Микроглия простимулировала нейрогенез в мозге плода человека

Нейробиологи из США показали, что микроглия усиливает образование ГАМКергических нейронов в мозге плода. На образцах мозга человеческих эмбрионов и органоидах ученые продемонстрировали, что нейрогенез зависит от инсулиноподобного фактора роста 1, выделяемого микроглиальными клетками. Предшественники ГАМКергических интернейронов экспрессировали рецептор IGF1R, благодаря чему микроглия могла взаимодействовать с ними и стимулировать пролиферацию. Исследование опубликовано в Nature.

В неокортексе человеческого мозга от 25 до 50 процентов нейронов представлены ГАМКергическими интернейронами, отвечающими за торможение. Снижение их числа или нарушение функции связано с различными нарушениями: расстройствами аутистического спектра, эпилепсией и шизофренией. Образование этих нейронов происходит в ганглиозных возвышениях вентрального конечного мозга человека (hMGE) в эмбриональном периоде, активнее всего — во втором и третьем триместре. Молодые предшественники ГАМКергических интернейронов — нейробласты — располагаются в hMGE в виде гнезд и способны к делению до ранней постнатальной стадии, причем активнее всего делятся клетки, расположенные на периферии гнезд. Однако остается неясным, как регулируется нейрогенез в hMGE.

Гнезда нейробластов окружены радиальной глией, которая простирается от желудочковой зоны и внутренней субвентрикулярной зоны (iSVZ) до наружной субвентрикулярной зоны (oSVZ) и экспрессирует маркеры пролиферации — NESTIN и SOX2. Радиальная гелия представляет собой клетки с длинными отростками, которые помогают вновь образованным нейронам мигрировать в разные части развивающегося мозга. Еще одним важным звеном в развитии нейронов может быть микроглия, которая образуется из желточного мешка и проникает в мозг на ранней стадии беременности. Микроглия участвует в нейрогенезе, ангиогенезе, миелинизации, образовании и обрезке синапсов. Ранее было показано, что в мозге эмбрионов мышей микроглия регулирует развитие парвальбумин-экспрессирующих нейронов.

Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско во главе с Ю Дянкун (Diankun Yu) решили проверить, влияет ли микроглия на образование ГАМКергических интернейронов в мозге человека. Сначала они изучили посмертные образцы мозга эмбрионов и новорожденных (с пятнадцатой недели беременности до третьей недели жизни), а затем создали нейроиммунные органоиды, в часть которых трансплантировали микроглиальные клетки. С помощью иммуногистохимии ученые обнаружили, что на 15–17 неделе беременности микроглии в hMGE мало и расположена она диффузно по всему hMGE. К 22–25 неделе микроглия начала накапливаться в iSVZ и oSVZ, вблизи радиальной глии. Сами нейробласты в это время экспрессировали маркер пролиферации Ki-67, то есть активно делились, и в основном были сгруппированы вокруг микроглии. Кроме этого, микроглия находилась в тесном контакте с волокнами радиальной глии и часто следовала вдоль них. По мере отдаления от микроглиальных клеток обнаруживалось все больше неделящихся нейробластов.

Далее ученые провели секвенирование РНК отдельных ядер образцов hMGE, соседних перивентрикулярных областей, содержащих мигрирующие интернейроны, и корковых областей, содержащих зрелые интернейроны. Образцы охватывали 22–30 неделю беременности и 2–3 неделю после рождения. В них ученые идентифицировали микроглиальные клетки (17342 штуки) и кортикальные ГАМКергические нейроны, включающие как предшественники, так и молодые и зрелые клетки (17667 штук). Анализ пар лиганд–рецептор показал, что самая высокая вероятность коммуникации была у пары IGF1 и IGF1R — инсулиноподобного фактора роста 1 и его рецептора, то есть большинство клеток взаимодействовали через них. IGF1 преимущественно экспрессировался микроглией во время эмбриональной стадии, но также его экспрессировали зрелые интернейроны после рождения. Рецептор IGF1R экспрессировали интернейроны и их предшественники, особенно на эмбриональной стадии. Исследователи заключили, что во время развития эмбриона микроглия синтезирует IGF1 и таким образом может регулировать пролиферацию нейробластов и развитие интернейронов в hMGE.

Чтобы проверить это, исследователи создали органоиды MGEO, включающие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека (hiPSC). В возрасте шести недель полученные органоиды содержали зоны, подобные вентрикулярным, где располагались клетки-предшественники и ГАМКергические интернейроны. Делящиеся предшественники включали как радиальные глиальные клетки, так и нейробласты, а их пространственная организация повторяла организацию радиальной глии и нейробластов в развивающемся hMGE. К 24 неделе пролифелирующие нейробласты собирались в кластеры, подобные гнездам. 

На четвертой неделе развития органоидов ученые трансплантировали в них микроглию, которая развивалась подобно эмбриональной микроглии человека и накапливалась вокруг областей с делящимися предшественниками. Секвенирование РНК отдельных ядер органоидов с микроглией и без нее в возрасте шести недель показало, что в органоидах с микроглией было значительно больше делящихся клеток радиальной глии и предшественников интернейронов (18 процентов против 12). Чтобы проверить, связано ли это с инсулиноподобным фактором роста, ученые обработали органоиды либо IGF1, либо нейтрализующими этот белок антителами. Обработка IGF1 увеличивала плотность делящихся клеток в органоидах без микроглии, а обработка антителами снижала эту плотность в органоидах с микроглией. Дополнительно ученые трансплантировали в органоиды мутантную микроглию, которая не экспрессировала IGF1, и наблюдали, что плотность профилирующих клеток при этом не увеличивается, хотя мутантная микроглия распределена так же, как обычная. Эту проблему удалось устранить, добавив рекомбинантный человеческий IGF1 к таким органоидам. 

Авторы заключили, что микроглия с помощью инсулиноподобного фактора роста усиливает деление предшественников нейронов и радиальной глии и регулирует развитие ГАМКергических интернейронов в hMGE, начиная со второго триместра беременности. Кроме того, на мышах исследователям не удалось повторить эти результаты: нокаут гена IGF1 в микроглии не влиял на пролиферацию предшественников в мышином MGE. Возможно, у грызунов роль регулятора играет IGF2, поскольку ранее было показано, что у них он участвует в нейрогенезе взрослых. Таким образом, описанный механизм видоспецифичен.

Недавно ученые нашли РНК делящихся предшественников нейронов в гиппокампе взрослых людей и интерпретировали это как подтверждение нейрогенеза у взрослых.