Возможности нейронных интерфейсов в качестве вспомогательных устройств для людей с ограниченными возможностями или психоневрологическими нарушениями ограничены постепенным ухудшением качества записи или стимуляции во времению. В неврологии интерфейсы сетей нейронов могут быть востребованными при последствиях инсульта или черепно - мозговой травмы , паркинсонизма ; в психиатрии - глубокая стимуляция мозга используется при обсессивно - компульсивном расстройстве или тяжелой депрессией со стойкими суицидальными мыслями. Многогранное использование этих устройств зависит от способности стабильно и надежно передавать и принимать электрические сигналы в и из нервной ткани. Для этого контакты электрода должны быть минимально подвержены биообрастанию белка и инкапсуляции клеток, а также оставаться в непосредственной близости от активных нейронов, которые интегрированы в функциональную нейронную сеть. Этот уровень интеграции на границе раздела электрод-ткань необходим для максимизации детектируемого сигнала и уменьшения импедансов, что может увеличить шум. Однако в среднем границы раздела электрод-ткань ухудшаются со временем. Дегенерация тканей неврной системы и образование глиальных рубцов снижают функциональные характеристики вставленных на длительное время микроэлектродов.
Режимы отказов имплантированных нейронных электродов можно разделить на три основные категории: механические, материальные и биологические источники выхода из строя устройств . Механические сбои включают в себя возмущение внешних разъемов устройства, которые отвечают за передачу сигнала от имплантированного электрода к внешнему компьютеру. Примеры включают смещение электрода от ткани или разрыв соединительных кабелей. Отказы материалов включают разрушение проводящего, изолирующего или специально покрытого интерфейса, что затрудняет обмен информацией между электродом и окружающей тканью. Этот тип повреждения проявляется в выбранном проводнике и изоляционном материале, а также в размере, геометрии и механических характеристиках устройства, которые оказывают соответствующее влияние на степень воспаления ткани. Биологические сбои являются результатом реакции эндогенной ткани на физическую имплантацию или наличие устройства. Отказ в любой из этих категорий не является исключительным; например, в то время как расслоение изоляции приводит к сбоям при записи, последующее воздействие нижележащего электроактивного материала также может привести к растворению электрода, что отрицательно влияет на жизнеспособность ткани. Постоянство дегенеративного ответа инородного тела поражает как биологическую ткань, так и интерфейс материала, снижая качество долговременной записи хронически имплантированных устройств. Следовательно, проектирование нейронных интерфейсов становится многогранным подходом и должно учитывать широкий спектр конструктивных параметров для функциональной интеграции электрических материалов с биологической тканью.
Большинство исследований биологического компонента интерфейса электрод-ткань характеризуют реактивность микроглии и астроцитов вокруг вставленных устройств и их влияние на состояние нервной системы. Тем не менее, эти исследования не учитывают целый ряд других клеточных факторов в мозге, таких как клетки-предшественники олигодендроцитов, зрелые олигодендроциты и их миелиновые компоненты, клетки фрески, такие как перициты и эндотелиальные клетки, и другие медиаторы иммунной системы, такие как моноциты, нейтрофилы и другие лейкоциты. Поскольку каждая из этих клеток играет свою роль в поддержании здоровья мозга и может потенциально отклоняться от своей ответственности за гомеостаз во время болезни и травмы, тщательная характеристика их поведения вокруг вставленных нейронных устройств необходима для разработки эффективной конструкции устройства.
Активация глиальных клеток и проницаемость гематоэнцефалического барьера, являются широко признанными факторами, способствующими ухудшению состония нейронов , однако , в последнее время мы слышим и другие точки зрения . Реакция рубцевания астроцитов обычно характеризуется повышенной регуляцией глиального фибриллярного кислого белка (GFAP) вокруг границы раздела "пораженная ткань - здоровая ткань"). В результате уплотненный глиальный рубец создает мембраносвязанный барьер, который препятствует передаче сигналов между нейронами. Глиоз может сохраняться в хронические моменты времени отчасти из-за постоянной секреции провоспалительных факторов и повторного нарушения гемато- энцефалического барьера (BBB).
Разрушение гематоэнцефалического барьера, активация глиальных клеток и воспаление влияют на физиологию нейронов и, в конечном итоге, на функцию нейронов. Прямые корреляции между повышенной проницаеостью BBB и сниженной нейрональной активностью наблюдались в случах длительного нарушения этого барьера между кровью и тканями мозга в разные моменты времени. Кроме того, нейроны особенно чувствительны к событиям окислительного стресса, которые могут возникать, когда BBB нарушается, вызывая ишемическое событие или продукцию активных форм кислорода (АФК) из активированной глии. Наконец, активные формы кислорода и провоспалительные цитокины, секретируемые активированными иммунными клетками, особенно токсичны для нейронов и характеризуются другими нейродегенеративными нарушениями.
