глия служит как каркасом для миграции, так и субстратом нервных стволовых клеток для обоих типов клеток. Развитие нейронов осуществляется поэтапно: стволовые клетки специфицируются в направлении заданного клона, затем они мигрируют от герменативного центра, выходят из клеточного цикла и подвергаются терминальной дифференцировке, обеспечивающей физиологическую функцию [7, 8]. Глиогенное переключение происходит около E12.5, а в коре головного мозга – около E16-18. Многие факторы, включая передачу сигналов Notch, репрессор транскрипции N-CoR, метилазу Dnmt1, ядерный фактор I-A, прямо или косвенно участвуют в глиогенезе. Уникальной особенностью промежуточных стадий развития А является их способность к пролиферации за пределами вентрикулярной зоны. Это свойство со временем снижается, и нуждается в исследовании вопрос, все ли А сохраняют пролиферативную способность или только часть их. Затем А мигрируют вдоль радиальной глии, чтобы колонизировать свой конечный пункт назначения. Поскольку развитие А происходит на поздних стадиях эмбриогенеза, а также постнатально, оно имеет отношение к педиатрическим расстройствам, обеспечивая потенциальное время для терапии нарушений их развития. В действительности, некоторые детские неврологические расстройства недавно были связаны с нарушением регуляции А, включая лейкодистрофии, расстройства аутистического спектра и эпилепсию.
Формирование ЦНС подразумевает не только дифференцировку и распределение нейронов, но и образование нейронных сетей с разнообразными типами синапсов. Общее количество синапсов в мозге млекопитающих превышает 1 × 10¹⁴ [2]. Исследования с использованием очищенных нейронов и астроглиальных культур показали, что в отсутствие глии нейроны образуют малочисленные и слабые синапсы. У мышей, которым генетически ингибировали глиогенез, наблюдается прогрессирующая потеря нейронов, снижение моторной функции, изменения синаптогенеза [2]. Однако при наличии А нормальные синаптические функции, а также количество синапсов этих нейронов увеличивались или восстанавливались за счет действия диффундирующих молекул, синтезируемых А. Среди первых идентифицированных белков – астроцит-секретированные тромбоспондины 1–5 (TSP1-5), которые индуцируют образование структурно-контактных, но постсинаптически «немых» возбуждающих синапсов in vitro и in vivo путем взаимодействия с нейронным рецептором габапентина α2δ-1.
Другим синаптогенным белком, секретируемым А, является хевин, который индуцирует постсинаптически молчащие возбуждающие синапсы, подобно TSP in vitro. В развивающейся коре ГМ мыши хевин специфически контролирует формирование таламокортикальных глутаматергических синапсов. Мыши с нокаутом Hevin обнаруживают значительную потерю этих таламокортикальных синапсов с соответствующим увеличением числа интракортикальных синапсов. Хевин функционирует, соединяя две молекулы адгезии нейрональных клеток, нейрексин 1α (Nrxn1α) и нейролигин 1B (Nlgn1B), через синапс и способствует формированию как пре-, так и постсинаптических специализаций.
Позднее были выделены и другие секретируемые глией факторы, регулирующие различные аспекты формирования возбуждающего синапса, в том числе холестерин с аполипопротеином E, глипиканы 4 и 6, TGF-β, протеогликаны хондроитина сульфата и TNF-α. Ингибирующие синапсы также индуцируются А, однако молекулярные аспекты данного явления еще нуждаются в изучении [2].
Помимо влияния на интеграцию новорожденных нейронов глия модулирует пластичность существующих синаптических цепей. Совсем недавно было показано, что А выделяют ряд сигнальных молекул-глиотрансмиттеров, таких как глутамат, D-серин, АТФ, фактор некроза опухоли, которые могут оказывать регулирующее влияние на близлежащие синапсы [8]. Функции астроцитарных глутамат-транспортеров GLT-1 и GLAST являются примерами того, как А регулируют глутаматергическую синаптическую передачу, контролируя уровни нейротрансмиттеров в синапсе. Примерно 80 % глутамата, выделяемого синапсами во внеклеточное пространство, захватывается перисинаптическими отростками А через глутаматные транспортеры. Посредством глутаминсинтетазы А превращают глутамат в глутамин, который затем передают нейронам для повторного синтеза глутамата. Обволакивание синапсов отростками А в перисинаптических регионах осуществляется с помощью гемиканального белка коннексина 30 (Сх30), который действует как белок клеточной адгезии. Генетическое удаление Сх30 приводит к инвазии А в синаптические щели, что препятствует глутаматной активации постсинаптической части и изменяет возбуждающую силу синапса. [2]. Эти данные явились основой для модели «трехстороннего синапса», в которой А, окружающие пре- и постсинаптические части, являются полноправными участниками.
