Микроглия – это настоящая многофункциональная аварийно-спасательная и очень хозяйственная бригада мозга. Она «выносит» из него «мусор», помогает бороться с инфекциями, включает при необходимости химическую «сирену», призывая на помощь иммунные клетки, переключает связи с поврежденных нейронов на уцелевшие и вообще выполняет массу всего крайне полезного.
И подробнее об этом мы расскажем в очередной статье из цикла «Нейронауки для всех», подготовленной нашими коллегами Михаилом Диконенко и Романом Деевым из Военно-медицинской академии и Рязанского государственного медицинского университета.
Микроглия (от древне греч. mikros, маленький; glia, клей) представляет собой совокупность мелких удлинённых звёздчатых клеток (микроглиоцитов) с плотной цитоплазмой и сравнительно короткими ветвящимися отростками. Они, как правило, располагаются вдоль капилляров центральной нервной системы (ЦНС). Они знаменательны тем, что это специальные макрофаги, берущие своё начало из соединительной ткани, которые находятся в ЦНС постоянно, а не время от времени (резиденты). Происходят они непосредственно из моноцитов (белых клеток крови, необходимых для иммуннитета) или околососудистых макрофагов и относятся к так называемой макрофагально-моноцитарной системе.
Наследник великого гистолога и мозговые фагоциты
Термин «микроглия» ввёл ученик знаменитого гистолога Сантьяго Рамон-и-Кахаля – Пио дел Рио-Гортега – ещё в 1920-х годах, когда он разделил глиальные клетки мозга на макро- и микроглию. Впоследствии их стали называть клетки Гортега, и так учёный навсегда вписал в историю своё имя.
Пио дел Рио-Гортега впервые представил концепцию микроглии, как определённого клеточного элемента центральной нервной системы, в главе Microglia, написанной для книги, ставшей в последствии знаковой – Cytology and Cellular Pathology of the Nervous System (Цитология и клеточная патология нервной системы). Она вышла под редакцией Уайлдера Пенфилда в 1932 году. В этой главе Рио-Гортега говорил о том, что микроглия мигрирует в ЦНС на ранних этапах эмбриогенеза и в развивающемся мозге присутствует временная её форма – амёбоидная. Она, активно фагоцитируя (поглощая посторонние включения), выполняет защитную функцию в ранний послеродовый период, когда ещё не вполне развит гематоэнцефалический барьер и вещества из крови легко попадают в мозг. При этом такие клетки имеют большую способность мигрировать и размножаться.
Нужно отметить, что Гортега имел предшественников и не он был первооткрывателем клеток Гортеги. Кто был первым, пока что неясно. Вроде бы, в 1878 году Карл Фроманн идентифицировал клеточные изменения в определенных областях головного и спинного мозга умершего от рассеянного склероза пациента 22 лет. Мы точно знаем, что в конце XIX – начале XX века эти клетки видели и зарисовывали Франц Ниссль, Алоис Альцгеймер и Людвиг Мерцбахер. Да и сам учитель Гортеги, Сантьяго Рамон-и-Кахаль тоже отметился на этом поприще.
Сейчас уже известно, что микроглия принципиально отличается от полученных из костного мозга моноцитов/макрофагов, которые часто можно найти в периферических тканях. Отличие в том, что её клетки берут своё начало из примитивных макрофагов, которые происходят из стенки желточного мешка, во время эмбриогенеза (8-я неделя эмбрионального развития) и входят в мозговой рудимент через систему кровообращения.
Эти предшественники окружают нейроэпителий развивающегося мозга вокруг к 9-й неделе эмбрионального развития и на 64-й день входят в нейроэпителий, начиная заселять ткань ЦНС. Действительно, микроглиоциты на этом этапе развития имеют амёбоидную, а не ветвящуюся форму.
Интересно, что учёный ещё в 20-х годах 20 века в главе «Microglia» писал, что мигрируя вдоль сосудистых сплетений, оплетающих нервную трубку, и проводящих путей белого мозгового вещества, клетки микроглии проникают во все отделы ЦНС. В сформированном мозге они по своему виду схожи с астроцитами (клетками макроглии), и в таком виде в них можно различить тело и множество не переплетающихся друг с другом отростков (такое состояние микроглии известно сегодня как «покоящаяся» микроглия). То есть представление о них по прошествии десятков лет не сильно изменилось.