Являясь одними из наиболее метаболически активных клеток в мозге, олигодендроциты и их предшественники выполняют различные гомеостатические функции и взаимодействуют с нейронами, глией, а также с гематоэнцефалическим барьером, чтобы способствовать нормальной работе мозга. В нормальных физиологических условиях клетки линии олигодендроцитов проходят четыре различные фазы на протяжении своего жизненного цикла: происхождение, миграция и пролиферация клеток-предшественников олигодендроцитов (OPC); дифференциация в зрелые миелиновые олигодендроциты; инициация нейронального контакта и миелинизация аксонных волокон; и обеспечение трофической и метаболической поддержки нейронов.
Предшественники олигодендроцитов идентифицируют на основании ряда критериев, включающих морфологию, экспрессию антигена и физиологические функции. Эти клетки увеличиваются и чаще упоминаются как глия NG2 из-за их конститутивной экспрессии маркера нейрально-глиального антигена 2. Однако, другие паренхиматозные клетки, такие как перициты и макрофаги, также экспрессируют антиген NG2, что требует совместной локализации множественных идентификационных маркеров. Кроме того, врожденная гетерогенность специфичного для предшественника олигодендроцитов глии NG2 дополнительно усложняет точную идентификацию, поскольку физиологическая, а также патологическая функция могут зависеть от эмбрионального происхождения или резидентного тканевого окружения клетки.
Глии NG2 обладают высокой пролиферативностью и широко распространены (составляют 5–8% всей глиальной популяции в мозге взрослого человека) в ЦНС.Самые ранние наблюдения NG2 в развивающейся ЦНС получены из желудочковых зон (VZ) спинного мозга в эмбриональный день 12,5 (E12,5) для мышей и E14 для крыс. В мозге грызунов глии NG2 происходят из медиального ганглионарного возвышения и передней энтопедункулярной области вентрального переднего мозга, заселяя области конечного мозга, такие как кора головного мозга, с E16 до рождения (~ E18). После первоначального притока предшественников олигодендроцитов, вторая и третья волны появляются из латерального ганглионарного возвышения и постнатальной коры соответственно, чтобы заменить первую волну с глией NG2, достигающей максимальной плотности до рождения в спинном мозге и к постнатальному дню 3 ( P3) в коре головного мозга. Несмотря на происхождение из разных регионов, глии NG2 сохраняют сходные характеристики, такие как способность распространяться по неперекрывающимся доменам и заполнять свободные пространства в случае миграции, дифференцировки или гибели клеток in vivo. Аналогично, исследования предшественников олигодендроцитов из областей серого и белого вещества не показали различий в скорости пролиферации или длине клеточного цикла . Тем не менее, функциональные свойства, такие как мембранные каналы и рецепторы, различаются в популяции NG2 glia серого и белого вещества мыши.
После отклонения от предшественников радиальной глии глия NG2 перемещается вдоль кровеносных сосудов в направлении других областей развивающейся ЦНС. Миграция глии NG2 во время развития определяется двумя различными механизмами, один из которых - контактно-опосредованная миграция с участием белков внеклеточного матрикса (ламинин, фибронектин) или белков клеточной поверхности (кадгерины, интегрины), а другой - с секрецией факторов роста (PDGF). , FGF-2, EGF, HGF), хемотаксические молекулы (нетрины, семафорины) или хемокины (CXCL1) . Совсем недавно было обнаружено, что сосудистые и менингеальные клетки секретируют факторы роста (TGF-β и BMPs), которые направляют миграцию глии NG2 в кору во время развития. После миграции глия NG2 равномерно распределяется по серому и белому веществу и дифференцируется в зрелые миелинизирующие олигодендроциты. Глии NG2 обычно называют полидендроцитами из-за их внутренней способности дифференцироваться в нейроны и астроциты, а также в олигодендроциты. Тем не менее, некоторые глии NG2 не дифференцируются в зрелые олигодендроциты и сохраняют свою морфологию-предшественник в течение всей взрослой жизни, составляя ~ 4% всех клеток в коре взрослого человека.
