Астроциты

Для пациента и его родственников

Какую роль играют астроциты в формировании барьера между кровью и мозгом?  Какие основные функции астроцитов? 

Заболевания мозга обычно объясняются сбоями в работе или потерей нейронов. Напротив, роль астроцитов недооценивалась, и в течение многих лет считалось, что эти клетки обеспечивают лишь пассивную поддержку нейронов. Однако, в настоящее время известно, что этот наиболее распространенный тип глиальных клеток в головном мозге выполняет многочисленные роли, необходимые для скоординированного функционирования центральной нервной системы (Sofroniew M.V., Vinters H, 2010). Посредством многочисленных процессов, специфичных для морфологии астроцитов, они образуют тесные взаимодействия с нейронами и другими клетками нейроглии ( микроглия, олигодендроглия). Астроциты перераспределяют калий из областей с высокой концентрацией калия в области с низким содержанием калия и кровеносные сосуды. Астроциты являются важными компонентами барьера между кровью и мозгом (гематоэнцефалического) , который образован эндотелиальными клетками капилляров и окружен базальной пластинкой и астроцитарными периваскулярными окончаниями.Этот  барьер также играет важную роль в регуляции гомеостаза микроокружения мозга и в коммуникации между нервной системой и периферией , таким образом, он необходим для здорового функционирования центральной нервной системы, таким образом, они представляют собой важных поставщиков энергетических метаболитов в центральную нервную систему. Эти глиальные клетки также являются основными местами хранения гликогена, который используется в периоды высокой активности нейронов и гипогликемии.  Учитывая важность астроцитов в механической, метаболической и трофической поддержке нейронов, потеря гомеостатических функций астроцитов (или усиление провоспалительных функций) в результате их реактивации или клеточного старения имеет последствия для различных отделов мозга, например, при  нейродегенеративных заболеваний. 

Для врача

Какие клетки и структуры мозга окружают астроциты? Какие нейротрансмиттеры и для чего поглощают синапсы астроцитов?  Какую роль играю астроциты в регуляции местного кровотока? При каких заболеваниях имеет место реактивный астроглиоз? Полезен или вреден глиальный рубец? 

Астроциты, микроглия, олигодендроциты, кровеносные сосуды, внеклеточное пространство и внеклеточный матрикс образуют активную среду, в которой активность нейронов не только распространяется среди пре- и постсинаптических нейронов, но и передаются сигналы другим нейронам. клеточные и неклеточные компартменты, влияющие на нервную ткань. Астроциты играют активную роль в нейрональной передаче и синаптической пластичности и контролируют ионный гомеостаз, уровни нейротрансмиттеров, метаболическое снабжение и кровоток (Ransom B., Behar T., 2003). Астроциты являются незаменимой частью синаптической передачи, как это предполагается трехсторонними, а также четырех- и пятисторонними моделями синапсов (De Luca C., et.al., 2020).  В синапсах астроциты поглощают нейротрансмиттеры, такие как глутамат, гамма-аминомасляная кислота , аденозин и норадреналин, и поддерживают их внеклеточную концентрацию и рециркуляцию. Астроциты обеспечивают клеточную связь с нейронами "сосудисто-нервной единицы", взаимодействуют с гладкими мышцами и эндотелиальными клетками микрососудов, участвуют в кровоснабжении и регуляции местного кровотока.  Важность астроцитов в энергетическом метаболизме центральной нервной системы подчеркивается гипотезой лактатного челнока астроцит-нейрон, которая объясняет роль лактата как важного источника энергии для функции мозга и определяет прочную метаболическую связь между астроцитами и нейроны. В периоды повышенной активности нейронов лактат служит альтернативным энергетическим субстратом (Bordone M., 2019). Реактивный астроглиоз - защитная реакция астроцитов, которая может быть вызвана практически всеми патологическими состояниями головного мозга, включая травму, старение мозга, ишемию, бактериальные или вирусные инфекции и различные нейродегенеративные заболевания. Долгое время реактивный астроглиоз рассматривался как стереотипный процесс, оказывающий преимущественно вредное влияние на сохранение и восстановление нервной ткани при ее повреждении. Сегодня известно, что реактивный астроглиоз представляет собой сложный, ступенчатый процесс, который в зависимости от тяжести травмы включает переменные изменения экспрессии генов, клеточную пролиферацию и гипертрофию, а в тяжелых случаях приводит к образованию рубцов. На протяжении десятилетий считалось, что глиальный рубец является основным ингибитором восстановления клеток мозга, предотвращая адаптивную пластичность нейронов, лежащую в основе восстановления их функции. Однако,  в настоящее время все чаще признается, что глиальный рубец играет двойную роль в восстановлении центральной нервной системы: как защитную, так и тормозящую процесс восстановления. Фактически, глиальные рубцы преимущественно образуются реактивированными астроцитами, которые могут выполнять множество полезных функций, поддерживая восстановление нервной ткани, восстанавливая гомеостаз мозга и ограничивая повреждение тканей, но они также могут приобретать и отрицательные функции, которые оказывают пагубное воздействие на выживаемость нейронов и аксонов. 