Микроглия полностью заселяет ЦНС лишь к 28 дню постнатального развития. Развитие и выживание микроглии зависит от нескольких факторов, включая фактор транскрипции PU.1, а также CSF1R.
В уже сформированном головном мозге клетки микроглии распределены равномерно во всех его отделах и, за редким исключением, проявляют небольшую вариативность. Но как только возникает патологический процесс, эти клетки, активируясь, приобретают амёбовидную форму, которая присуща им на ранних этапах эмбриогенеза.
Дель Рио-Гортега ввёл свои постулаты на основе исследований, опубликованных в серии статей между 1919 и 1927 годами, в которых для маркировки микроглиальных клеток он использовал усовершенствованную методику импрегнации серебром (специальная окраска, которую придумал Камилло Гольджи, за что совместо с Рамон-и-Кахалем получил Нобелевскую премию). Техника визуализации была утомительной и достаточно продолжительной по времени, но она того стоила – получались качественные и чёткие изображения микроглиальных клеток.
Помимо термина «микроглия» дель Рио-Гортега также ввёл термин «микроглиоцит». В учебниках по нейронаукам, издававшихся после Второй мировой войны, эти клетки уже назывались клетками микроглии. Название хоть и слегка изменилось на микроглиальные клетки, но остаётся актуальным до сих пор.
Микроглиоциты бывают разные…
Микроглиальные клетки, рассеянные по всей ЦНС и способные к самообновлению, в зависимости от выполняемых ими функций пребывают в двух состояниях. В состояние «покоящейся» микроглии тело клетки чаще продолговатой формы, 6 мкм в диаметре. В ней отмечается высокое содержание лизосом в цитоплазме, а отростки клеток покрывают площадь порядка 15 мкм и практически не пересекаются друг с другом.
Состоянии активированной микроглии клетки приобретают причудливый амёбоидный вид, напоминая макрофаги. Диаметр их тела увеличивается с 6 мкм до 10 мкм, а охватываемая ими площадь получается равной порядка 30 мкм. Ядро и концентрация лизосом в цитоплазме остаются неизменными. Увеличение или уменьшение отростков клеток микроглии in vivo протекает со скоростью до 2-3 мкм/мин.
Несколько фактов об этих клетках:
- Их плазматическая мембрана клеток пронизана множеством рецепторов к различным стимулам, таким как рецепторы АТФ (показатели местного повреждения тканей), toll-like рецепторы TLR, которые реагируют на молекулы, высвобождаемые гибнущими клетками (DAMPS: damage-associated molecular patterns) или патогенами (PAMPS: pathogen associated molecular patterns).
- В отличие от других типов нейроглии, имеющих сферические ядра, ядра микроглии продолговатые.
- Клетки микроглии составляют ~13 процентов от общего числа клеток ЦНС. Однако, среди глиальных элементов коры мозга в количественном отношении микроглия занимает небольшую долю.
- Микроглиоциты расположены в коре равномерно и притом в шахматном порядке, наподобие протоплазматических астроцитов. По выражению одного из «отцов» гистопатологии нервной системы Павла Снесарева, «каждый микроглиоцит имеет свой район действий».
- Область распространения отростков одного микроглиоцита не переходит на территорию смежного глиоцита.
- В последнее время показано, что каждый микроглиоцит со своими отростками связан с определенными нервными и глиальными клетками и сосудами, расположенными в области их разветвления, и как бы объединяет все эти элементы.
Микроглиоциты коры головного мозга характеризуются (в сравнении с другими участками серого вещества), более сложной структурой (причудливое разветвление отростков, придающее им «мохнатый» вид). Они несколько преобладают в средних слоях коры мозга, а именно в областях, богатых капиллярными сетями.
Если на фронтальных срезах мозга, в областях зрительной коры обезьяны, подсчитать количество микроглиоцитов, то окажется, что в разных слоях коры (а их 6) их будет разное количество. Эту работу сделал гистолог Евгений Микеладзе в 60-х годах и выяснил, что в I слое их в среднем 4,5 процентов; во II — 6,0; в III — 11,9; в IV — 38,0; в V — 30,9 и в VI слое — 8,7 процентов.