В послеродовой день 2 (P2) у грызунов большинство клеток находятся в фазе преолигодендроцитов, где маркеры дифференцированных олигодендроцитов (O4) начинают экспрессироваться, маркеры для глиомы NG2 (NG2, PDGFRα) подавляются, и морфология свидетельствует о разветвленных, многополярных олигодендроцитов , которые начинает формироваться. В течение этого периода созревания преолигодендроциты теряют способность мигрировать или пролиферировать. Дифференцировка глии NG2 в миелинизирующие олигодендроциты включает передачу сигналов между рецептором Notch 1 и аксональным лигандом Jagged 1 . Самое раннее возникновение миелинизации в белом веществе не наблюдается до постнатального 7-го дня, когда олигодендроциты имеют только короткий период времени, от 12 до 18 часов после дифференцировки, чтобы сформировать миелиновые оболочки вокруг аксонов.
Миелин эффективен в поперечном уменьшении емкости и увеличении сопротивления нейрональной мембраны, что обеспечивает солевое распространение потенциалов действия вдоль волокна аксона. Минимальный диаметр аксонов, необходимый для миелинизации олигодендроцитами, составляет 0,2 мкм . Миелинизация олигодендроцитами в первую очередь обусловлена наличием электрической активности нейронов , однако образование миелина также может регулироваться предшественниками олигодендроцитов , астроцитами , микроглией и самими олигодендроцитами. Ингибирование электрической активности с использованием блокаторов напряжения Na + -канала или повышенной концентрации внеклеточного K + предотвращает миелинизацию.
Олигодендроциты, культивируемые in vitro , сами по себе содержат внутриклеточный протеолипидный белок (PLP) с мембраносвязанным основным миелиновым белком (MBP) и миелиновыми белками GalC; однако при культивировании с нейронами PLP продуцируется и транспортируется на клеточную поверхность через липидные рафты, что обычно наблюдается вокруг миелинизированных аксонов. Секреция LINGO-1 нейронами и олигодендроцитами, которая является лигандом, ингибирующим разрастание нейритов , предотвращает дифференцировку и миелинизацию аксонов in vitro посредством активации RhoA - белок, который регулирует цитоскелетные и морфологические изменения при дифференцировке олигодендроцитов. Наличие миелина исключительно на аксонных волокнах (а не на дендритах или других клеточных структурах) предполагает наличие маркеров клеточной поверхности, специфичных для аксонов, которые регулируют миелин, таких как молекула адгезии нервных клеток полисиаловой кислоты (PSA-NCAM) . Однако устранение негативной модуляции PSA-NCAM не отменяет ингибирование миелинизации за счет использования блокаторов напряжения + Na- каналов, таких как TTX in vitro, что позволяет предположить, что как фрагменты поверхности нейронных клеток, так и электрические сигналы необходимы для выявления образования миелина.
Белое вещество состоит из высокой плотности миелинизированных аксонов, которые отвечают за передачу информации между периферической и центральной нервной системой. Миелинизация в сером веществе была в значительной степени неизвестна до тех пор, пока недавние достижения в области нейроанатомической визуализации высокого разрешения не позволили исследователям визуализировать различные паттерны миелинизации областей серого вещества в мозге. Благодаря использованию передовых методов электронной микроскопии было обнаружено, что модели миелинизации серого вещества в коре отличаются от тех, которые обычно наблюдаются в белом веществе, а миелинизация отличается в разных корковых слоях, причем более высокая плотность миелина покрывает более глубокие корковые слои (слои 5 и 6) по сравнению с более поверхностными слоями (слои 2 и 3) . Интересно, что в другом исследовании с использованием электронной микроскопии в сочетании с масс-томографией (АТ) неокортекса мыши было обнаружено, что большая часть этих миелиновых кортикальных аксонов является ингибирующими интернейронами (ГАМК-экспрессирующими нейронами), в частности клетками , положительными для парвалбумин-позитивных (PV +) клеток, включающими половину миелиновый слой 2/3 аксонов и четверть миелинизированного слоя 4 нейрона . Постсинаптическими мишенями этих нейронов являются, главным образом, дендриты и нейрональные сомы нейронов пирамидальных клеток, которые обеспечивают большой выход миелинизированных аксонов, выходящих из ЦНС через белое вещество. Учитывая, что ингибирующие нейроны составляют всего 10–20% от общего числа нейронов в коре, миелинизация этих конкретных клеток может играть важную роль для жизнеспособности нейронов и схем ( сетей нейронов ) мозга. Наконец, в коре существует другая популяция олигодендроцитов, называемая сателлитными олигодендроцитами, отличная от их миелиновых аналогов . Эти сателлитные олигодендроциты, которые находятся в непосредственной близости от сомы нейронов, ответственны за обеспечение метаболической поддержки, предотвращение клеточного апоптоза и оказывают помощь в ремиелинизации после повреждения . Существуют ли гетерогенные различия в реакции сателлитных и миелиновых олигодендроцитов на повреждение, вызванное хронической имплантацией микроэлектрода или каким-либо патологическим процессом , еще предстоит выяснить.
