Informatie

Wat is de buitenste grens van myelinisatie van oligodendrocyten?


De sensorische en motorische neuronen die het ruggenmerg en de hersenstam omvatten, hebben de interessante eigenschap dat verschillende structurele componenten die tot hetzelfde neuron behoren, zowel het PNS als het CNS kunnen bezetten.

Hier zijn verschillende voorbeelden:

  1. De soma's van motorneuronen bevinden zich in het CZS, terwijl de meerderheid van hun axonale projecties bevinden zich in de PNS

  2. De soma's van sympathische preganglionaire neuronen bevinden zich in het CZS, terwijl de meerderheid van hun axonale projecties bevinden zich in het PNS.

  3. Pseuduniopolaire sensorische neuronen hebben een deel van hun axonen in het CZS, maar hun soma's en ander een deel van hun axonen bevindt zich in het PZS.

Het algemene dogma van myeliniserende cellen stelt dat Schwann-cellen de PNS-axonen myeliniseren, terwijl oligodendrocyten de CNS-axonen myeliniseren. Ik zou echter graag willen weten welke cellen verantwoordelijk zijn voor het myeliniseren van de segmenten van axonen die net het ruggenmerg verlaten of binnenkomen. Bestaat er een abrupt demarcatiepunt waar de myeliniserende cellen plotseling niet meer werken / bestaan?

Verwijzend naar de onderstaande afbeelding:

Weerspiegelt dit beeld wat werkelijk wordt waargenomen? Is er echt een duidelijke "buitengrens" van myelinisatie van oligodendrocyten?


Ascl1 is vereist voor de ontwikkeling van oligodendrocyten in het ruggenmerg

Michiya Sugimori, Motoshi Nagao, Carlos M. Parras, Hiroko Nakatani, Mélanie Lebel, François Guillemot, Masato Nakafuku Ascl1 is vereist voor de ontwikkeling van oligodendrocyten in het ruggenmerg. Ontwikkeling 1 april 2008 135 (7): 1271-1281. doi: https://doi.org/10.1242/dev.015370

Ontwikkeling van oligodendrocyten, myeline-vormende glia in het centrale zenuwstelsel (CZS), verloopt volgens een langdurig schema. Specificatie van oligodendrocyt-voorlopercellen (OLP's) begint vroeg in de ontwikkeling, terwijl hun terminale differentiatie plaatsvindt in de late embryonale en postnatale perioden. Hoe deze verschillende stappen worden gecontroleerd, blijft onduidelijk. Onze eerdere studie toonde een belangrijke rol aan van de helix-loop-helix (HLH) transcriptiefactor Ascl1 bij de vroege generatie van OLP's in het zich ontwikkelende ruggenmerg. Hier laten we zien dat Ascl1 ook laat in de ontwikkeling betrokken is bij terminale differentiatie van oligodendrocyten. Ascl1 -/- mutante muizen vertoonden bij de geboorte een deficiëntie in differentiatie van myeline tot expressie brengende oligodendrocyten. In vitro-kweekstudies tonen aan dat de inductie en instandhouding van co-expressie van Olig2 en Nkx2-2 in OLP's, en op schildklierhormoon reagerende inductie van myeline-eiwitten verminderd zijn in Ascl1 -/- mutanten. Gain-of-function-onderzoeken toonden verder aan dat Ascl1 samenwerkt met Olig2 en Nkx2-2 bij het bevorderen van differentiatie van OLP's tot oligodendrocyten in vitro. Overexpressie van Ascl1, Olig2 en Nkx2-2 alleen stimuleerde de specificatie van OLP's, maar de combinatorische werking van Ascl1 en Olig2 of Nkx2-2 was nodig om hun differentiatie tot oligodendrocyten verder te bevorderen. Ascl1 reguleert dus meerdere aspecten van de ontwikkeling van oligodendrocyten in het ruggenmerg.