Многолики и многофункциональны
Микроглиальные клетки выполняют множество различных функций в ЦНС, в основном связанных с воспалением, иммунным ответом и с поддержанием гомеостаза. О некоторых функциях мы расскажем немного подробнее.
Фагоцитоз
Основная функция микроглиоцитов – фагоцитоз. «Съеденная» масса обычно состоит из отходов клеточной жизнедеятельности, липидов и апоптозных телец в невоспалённом состоянии, а также воспалившихся участков, подвергшихся повреждению вирусами, бактериями либо иными агентами. Как только микроглиальная клетка «заполнена», она переходит в неактивное состояние для переработки материала – то есть, подобно хищнику после охоты, успокаивается и уходит «переваривать» добычу.
При очаговой травме головного мозга (а), который вызывает некроз, зону повреждения окружают астроциты, высвобождая внеклеточный АТФ, вызывающий активацию специфических рецепторов на клеточной мембране микроглии (например: обнаружение АТФ микроглиальными клетками через P2Y12R и P2X4R — два пуринергических рецептора). Микроглиоцит «превращается» в фагоцит и участвует в «зачистке» места поражения (например: обнаружение UDP через P2Y6R рецепторы вынуждает микроглию принять участие в утилизации некротизированной ткани). Затем фагоцит участвует в очистке от клеточного мусора.
После заражения ЦНС (b) нецитопатическим (то есть не поражающим клетки) вирусом (например, LCMV) отростки микроглии становятся короче и менее разветвлёнными. Однако, их ветвистая структура сохраняется. Микроглия в этом морфологическом состоянии может высвобождать провоспалительные (запускающие воспаление) цитокины, участвовать в представлении антигена, облегчая приход в место «аварии» периферических врождённых/адаптивных иммунных клеток.
Чистильщики межклеточной среды
В дополнение к тому, что микроглия чувствительна даже к небольшим изменениям в своём микроокружении, каждая микроглиальная клетка при помощи отростков регулярно исследует среду вокруг себя. Это действие выполняется как в её реактивном состоянии, так и в состоянии покоя. Если во время перемещения микроглиальная клетка обнаруживает какой-либо посторонний материал (повреждённые клетки, апоптотические тельца, нейрофибриллярные клубки при болезни Альцгеймера, фрагменты ДНК или бляшки), то она активируется и незамедлительно его поглощает. Таким образом, микроглиальные клетки также действуют как «домохозяйки», «выбрасывая» случайный клеточный мусор.
Во время развития электропроводимости мозга микроглиальные клетки играют большую роль в регуляции числа клеток-предшественниц нейронов, удаляя умершие нейроны. Существует также доказательство того, что микроглия может перестраивать синаптические связи, ремоделируя и разрушая синапсы в развивающейся ЦНС и ЦНС взрослого человека.
Сигнальные «огни»
Важную роль микроглиальные клетки играют в поддержании гомеостаза в неинфицированных областях ЦНС и способствуют воспалению в инфицированных или повреждённых тканях нервной системы. Они делают это с помощью сложной серии сигналов внеклеточными сигнальными молекулами, которые позволяют им обмениваться информацией с другими микроглиоцитами, астроцитами, нейронами, Т-клетками и миелоидными клетками-предшественниками.
Для активации клеток хорошо подходит цитокин IFN-γ (гамма-интерферон). Кроме того, после этого микроглия высвобождает большое количество IFN-γ во внеклеточное пространство. Это «возбуждает» ещё больше микроглиоцитов и запускает активированный цитокином каскад, незамедлительно запускающий вообще все находящиеся поблизости микроглиоциты.
Полученный из микроглии TNF-α (фактор некроза опухоли α) приводит к тому, что нервная ткань подвергается апоптозу («самоубийству») и усиливает воспаление. IL-8 (интерлейкин-8) способствует росту и дифференцировке B-клеток, что позволяет ему помогать микроглии в борьбе с инфекцией. Другой цитокин, IL-1, ингибирует цитокины IL-10 и TGF-β (фактор роста опухоли β), которые снижают подачу антигена и провоспалительную сигнализацию.