Демиелинизирующие заболевания и олигодендропатии, такие как рассеянный склероз (MS) и боковой амитрофический склероз (ALS), характеризуются хронической дегенерацией аксонов, подчеркивая зависимость нейронов от олигодендроглиальной поддержки. Ранее было показано, что глиа NG2 и олигодендроциты способствуют жизнеспособности нейронов посредством секреции инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF-1) in vitro. Хотя и олигодендроциты, и глия NG2 поддерживают прямой контакт с аксонами посредством расширения миелиновых оболочек и образования синаптических контактов, соответственно, их назначение и функция заметно различаются. Тем не менее, оба вносят вклад в общее состояние нейронов и играют важную роль в поддержании гомеостаза тканей во время травмы.
Внутри коры глии NG2 находятся вблизи нейрональных дендритов и сомы, где они получают синаптический вход через глутаматергическую и гамкергическую активность. В зависимости от судьбы клеток глии NG2, некоторые клетки могут обладать управляемыми напряжением натриевыми каналами (Na V ) . Глии NG2, которые дифференцируются в миелинизирующие олигодендроциты, обнаруживают понижающую регуляцию как рецепторов глутамата, так и Na V каналов, в то время как недифференцированные глии сохраняют свою возбудимость. Скорее всего, это связано с тем, что нейронная активность может направлять миграцию, пролиферацию и дифференцировку зрелой глии NG2, и в этом случае дифференцированные олигодендроциты не требуют такой возбудимости. В частности, паттерны высокочастотной стимуляции аксонов мозолистого тела головного мозга мыши способствуют усиленной пролиферации глии NG2, тогда как низкочастотная стимуляция индуцирует дифференцировку глии NG2 в миелинизирующие олигодендроциты. Глиа NG2 продемонстрировала нейронную модуляцию сетевой активности посредством расщепления протеогликана NG2, влияющего на зависимую активность альфа-амино-3-гидрокси-5-метилизоксазол-4-пропионовой кислоты (AMPA) и N- метил-D-аспартата (NMDA) в пирамидальные клетки и секреции известных нейромодулирующих факторов. Селективная абляция глии NG2 в префронтальной коре мышей индуцирует измененную глутаматергическую передачу сигналов в нейронах и последующую экспрессию депрессивно-подобного поведения. В другом исследовании, включающем генетическую абляцию глии NG2 у взрослых in vivo, наблюдалось индуцированное нейровоспаление посредством активации микроглии, приводящее к гибели нейронных клеток. Также было обнаружено, что фактор роста гепатоцитов (HGF), который является важным противовоспалительным фактором, поддерживающим выживание нейронов, секретируется культивируемой глией NG2. Во время гибели олигодендроцитов клетки NG2 глии ответственны за пролиферацию, дифференцировку и инициацию миелинизации вокруг демиелинизированных аксонов для сохранения здоровья нейронов. Таким образом, глия NG2 является критической для обеспечения нейрональной коммуникации и поддержки посредством синаптической активности, а также для обеспечения предшественников для дифференцировки олигодендроцитов и развития миелина.
Наряду с обеспечением электрической изоляции через миелиновую оболочку, олигодендроциты обеспечивают нейротрофическую поддержку нейронов посредством высвобождения глиального нейротрофического фактора (GDNF), нейротрофического фактора мозга (BDNF) и IGF-1. Аналогичным образом, олигодендроциты соответствуют высокой метаболической потребности нейронов благодаря обеспечению энергетических метаболитов, глюкозы и лактата, благодаря высокой экспрессии монокарбоксилатного транспортера 1 (MCT1). MCT1 преимущественно локализован в миелиновых оболочках, которые окружают аксоны и контролируют экспорт лактата из олигодендроцитов. Нейроны также экспрессируют свою собственную форму монокарбоксилатных транспортеров (MCT2), что позволяет им импортировать энергетические метаболиты, выделяемые астроцитами. Кроме того, благодаря высвобождению глутамата, который связывается главным образом с NMDA-рецепторами, нейроны "инструктируют" олигодендроциты , как переносить метаболические и антиоксидантные мембранные везикулы, называемые экзосомами, через перинейрональное пространство, которое является пространством между миелином и нейронными мембранами. В результате, в состоянии, при котором олигодендроциты не могут установить контакт с аксонами из-за демиелинизации или посредством физической блокады трофических факторов с помощью имплантированного устройства, могут иметь пагубные последствия для здоровья нейрональной ткани и общей производительности нейронных интерфейсов в мозге.