Abstract

Oligodendrocyten zijn kwetsbaar voor CZS-letsel en ziekte. Omdat oligodendrocyten de axonen van het centrale zenuwstelsel myeliniseren, leidt hun dood tot demyelinisatie en verminderde axongeleiding, die op hun beurt bijdragen aan neurologische gebreken. Het vervangen van oligodendrocyten vereist proliferatie en differentiatie van endogene NG2+-voorlopercellen, een proces dat sterk kan worden beïnvloed door geactiveerde macrofagen, die aanwezig zijn in de meeste CZS-pathologieën. Om de relatie tussen oligodendrocytgeneratie en macrofaagactivering in vivo te onderzoeken, vergeleken we de mate van verlies van oligodendrocyten en NG2-celproliferatie en differentiatie na intraspinale micro-injectie van lipopolysaccharide (een Toll-like receptor-4-agonist) of zymosan (Toll-like receptor-2 agonist) bij ratten. Controles omvatten het injecteren van vehikel (steriele PBS-negatieve controle) of lysolecithine (positieve controle voor NG2-celproliferatie en oligodendrocytdifferentiatie). 14 dagen na de injectie vertoonden de lipopolysaccharide-injectieplaatsen een significante stijging van de proliferatie van NG2-cellen en de differentiatie van de oligodendrocyten, die hoger was dan die bij injecties met vehiculum en lysolecithine. Bovendien was opgereguleerde ciliaire neurotrofe factorexpressie aanwezig in lipopolysaccharidelaesies. Daarentegen produceerden door zymosan geactiveerde macrofagen volledig verlies van oligodendrocyten zonder de proliferatie van NG2-cellen, vervanging van oligodendrocyten of expressie van ciliaire neurotrofe factor te stimuleren. Zymosan veroorzaakte ook een vertraagde uitbreiding van de laesie en primaire demyelinisatie van intacte gemyeliniseerde axonen rond de laesies. Deze resultaten schetsen duidelijk het dichotome potentieel van macrofaagactivering voor het beïnvloeden van NG2-celproliferatie en oligodendrocytdifferentiatie. Omdat endogene Toll-like receptorliganden vaak aanwezig zijn in beschadigd CZS-weefsel, werpen deze resultaten licht op mogelijke mechanismen die de vervanging van oligodendrocyten beperken tot specifieke domeinen van CZS-trauma of ziekteplaatsen.


Abstract

Mutaties in het gen dat codeert voor de chromatine-remodeller CHD8 zijn sterk geassocieerd met autisme spectrum stoornis (ASS). CHD8 haploinsufficiëntie leidt ook tot autistische fenotypes bij mensen en muizen. Hoewel myelinisatiedefecten zijn waargenomen bij personen met ASS, is onbekend of oligodendrocytdisfunctie verantwoordelijk is voor autistische fenotypes. Hier laten we zien dat verminderde expressie van CHD8 in oligodendrocyten leidt tot abnormale gedragsfenotypes bij muizen. CHD8 bleek de expressie van veel aan myelinisatie gerelateerde genen te reguleren en nodig te zijn voor rijping en myelinisatie van oligodendrocyten. ablatie van Chd8 specifiek in oligodendrocyten van muizen verminderde myelinisatie, vertraagde de voortplanting van actiepotentiaal en resulteerde in gedragsstoornissen, waaronder verhoogde sociale interactie en angstachtig gedrag, waarbij vergelijkbare effecten zichtbaar werden in Chd8 heterozygote gemuteerde muizen. Onze resultaten geven dus aan dat: CHD8 is essentieel voor myelinisatie en dat disfunctie van oligodendrocyten als gevolg van CHD8 haplo-insufficiëntie geeft aanleiding tot verschillende neuropsychiatrische fenotypes.