Для исследователя

Какие связи обеспечивают взаимодействие астроцитов с нейронами? Как астроциты поддерживают внеклеточный гомеостаз калия? 

Астроциты отвечают на активность нейронов повышением внутренней концентрации кальция , что запускает высвобождение химических медиаторов из самой глии и, в свою очередь, вызывает регуляцию активности нейронов и синаптической силы по принципу обратной связи (Araque A., et.al., 1999).  Глутамат действует как основной возбуждающий нейромедиатор в центральной нервной системе, и его несвоевременный клиренс из синаптического пространства может вызвать эксайтотоксичность глутамата, гипервозбуждение и повреждение нейронов. Поглощение и рециркуляция глутамата в астроцитах зависят от внеклеточной концентрации калия. В периоды активности нейронов внеклеточная концентрация калия увеличивается. Астроциты экспрессируют внутренний выпрямляющий калиевый канал 4.1 (Kir4.1), ответственный за поглощение калия, и посредством процесса пространственной буферизации поддерживают внеклеточный гомеостаз калия (Seifert G., et.al., 2009). Гемато - энцефалический барьер имеет несколько специализированных характеристик, включая высокую экспрессию Kir4.1 и аквапорина 4 водного канала (AQP4), которые участвуют в регуляции ионов и объема. Астроциты контактируют с кровеносными сосудами, где они поглощают глюкозу и снабжают синапсы и различные области нейронов глюкозой и лактатом (Deitmer J., et.al., 2019). 

Литература 

Araque A., Parpura V., Sanzgiri R.P., Haydon P.G. Tripartite synapses: Glia, the unacknowledged partner. Trends Neurosci. 1999;22:208–215.

Bordone M.P., Salman M.M., Titus H.E., Amini E., Andersen J.V., Chakraborti B., Diuba A.V., Dubouskaya T.G., Ehrke E., Espindola de Freitas A., et al. The energetic brain—A review from students to students. J. Neurochem. 2019;151:139–165. 

De Luca C., Colangelo A.M., Virtuoso A., Alberghina L., Papa M. Neurons, Glia, Extracellular Matrix and Neurovascular Unit: A Systems Biology Approach to the Complexity of Synaptic Plasticity in Health and Disease. Int. J. Mol. Sci. 2020;21:1539.

Deitmer J.W., Theparambil S.M., Ruminot I., Noor S.I., Becker H.M. Energy Dynamics in the Brain: Contributions of Astrocytes to Metabolism and pH Homeostasis. Front. Neurosci. 2019;13:1301

Ransom B., Behar T., Nedergaard M. New roles for astrocytes (stars at last) Trends Neurosci. 2003;26:520–522. 

Seifert G., Huttmann K., Binder D.K., Hartmann C., Wyczynski A., Neusch C., Steinhauser C. Analysis of astroglial K+ channel expression in the developing hippocampus reveals a predominant role of the Kir4.1 subunit. J. Neurosci. Off. J. Soc. Neurosci. 2009;29:7474–7488.

Sofroniew M.V., Vinters H.V. Astrocytes: Biology and pathology. Acta Neuropathol. 2010;119:7–35

Автор: доктор медицинских наук, профессор Минутко В.Л.