Астроциты и глия NG2 являются различными типами глии, которые сохраняют различия в морфологии и функции, несмотря на то, что они происходят из похожих клеток-предшественников во время своего развития. Однако, оба типа этих клеток глии имею. расширенные связи области перехватов Ранвье и синапсами на нейронах, что указывает на то, что они могут влиять на физиологическую активность друг друга. Астроциты являются важными медиаторами миграции, пролиферации и дифференцировки глии NG2 во время развития ЦНС. N-кадгерины, присутствующие на поверхности астроцитов, влияют на миграцию глии NG2 in vitro , прикрепляя их к клеточной поверхности. Кроме того, так же, как нейроны вырабатывают кальций транзиторный ток в глие NG2 после секреции глутамата, астроциты вызывают сходный транзиторный ток кальций в NG2 посредством высвобождения аденозина и АТФ. Оба секретируемых фактора регулируют дифференцировку глии NG2; однако аденозин действует непосредственно на глию NG2, а АТФ действует косвенно, побуждая астроциты экспрессировать фактор, ингибирующий лейкемию (LIF) . Астроциты также способствуют пролиферации и дифференцировке глии NG2 путем секреции тромбоцитарного фактора роста AA (PDGF-AA). Аналогично, различные цитокины, которые обычно экспрессируются во время травмы, влияют на вызванную астроцитами миграцию глии NG2. Хемокиновые рецепторы CXCR1 и CXCR2, экспрессируемые олигодендроглией во время развития, являются известными мишенями для секретируемого астроцитами CXCL1, который стимулирует пролиферацию NG2-глии in vitro посредством механизма передачи сигналов PDGF-AA. Астроциты также секретируют растворимые факторы, которые защищают глию NG2 от окислительного стресса посредством сигнальных путей ERK и Akt. Однако во время инсерционного повреждения реактивные астроциты могут выделять альтернативные провоспалительные факторы, которые заменяют этот защитный эффект. Наконец, in vivo было замечено, что глия NG2 может развиваться в протоплазматические астроциты в пределах областей серого вещества мозга. Однако глия NG2 также обладает ограниченной способностью дифференцироваться в рубцовые астроциты во время травмы, что ставит вопрос об их роли в развитии воспалительного глиального рубца и общей патологии заболевания.
Подобно глие NG2, олигодендроциты также имеют тесную пространственную связь с астроцитами. Астроциты создают «глиальный синцитий» или глиальную сеть с олигодендроцитами посредством образования щелевых соединений. Предполагается, что этот глиальный синцитий перераспределяет ионы калия из аксонов после активности нейронов. Астроциты играют значительную роль в дифференцировке и миелинизации олигодендроцитов на всем протяжении созревания и во время травмы. Через физический контакт астроциты могут способствовать созреванию олигодендроцитов посредством взаимодействий с интегринами. Кроме того, известно множество факторов, секретируемых астроцитами, таких как нейрегулин-1, гамма-секретаза, цилиарный нейротрофический фактор (CNTF), инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF-1), остеопонтин и нейротрофин-3 (NT3), которые влияют на миелинизацию. Костные морфогенетические белки (BMPs), секретируемые реактивными астроцитами, негативно регулируют дифференцировку глии NG2 в зрелые олигодендроциты in vitro , ингибируя экспрессию белков миелина во время дифференцировки. Гиалуронан, фибронектин, фактор роста, полученный из тромбоцитов (PDGF), фактор роста 2, полученный из фибробластов (FGF-2), и тенансцин С, также экспрессируемый реактивными астроцитами, могут нарушать ремиелинизацию. Это указывает на то, что патологическое состояние астроцитов является сильной детерминантой для стимуляции или ингибирования миелинизации после повреждения.