Resultaten

IL-4-deficiëntie schaadt de integriteit van de witte stof na ischemisch hersenletsel

Om de potentiële cellulaire doelen voor IL-4 te onderzoeken, hebben we flowcytometrie gebruikt om de expressie van IL-4Rα op verschillende soorten cellen in de ischemische hersenen te beoordelen. In overeenstemming met eerdere rapporten [15, 21], werd IL-4Rα tot expressie gebracht op CD45 − CD11b − GFAP + astrocyten, CD45 − CD11b − NeuN + neuronen, CD45 intermediaire CD11b + microglia, CD45 hoge CD11b + macrofagen en andere geïnfiltreerde immuuncellen ( CD45 + CD11b ) 3 d na 60 minuten MCAO (Fig 1A en 1B). Met name werd IL-4Rα ook tot expressie gebracht in cellen van oligodendrocyten (Fig 1A-1D). Verschillende markeringen, waaronder A2B5, O4 en O1/galactocerebroside (GalC), werden gebruikt om oligodendrocyten in verschillende differentiatiestadia te identificeren. IL-4Rα werd gedetecteerd in CD45 - CD11b - O4 + -cellen (Fig 1A-1D), die werden geïdentificeerd als pre-oligodendrocyten en premyeliniserende oligodendrocyten, en CD45 - CD11b - O1 + -cellen (Fig 1A en 1B), die werden geïdentificeerd als premyeliniserende oligodendrocyten of volwassen oligodendrocyten [22]. De percentages IL-4Ra+04+-cellen waren hoger in het ipsilaterale ischemische halfrond (Fig. 1C en 1D), wat een mogelijk direct effect van IL-4 op witte-stofcellen suggereert. ImageStream-analyses bevestigden dat IL-4Rα tot expressie werd gebracht op zowel A2B5 + OPC's en O4 + preoligodendrocyten / premyeliniserende oligodendrocyten, evenals CD11b + microglia / macrofagen in het ischemische halfrond (Fig 1E en S1A-S1C Fig).

Voorbijgaande focale ischemie werd geïnduceerd in WT- en IL-4 KO-muizen door 60 minuten MCAO. (A-D) Flowcytometrische analyse van IL-4R in hersencellen van WT-muizen 3 d na MCAO. (A) Representatieve poortstrategie voor microglia (CD45 intermediate CD11b+), macrofagen (CD45 high CD11b+), astrocyten (CD45 − GFAP+), preoligodendrocyten (CD45 − O4+), oligodendrocyten (CD45 − O1+), neuronen (CD45 − NeuN + ), en andere immuuncellen (CD45 + CD11b ). (B) MFI van IL-4Ra. (C-D) De expressie van IL-4Rα op O4 + oligodendrocyten. N = 3 muizen. *P < 0,05. Student's t toets. (E) ImageStream-analyse toonde IL-4Rα-expressie aan op CD11b + microglia/macrofagen, O4 + preoligodendrocyten en A2B5 + OPC's. (F-H) Dubbele immunokleuring voor MBP en SMI32 14 d na MCAO of schijnoperatie. De fluorescentie-intensiteit van MBP (F) en de verhouding van SMI32 tot MBP-immunofluorescentie-intensiteit (G) in ipsilesional EC, cortex, striatum en het totaal voor alle drie de gebieden gekwantificeerd. N = 6–8/groep. Gegevens worden genormaliseerd naar de intensiteiten van contralaterale hemisferen. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001. One-way ANOVA en Bonferroni post hoc. (H) Representatieve afbeeldingen voor MBP (groen) en SMI32 (rood) dubbele immunokleuring in de peri-infarctgebieden in hersenen van schijnvertoning, WT MCAO-muizen en IL-4 KO MCAO-muizen 14 d na MCAO. Schaalbalk: 50 m. Gegevens die bij dit cijfer horen, zijn te vinden in het aanvullende gegevensbestand (S1 Data). CNS, centraal zenuwstelsel EC, externe capsule FSC-W, voorwaartse spreidingsbreedte GFAP, gliaal fibrillair zuur eiwit IL-4R, interleukine-4 receptor α KO, knock-out MBP, myeline basiseiwit MCAO, midden cerebrale arterie occlusie MFI, gemiddelde fluorescentie-intensiteit OPC, oligodendrocyt-voorlopercel SSC-A, zijverstrooiingsgebied WT, wildtype.