Дополнительные дендритные клетки и Т-клетки добираются в место повреждения посредством микроглиального образования хемотаксических молекул, таких как MDC, IL-8 и MIP-3β (макрофагальный белок воспаления 3β). Наконец, PGE2 (простагландин Е2) и другие простаноиды предотвращают хроническое воспаление, гася микроглиальную провоспалительную реакцию и подавляя ответ Th1 (Т-хелперная клетка).
Хочу вас представить: это антиген
Чтобы «продемонстрировать» иммунной системе антиген, у иммунных клеток существует специальный механизм антигенпредставления, в котором участвуют специфические белки главного комплекса гистосовместимости или MHC, которые бывают нескольких классов. Обычно макрофаги, поглощая патоген, с помощью этих белков надевают его фрагменты снаружи на свою мембрану, чем стимулируют другие иммунные клетки на борьбу с этим конкретным патогеном.
При активации микроглиальные клетки в ответ на раздражители быстро размещают на себе белки MHC класса I/II с чужеродными частицами (в зависимости от того, внутриклеточные они или внеклеточные), становясь эффективными антигенами. В некоторых случаях микроглия также может активироваться IFN-γ для представления антигенов, но не функционирует так эффективно, как при обычном процессе презентации с MHC.
Во время воспаления Т-клетки преодолевают гематоэнцефалический барьер благодаря специализированным поверхностным молекулам, а затем непосредственно связываются с микроглиоцитами для «знакомства» с антигенами. После презентации Т-клетки отвечают на инородное раздражение, формируя иммунный ответ, секретируя цитотоксические вещества и совершая прямые атаки на «чужих».
Цитотоксичность
В дополнение к способности разрушать инфекционные агенты с помощью фагоцитоза, микроглия также может выделять различные цитотоксические вещества.
Микроглиоциты выделяют большое количество перекиси водорода и оксида азота в процессе, известном как «респираторный взрыв». Оба эти химические вещества могут непосредственно повреждать клетки и приводить к гибели нейронов. Специфические протеазы (ферменты), секретируемые микроглией, стимулируют белки прямого клеточного повреждения, тогда как цитокины, подобные IL-1, способствуют демиелинизации аксонов – длинных отростков нейронов.
Наконец, микроглия может повредить нейроны с помощью NMDA-рецептор-опосредованных процессов, выделяя глутамат, аспартат и хинолиновую кислоту. Такая цитотоксическая секреция направлена на уничтожение инфицированных нейронов, вирусов и бактерий, также может вызывать нейродегенеративные повреждения. В результате хронический воспалительный ответ приводит к крупномасштабному повреждению ЦНС, поскольку микроглия разрушает в том числе и здоровые клетки мозга в попытке уничтожить инвазивную инфекцию.
Ремоделирование и уничтожение синаптических связей
Это явление впервые заметили немецкие исследователи Карл Блинзингер и Георг Кройцберг в 1968 году при спинальных поражениях. Оказалось, что после воспаления микроглия ремоделирует либо уничтожает синапсы и синаптические связи здоровых клеток, контактирующих с повреждёнными. Это помогает перестраивать нейронные связи после повреждения и перераспределяет функции, утраченные нейроном, между нейронами, не подвергшимися повреждению. Именно это и есть один из принципов нейропластичности.
Следует отметить, что за прошедшее столетие изучение микроглии продвинулось от рисунков пионеров до фотографий электронной микроскопии высокой четкости и огромного разрешения, при этом лишь только приоткрывая завесу тайн биологии микроглиальных клеток. Каждый год захватывающие исследования в этой зоне нейронаук все более ясно раскрывают видение учёных о том, как мы можем лучше всего использовать или даже менять их активность в ходе повреждений или заболеваний ЦНС. Теперь, однако, у ведущих специалистов есть технологии для наблюдения за работой микроглии in vivo, которые должны улучшить наше понимание этих загадочных клеток в последующие десятилетия.
Текст: Михаил Диконенко, Роман Деев