В зависимости от состояния активации микроглии, они могут секретировать провоспалительные или противовоспалительные молекулы, которые дифференциально модулируют глию NG2 и олигодендроциты. Известно, что во время нормальной физиологии микроглия способствует жизнеспособности NG2 и созреванию олигодендроцитов посредством активации транскрипционного фактора NFκB в результате стимуляции рецептора PDGF-α. Было показано, что снижение секреции фактора некроза опухоли альфа (TNF-α) снижает пролиферацию глиогена NG2 и задерживает ремиелинизацию. Тем не менее, TNF-α также снижает дифференцировку глины NG2 в миелинизирующие олигодендроцитах. Связывание TNF-α с рецептором 2 фактора некроза опухоли (TNF-R2) в отличие от рецептора 1 фактора некроза опухоли (TNF-R1) вызывает этот репаративный эффект после демиелинизации. . Микроглия может модулировать дифференцировку глии NG2 в олигодендроциты посредством экспрессии галектина-3, но не галектина-1. Однако, галектин-1 ослабляет потерю миелина и нейродегенерацию в моделях на животных при рассеянном склерозе. Интересно, что нереактивные микроглия и астроциты по-разному влияют на глию NG2. Среда, полученная из астроцитов, которая состоит из повышенных PDGF-AA, FGF2, CNTF и гормонов роста, способствует пролиферации глии NG2, тогда как среда, полученная из микроглии, состоит из большего количества IGF-1, CX3CL1, IL-2 и IL-5, способствует дифференцировке глии NG2, что указывает на различные фундаментальные роли в регуляции судьбы олигодендроглии . Во время повреждения TGF-β инструктирует микроглию секретировать фактор роста гепатоцитов (HGF), который является хемотаксической молекулой, которая рекрутирует глию NG2 для пролиферации и дифференцировки в ремиелинизирующие олигодендроциты. При использовании двухфотонной микроскопии для наблюдения динамики глии и микроглии NG2 в ответ на введение зонда in vivo после активации микроглии произошла 12-часовая задержка активации глии NG2, которая может представлять временный хемотаксические взаимодействие (ответ) между двумя глиальными клетками. Сходным образом, активированная микроглия ингибирует пролиферацию глии NG2 и способствует гибели их клеток.
Микроглия является основным источником железа для олигодендроцитов. До дифференцировки глии NG2 микроглия накапливает железо при подготовке к миелинизации зрелыми олигодендроцитами . Жизнеспособность олигодендроцитов зависит от добавки ферритина микроглией. Когда клетки микроглии активируются во время травмы, они продуцируют многие провоспалительные медиаторы, такие как глутамат, матриксные металлопротеиназы и активные формы кислорода и азота, которые делают олигодендроциты уязвимыми для эксайтотоксического или окислительного стресса. Было показано, что индуцированная липополисахаридами активация микроглии посредством пути toll-like рецептора 4 (TLR4) индуцирует гибель олигодендроцитов, а также гипомиелинизацию . Однако активированная микроглия все еще может продуцировать трофические факторы, такие как инсулиноподобный фактор роста 2 (IGF-2), который поддерживает жизнеспособность олигодендроцитов . Возврат микроглии из провоспалительного фенотипа в противовоспалительный фенотип улучшает олигодендрогенез и образование миелина во время ремиелинизации [. Также известно, что олигодендроциты "под принуждением" ( активацией ) продуцируют несколько хемотаксических факторов (CXCL10, CCL2 и CCL3), которые рекрутируют микроглию в области повреждения.
Понимание того, как эти глиальные клетки функционируют во время травмы, затенено тем фактом, что множественные фенотипы или «поляризации» могут возникать при различных обстоятельствах. Основываясь на упрощенном анализе in vitro , микроглия исторически классифицировалась как провоспалительные «М1» или «М2» противовоспалительные фенотипы, главным образом при воздействии различных стимулов цитокинов. Тем не менее, это изолированные состояния микроглии не в состоянии объяснить ассортимент сигнальных молекул, которые секретируются во время повреждения in vivo. Кроме того, исследователи опровергают эти отчетливые воспалительные профили, поскольку раскрывается дополнительная информация о сложности поляризации микроглии. Повреждение при вставке микроэлектрода вызывает провоспалительные и противовоспалительные состояния микроглии, и введение терапевтических средств может модулировать активацию микроглии. Точно так же астроциты демонстрируют различные фенотипы во время воспаления (поляризации «А1» / «А2»), которые затрудняют понимание их роли после повреждения. Например, астроглиоз традиционно рассматривается как нейродегенеративный и вредный для окружающей ткани, однако имеются данные, свидетельствующие о том, что реактивные астроциты могут обеспечивать нейронную защиту посредством ингибирования апоптоза, нейротрофической поддержки и гомеостатического баланса. Активация микроглии и астроцитов, хотя они часто рассматриваются как возбудители воспаления, необходимы для восстановления и регенерации тканей.Активированная микроглия ответственна за клиренс миелинового дебриса и способствует олигодендрогенезу, тогда как реактивные астроциты секретируют факторы, которые модулируют глиальные ответы NG2 . Таким образом, требуется более глубокое понимание этих провоспалительных и противовоспалительных глиальных фенотипов, чтобы определить истинную природу их функций и взаимодействия с другими клетками во время повреждения ЦНС.