In het licht van deze resultaten evalueerden we of IL-4 de integriteit van de witte stof beïnvloedde na ischemische beroerte. WT- en IL-4 KO-muizen werden onderworpen aan voorbijgaande focale ischemie, geïnduceerd door MCAO van 60 minuten. Dubbele kleuring voor myeline-basiseiwit (MBP, een belangrijk myeline-eiwit) en SMI32 (een marker van gedemyeliniseerde axonen) werd uitgevoerd om de laesie in witte stof te beoordelen (Fig. 1F-1H). De algehele immunofluorescentie-intensiteit van MBP-kleuring nam af in de infarctgrens langs drie witte-stofrijke hersengebieden (de externe capsule [EC], de cortex en het striatum) (zie "totale" waarden in het paneel rechts van Fig 1F) op 14 d na MCAO, wat wijst op een significant verlies van myeline-eiwit na een beroerte. Bovendien nam de algehele immunofluorescentie van SMI32 in deze drie regio's toe, wat resulteerde in een significante toename van de SMI32 / MBP-verhouding bij WT-muizen na een beroerte (figuur 1G). IL-4-deficiënte muizen vertoonden een verergering van het verlies in MBP (Fig 1F) en een verdere toename van de SMI32/MBP-verhouding in vergelijking met WT-muizen (Fig 1G), wat suggereert dat IL-4 belangrijk is bij het handhaven van axonale myelinisatie of het bevorderen van axonale remyelinisatie na een beroerte.

Een beroerte heeft invloed op zowel grijze als witte stof. Om het effect van IL-4 in witte stof te bevestigen, hebben we de remyelinisatiecapaciteit van IL-4 onderzocht in een model van lysofosfatidylcholine/lysolecithine (LPC)-gemedieerde demyelinisatie met behulp van ex vivo organotypische cerebellaire slice-culturen. Dit op giftige stoffen gebaseerde experimentele model van demyelinisatie, hoewel het niet probeert een ziekte met complexe etiologie en pathogenese volledig na te bootsen, is buitengewoon nuttig gebleken voor het begrijpen van de biologie van remyelinisatie [23]. Plakjes verzameld van WT- en IL-4 KO-muizen vertoonden vergelijkbare mate van demyelinisatie, zoals onthuld door het verlies van MBP-kleuring langs neurofilament-zware (NFH +) axonale vezels, op 3 d na LPC (figuur 2A). Gedeeltelijke remyelinisatie werd bereikt door 7 d na LPC in WT-hersenplakken, maar IL-4-deficiëntie vertraagde de remyelinisatie significant (Fig 2A en 2B), zoals blijkt uit een lagere MBP-kleuringsintensiteit (Fig 2C) en minder MBP + axonale dekking (Fig 2D) . IL-4-suppletie verbeterde de remyelinisatie in WT-hersenplakjes significant en redde remyelinisatiecapaciteiten in IL-4 KO-hersenplakken (Fig 2A, 2C en 2D).