А регулируют синаптическую передачу сигнала посредством везикулярного высвобождения D-серина, астроцит-специфичного нейротрансмиттера, который является ко-агонистом для NMDA-рецепторов (ионотропный рецептор глутамата, селективно связывающий N-метил-D-аспартат (NMDA)). В эксперименте изучалась роль гиппокампальных А в регуляции интеграции нейронных схем взрослого организма. В двух независимых трансгенных линиях мышей ингибировали везикулярный экзоцитоз А. Было отмечено, что нейроны взрослого организма не образуют зрелые дендритные шипики в окружении пораженных А. Данный фенотип может быть частично восстановлен за счет экзогенного добавления D-серина. Эти данные подтверждают, что для синаптической интеграции необходимо локальное везикулярное высвобождение астроцитарных факторов.
Одна из самых известных ранее функций А – регулирование концентрации ионов во внеклеточном пространстве. Активация нейронов за счет возбуждения потенциала действия приведет к накоплению K + внеклеточно, а А, окружающие синапс, будут поглощать избыточное количество K +, затем разбавлять его, передавая его другим А через щелевые контакты. Неспособность удалять избыточное количество K + может привести к гипервозбудимости нейронов и судорогам [7]. Концентрация цитозольного кальция (Ca2 +) в А также претерпевает изменения в ответ на высвобождение нейромедиаторов. Считается, что повышение астроцитарного Сa2+ в ответ на активность нейронов приводит к Сa2+-зависимому высвобождению глиотрансмиттеров, включая глутамат, D-серин, АТФ и метаболиты арахидоновой кислоты. В свою очередь, уровень Ca2+ активности в А определяет степень охвата синапсов астроцитарными отростками и влияет на поглощение перисинаптического глутамата. А не только сами способны реагировать на внешнюю стимуляцию увеличением уровня внутриклеточного Са2+, но и могут передавать эти сигналы через нексусы соседним не стимулированным А. Это явление получило название «межклеточные волны Ca2+» (“intercellular Ca2+ waves”). Предполагается, что данные волны Ca2 + модулируют активность близлежащих нейронов, вызывая высвобождение питательных веществ и регулируя кровоток [3, 8, 9].
Глава 3. Участие глии в патогенезе болезни Альцгеймера
Болезнь Альцгеймера (БА) характеризуется тяжелыми когнитивными нарушениями, потерей памяти, речи и заканчивается утратой элементарных функций, контролируемых ЦНС (локомоция, пищеварение, дыхание), и летальным исходом. По данным Alzheimer’s Disease International в 2015 г. от БА пострадало около 46,8 млн чел., и, по прогнозам, это число утроится к 2050 г. [10]. Как и другие нейродегенеративные заболевания, БА рассматривается с точки зрения патологических процессов в нейронах, связанных с утратой синапсов, образованием нейрофибриллярных клубков (являющихся скоплениями гиперфосфорилированного белка тау) и β-амилоидных (Aβ) сенильных бляшек (amyloid precursor protein, APP). Однако экспериментальные данные последних десятилетий указывают на вовлечение в этот процесс глиальных клеток, главным образом микроглии и А [3, 11]. На ранних стадиях заболевания, еще до появления клинических признаков, отмечаются явления астроцитарной атрофии, характеризующейся уменьшением размеров астроцитарных тел и отростков, снижением ветвления и сокращением объема FGAP. Отсутствие астроцитарной поддержки приводит к нарушениям синаптической передачи и связности нейронной сети, затем утрате синапсов и нейродегенерации, являющихся основной причиной ухудшения когнитивных способностей и памяти на продромальных стадиях БА [12].