В развивающейся ЦНС ангиогенез и основание BBB происходит около E11, до появления NG2 глии, когда предшественники олигодендроцитов используют эндотелий сосудов для миграции от их мест происхождения. Оттуда глия NG2 либо распределяется по всей паренхиме (паренхимная глия NG2), либо находится в непосредственной близости от эндотелиально-связанных перицитов (периваскулярная глия NG2). Исследования предполагают двунаправленную связь между глией NG2 и перицитами, причем , воздействие кондиционированных сред одного типа клеток оказывает пролиферативное влияние на другие.
Также происходят взаимодействия между глией NG2 и эндотелиальными клетками. Глиа NG2 предотвращает проницаемость BBB, секретируя трансформирующий фактор роста бета (TGF-β), который связывается с рецепторами TGF-β на поверхности эндотелиальных клеток, усиливая экспрессию белков с плотным соединением (claudin-5 и ZO-1) через MAPK / ERK пути. Аналогичным образом, эндотелиальные клетки секретируют фактор роста фибробластов-2 (FGF-2) и нейротрофические факторы мозга (BDNF), которые влияют на выживаемость и пролиферацию глии NG2 посредством сигнальных путей Akt и Src . Эндотелиальные клетки также секретируют сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF-A), который способствует миграции клеток NG2, но не их пролиферации, посредством передачи сигналов VEGF-рецептор 2 (Flk-1). VEGF-индуцированная миграция глии NG2 опосредуется через цитоскелетную перестройку в зависимости от ROS и FAK . Напротив, VEGF-C, как сообщается, влияет на пролиферацию глии NG2 через сигнальные каскады VEGF-рецептора 3.
Благодаря присущим им пространственным связям с нейронами, олигодендроциты и их клетки-предшественники являются критическими регуляторами физиологии мозга. В отличие от других глий, олигодендроциты и глия NG2 являются прямыми источниками нейротрофической и метаболической поддержки, и каждый тип клеток играет специфическую роль в модулировании активности нейронов. В результате они должны поддерживать высокие энергетические потребности, чтобы поддерживать постоянную метаболическую активность активных нейронов. Кроме того, олигодендроциты и глия NG2 имеют функциональные связи с другими компонентами мозга, такими как микроглия, астроциты и муральные клетки , которые поддерживают гематоэнцефалический барьер. Нарушение их нормального физиологического поведения может вызвать каскад нейровоспалительных реакций с участием различных клеточных сетей в мозге. Олигодендроциты и глия NG2 могут реагировать одинаково во время травмы, реагируя на гибель клеток, вызванной воспалением, что увеличит повреждение демиелинизации, ослабит потенциал восстановления ремиелинизации и лишит нейроны нейротрофической и метаболической поддержки. Тем не менее, глия NG2 может играть другие роли, такие как, возможно, дифференцировка в рубцовые астроциты и участие в провоспалительных явлениях в тканях.
Начало острого воспаления после повреждения мозга вызывает потребность в организме защитить от посторонних патогенов и восстановить поврежденные ткани. Немедленная активация фагоцитозной микроглии запускает удаление клеточного дебриса и постоянную секрецию провоспалительных цитокинов (IL-1β, IL-6, TNF-α), хемокинов (MCP-1, CXCL-1), активных форм кислорода (NADPH оксидаза, MPO) и факторов свертывания. Микроглия также секретирует нейротрофические факторы, такие как BDNF, после своей активации, что указывает на параллельную роль в реактивном ответе ткани на ее восстановление. Однако было показано, что BDNF увеличивает количество активированной микроглии in vivo , предполагая, что он может усиливать реактивность микроглии и сохраняться при хроническом воспалительном ответе. Реактивные астроциты увеличивают экспрессию глиального фибриллярного кислого белка (GFAP), промежуточного филамента, участвующего в модулировании структуры и механической прочности клетки, и инкапсулируют инородные тела в глиальном рубце. Клетки в этом рубце экспрессируют CSPG, ингибирующие рост аксонов, которые препятствуют функциональному восстановлению ткани. Окислительный стресс от реактивности микроглии и астроцитов нарушает функцию белков плотного соединения в эндотелиальных клетках, увеличивая проницаемость гемтао-энцефалического барьера . Эндотелиальные клетки экспрессируют множество молекул клеточной адгезии (E-селектин, P-селектин, VCAM, ICAM), которые способствуют привлечению лейкоцитов и нейтрофилов к месту повреждения . Также известно, что перициты, основной функцией которых является очистка метаболических отходов и поддержание жизнеспособности эндотелиальных клеток , способствуют проникновению иммунологических Т-клеток и моноцитов в паренхиму головного мозга . Эти инфильтрирующие клетки продуцируют вредные виды окислителей, секретируют ММР, разлагающие BBB, и выделяют провоспалительные цитокины, такие как IFN-γ, которые еще более усиливают активацию глиальных клеток . В результате жизнеспособность нейронов нарушается, и образование глиального рубца предотвращает диффузию нейротрофических факторов, ионов и заряженных веществ, нарушая физиологию тканей.