LPC (500 g / ml) werd gedurende 17 uur toegevoegd in WT- of IL-4 KO-organotypische culturen om demyelinisatie te induceren. IL-4 (20 ng/ml) of vehiculum werd toegevoegd na verwijdering van LPC. Kweekschijfjes werden 3 d en 7 d na LPC-behandeling gefixeerd. Controlekweken werden gedurende 7 dagen in normale kweekmedia gehouden. (A) MBP (groen) en NFH (rood) kleuring werd uitgevoerd om respectievelijk myeline en axonale vezels te labelen. Schaalbalk: 50 m. (B) MBP en NFH dubbele kleuring en Imaris 3D-reconstructie. Pijlen geven myelinisatie aan van individuele axonale vezels die zijn vergroot in de afbeeldingen aan de rechterkant. Schaalbalk: 15 m. (C) Myeline-integriteit werd gemeten als de intensiteit van MBP-immunokleuring. (D) De myelinisatie-index werd berekend als het % MBP + myelinedekking langs de gehele NFH + -vezels. N = 5-7 plakjes/groep. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001. One-way ANOVA en Bonferroni post hoc. Gegevens die bij dit cijfer horen, zijn te vinden in het aanvullende gegevensbestand (S1 Data). IL-4, interleukine-4 KO, knock-out LPC, lysofosfatidylcholine/lysolecithine MBP, myeline basiseiwit NFH, neurofilament zwaar WT, wildtype.

Intranasale afgifte van IL-4-nanodeeltjes bevordert de integriteit van de witte stof na een beroerte

IL-4 liposoom nanodeeltjes werden bereid om de penetratie van IL-4 in de ischemische hersenen te vergemakkelijken. De gemiddelde deeltjesgrootte van met IL-4-eiwit beladen liposoom was 122,6 ± 2,4 nm met een polydispersiteitsindex van ongeveer 0,212 ± 0,004 en een zeta-potentiaal van 4,05 ± 1,35 mV, wat de hoge stabiliteit van de nanodispersie bevestigt. De IL-4-nanodeeltjes werden toegediend via de nasale route (50 g/kg lichaamsgewicht), die in toenemende mate wordt gebruikt voor de toediening van geneesmiddelen aan het CZS vanwege het vermogen om de bloed-hersenbarrière te omzeilen en first-pass metabolisme te vermijden [24]. Intranasale toediening van IL-4-nanodeeltjes verhoogde effectief de IL-4-eiwitniveaus in het corpus callosum (CC) en EC, hersenschors en striatum 12 uur na IL-4-toepassing (Fig 3A-3C). IL-4 bleef verhoogd in de cortex en het striatum tot 24 uur na de bevalling (Fig 3B en 3C).

IL-4 nanodeeltjes (50 g/kg lichaamsgewicht) of een equivalent volume vehikel ("Veh") werden intranasaal aangebracht. Hersenweefsels werden verzameld na 12 uur, 1 dag en 2 dagen na IL-4-afgifte. Hersen-IL-4-niveaus werden gemeten in de CC en EC (A), cortex (B) en striatum (C) met behulp van ELISA. N = 3-4/groep. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P <0,001, versus met drager behandelde muizen. One-way ANOVA en post-hoc LSD-tests. (D) Experimenteel ontwerp voor figuren 3-7. (E) Longitudinale T2-gewogen afbeeldingen tonen axiale weergaven van dezelfde levende dierenhersenen op 2 d, 14 d, 21 d en 28 d na MCAO. NeuN (rood) immunokleuring werd 35 dagen na een beroerte uitgevoerd. De overeenkomstige vlakken van dezelfde dieren worden weergegeven. Schaalbalk voor NeuN-afbeeldingen: 1 mm. (F) Het hersenlaesievolume werd beoordeeld op T2-gewogen afbeeldingen. N = 6/groep. Tweerichtings-ANOVA gevolgd door Bonferroni post hoc. (G) Weefselverlies werd gemeten op NeuN-gekleurde hersenplakjes. N = 10–11/groep. Student's t toets. Gegevens die bij dit cijfer horen, zijn te vinden in het aanvullende gegevensbestand (S1 Data). CC, corpus callosum DTI, diffusie tensor imaging EC, externe capsule EM, elektronenmicroscopie IL-4, interleukine-4 LSD, minst significant verschil MCAO, occlusie van de middelste cerebrale slagader.