На более поздних стадиях заболевания наряду с атрофированными А возникает вторая популяция так называемых реактивных А, характеризующихся, напротив, гипертрофией тел и отростков, общим увеличением объема и площади поверхности GFAP+ астроцитов. Реактивные астроциты демонстрируют функциональную гетерогенность, что позволяет разделить их на два типа: A1 и A2. Реактивные A2 осуществляют регенерацию при травмах и повреждениях ЦНС: они инкапсулируют повреждение или герметизируют поврежденный ГЭБ, образуя глиальный рубец. В то время как тип A2 способствует экспрессии генов, благоприятных для выживания и роста нейронов, в условиях нейровоспалительного процесса, тип A1 демонстрирует повышенную экспрессию генов, разрушающих синапсы. При БА локализованные вблизи бляшек амилоида реактивные А1 становятся частью воспалительного процесса: совместно с активированной микроглией они начинают продуцировать различные провоспалительные цитокины, такие как интерлейкин -1 (IL-1), фактор некроза опухоли (TNFα), компонент комплемента 1q (C1q), вызывая иммунный ответ в ЦНС [12]. Переход А на воспалительный фенотип А1 сопровождается утратой их регуляторных функций, понижается их способность к поглощению глутамата через глутаматные транспортеры, что приводит к развитию глутаматной эксайтотоксичности и дальнейшей нейродегенерации. Экспериментальные данные подтвердили участие IL-1 в механизмах нейродегенерации, таупатии и гиппокамп-зависимом дефиците пространственной памяти [13]. Реактивные А способны фагоцитировать протофибриллы Aβ, способствуя очищению дисфункциональных синапсов и восстанавливая нарушенные нервные цепи. Однако при большом количестве Aβ он не разрушается полностью, это приводит к его накоплению и дисфункции лизосом [14]. Микровезикулы, содержащие усеченный на N-конце Aβ из астроцитов, вызывают апоптоз корковых нейронов. Отложения Aβ могут инициировать нарушения Са2+ внутри- и межклеточных сигнальных путей в А путем изменения мембранной Са2+-проницаемости и/или усиления выделения Са2+ из хранилищ. Возможно, что тонкие Ca2+-механизмы в А подвергаются патологическим изменениям на самых ранних стадиях БА и влекут за собой астроцитарную атрофию. В результате снижается астроцитарная поддержка нейронов и синапсов в данной области. В то время как даже небольшое увеличение базального уровня Ca2+ в присутствии Аβ может быть достаточным для запуска сигнальных каскадов, вызывающих нарушения функции А, на поздних стадиях БА в реактивных А, связанных с бляшками Aβ, этот уровень почти удваивается по сравнению с контрольной группой. Это увеличение Ca2+ сопровождается спонтанной Ca2+-активностью, и распространяющимися по астроглиальному синцитию аберрантных Ca2+-волн, наблюдаемых на поздних стадиях БА. Предположение, что в первую очередь А являются мишенью для Aβ, стало основой глиально-кальциевой гипотезы БА [3]. Модуляция Са2+ колебаний может явиться новым методом лечения, направленным на возвращение А их физиологической роли, и привести к клиническому улучшению у пациентов с БА.
Межклеточная коммуникация между А и нейронами включает обмен органелл, включая однонаправленный или двунаправленный перенос здоровых митохондрий. Недавние открытия показали, что митохондрии могут пересекать границы клеток и переноситься между клетками [15]. Митохондрии А могут регулировать опосредованную Са2+ передачу сигналов, апоптоз и клеточный метаболизм. Межклеточный перенос митохондрий спасает поврежденные клетки, восстанавливая аэробное дыхание от митохондриальных дисфункций, связанных с ишемическим стрессом. В то же время перенос дефектных митохондрий нейронов в А, где они подвергаются митофагии, представляет собой потенциальное терапевтическое вмешательство. Усиление митофагии снижает гиперфосфорилирование тау в нейрональных клетках человека, что приводит к улучшению памяти.
Заключение
Таким образом, образование и функционирование развитой синаптической сети возможно только при нормальном глиогенезе, так как А продуцируют синаптогенные молекулы, связывающиеся с нейронами и контролирующие синаптическую пластичность.
Вклад А в патогенез БА сложен и многогранен. Возможно ли использовать модуляцию передачи кальциевых сигналов в А посредством генетических или фармакологических манипуляций для предотвращения накопления Aβ и других характерных нарушений? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо отойти от теории нейроцентризма и рассмотреть А как активных участников обработки информации. Фармакологические средства, нацеленные только на нейроны, вряд ли будут успешными, потому что невозможно сохранить жизнеспособность нейронов в среде, которая не отвечает основным метаболическим требованиям. Возникающая концепция восстановления ЦНС заключается в нацеливании на А, улучшение связей нейронов с микрососудами и синаптической передачи. Кроме того, А могут играть роль в уменьшении воспалительных реакций, уменьшении агрегатов белков и усилении переноса митохондрий, все из которых, вероятно, способствуют восстановлению после повреждения ЦНС.