Олигодендроглиальные клетки экспрессируют глутамат-связывающие рецепторы AMPA, каинат и NMDA . Как зрелые олигодендроциты, так и глия NG2 показали эксайтотоксичность при длительном воздействии глутамата in vitro. Один из механизмов действия, приводящий к гибели клеток через эксайтотоксичность глутамата, заключается в увеличении продукции видов свободных радикалов в митохондриях в ответ на увеличение внутриклеточного кальция. Было показано, что варьирование активации рецепторов каината и AMPA приводит к апоптозу олигодендроцитов либо каспазо-зависимым, либо -независимым образом. Точно так же гибель олигодендроцитов может происходить косвенно через передачу сигналов глутамата через высвобождение провоспалительных цитокинов TNF-α и IL-1β из активированной микроглии.
Дисфункция олигодендроцитов наблюдается не только при демиелинизирующих заболеваниях, таких как MS, но и при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и ALS, что указывает на их участие в деградации нейронов. Например, агрегаты мутантного нерастворимого тау-белка наблюдались в олигодендроцитах наряду с дегенерацией аксонов. Специфическая абляция олигодендроцитов, которая исключает любое влияние других активированных глиальных клеток или инфильтрирующих иммунных клеток, продемонстрировала вторичное повреждение аксонов. Исследования, в которых миелиновые белки, такие как PLP, сверхэкспрессируются или истощаются посредством генетической мутации, дополняются тяжелой дегенерацией нейронов. Тем не менее, PLP является белком, в основном локализованным в миелиновой оболочке, в то время как CNP является эксклюзивным для поверхности тел олигодендроцитов. Исследования с участием мутации CNP продемонстрировали функциональный моторный дефицит наряду с патологией нейронов, в то время как количество и структура других белков миелина оставались нетронутыми между экспериментальным и диким типом контроля.
Лечение
Антиоксиданты, такие как NADPH, помогают предотвратить смерть, вызванную окислительным стрессом, как в олигодендроцитах, так и в их предшественниках. Например, введение дегидроэпиандростерона (DHEA) защищает глию NG2, лишенную NADPH во время метаболического стресса. Как эндогенный нейростероид, DHEA также защищает от NMDA-опосредованной эксайтотоксичности и цитотоксичности, опосредованной перекисью водорода. Кроме того, DHEA способствует выживанию нейронов в моделях инсульта.
Повышенная регуляция активных форм кислорода и азота во время воспаления из-за активации реактивной глии представляет угрозу для олигодендроцитов, влияя на метаболизм митохондрий. Противовоспалительный агент, такой как метотрексат (ITMTX), который обычно используется для лечения пациентов с рассеянным склерозом , может смягчать иммунный ответ и ослаблять воздействие на олигодендроциты и миелин. Тем не менее, у животных, получавших купризон, ITMTX смягчает формирование глиоза и ингибирует демиелинизацию, демонстрируя, что он действует более конкретно для предотвращения демиелинизации без системной иммуносупрессии. Наконец, недавняя работа продемонстрировала защитное действие антиоксиданта резвератрола на вызванную окислительным стрессом гибель клеток олигодендроцитов и глию NG2.
Рапамицин является ингибитором mTOR и, как известно, ухудшает миелинизацию за счет снижения передачи сигналов Akt . Киназа mTOR также обладает способностью снижать активацию Т-клеток и модулировать другие глиальные функции, что делает ее новой терапевтической мишенью при демиелинизирующих заболеваниях.
Другой важный путь, ответственный за рост миелина, включает внеклеточные сигнальные регулируемые протеинкиназы 1 и 2 (ERK1 / ERK2), которые являются нижестоящими медиаторами митоген-активируемых протеинкиназ (MAPK) . Этот путь ответственен за регулирование толщины миелина, и у мутантных мышей, дефицитных по этому пути, наблюдается нормальная дифференцировка глии NG2 и инициация образования миелина, но не наблюдается заметного увеличения толщины миелина, которое обычно следует за аксональным контактом. Применение ингибиторов GSK3β успешно улучшило регенерацию олигодендроцитов и ремиелинизацию в демиелинизирующих очагах. Благодаря их антиапоптотическому влиянию на пути гибели клеток, ингибиторы GSK3β могут иметь двойное преимущество: усиливать дифференцировку предшественников олигодендроцитов и защищать зрелые олигодендроциты.
Добавить комментарий