C57BL / 6J-muizen werden onderworpen aan MCAO van 60 minuten en willekeurig toegewezen om IL-4 nanodeeltjes (50 g / kg lichaamsgewicht) of controle nanodeeltjes (voertuig) te ontvangen. Nanomaterialen werden intranasaal afgeleverd op 6 uur na MCAO en herhaald op 1-7 d, 14 d, 21 d en 28 d na MCAO (Fig 3D). Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) op deze dieren werd serieel uitgevoerd bij 9,4 T op dagen 2, 14, 21 en 28 na MCAO. t2-gewogen beelden toonden geen significant verschil in het hersenlaesievolume van met IL-4- versus met drager behandelde muizen (Fig. 3E en 3F), wat wijst op vergelijkbare grove weefselbeschadiging tussen behandelingsgroepen. Histologische kleuring van de neuronale marker NeuN toonde verder vergelijkbaar weefselverlies 35 d na een beroerte in met IL-4 en drager behandelde muizen (Fig 3E en 3G).

Seriële in vivo diffusie tensor imaging (DTI) -scans van het hele brein werden 14 d, 21 d en 28 d na MCAO verzameld. Dezelfde dieren werden vervolgens op 35 d na een beroerte gedood en de gefixeerde hersenen werden onderworpen aan ex vivo DTI-scanning (Fig. 4A en 4B, S2A en S2B Fig). Longitudinale observatie van fractionele anisotropie (FA)-kaarten en berekening van de verhouding van FA (ipsilateraal) / FA (contralateraal) toonde progressief letsel aan witte stof (verhouding < 1) met een langzaam herstel in de EC van met drager behandelde muizen met een beroerte op 14- 35 dagen na een beroerte, die significant was verbeterd op dag 28 na een beroerte in met IL-4 behandelde muizen (Fig. 4C). Deze trend werd waargenomen tot dag 35 in de ex vivo FA-waarden (Fig. 4C). Verdere analyse van de 35 d DTI-beelden onthulde dat IL-4-behandeling de integriteit van de witte stof verbeterde, zoals onthuld door verhoogde FA-waarden in de met witte stof verrijkte EC en interne capsule (IC) (Fig 4D, 4E en 4G). Bovendien verminderde IL-4-behandeling de radiale diffusiviteit aanzienlijk (RD, λ) in de EC (Fig 4F) en IC (Fig 4H), wat waarschijnlijk duidt op verbeterde myeline-integriteit [25]. Er werden geen significante verschillen waargenomen tussen IL-4- en vehiculumbehandelingsgroepen in axiale diffusiviteit (AD, λ||), een meting voor axonale integriteit (S2C en S2D Fig).

(A) Een sagittale doorsnede met de locaties van 5 representatieve scanvlakken van rostraal tot caudaal. (B) representatieve axiale weergaven (5 secties van rostraal tot caudaal) van FA-kaart 35 d na een beroerte. Gele pijlen geven de EC aan. Blauwe pijlpunten geven het IC aan. (C) Kwantificering van FA-waarden in de EG op verschillende dagen na MCAO. Gegevens worden uitgedrukt als de verhouding van FA-waarden in de ipsilaterale (laesie) zijde tot de FA-waarden in de niet-gelaeseerde contralaterale hemisferen. N = 6/groep. *P < 0,05, ***P < 0,001 versus voertuig op aangegeven tijdstippen. Tweeweg herhaalde maatregelen ANOVA en Bonferroni post hoc. (D) Representatieve FA-kaart en DEC-kaart van dezelfde ex vivo hersenen 35 d na een beroerte. MBP (groen) immunokleuring werd uitgevoerd op dezelfde hersenen. Schaalbalk: 1 mm. (E-H) Kwantificering van FA en RD in de EC (E en F) en IC (G en H) op vijf axiale niveaus van rostraal tot caudaal. N = 6/groep. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001 versus MCAO + voertuig op hetzelfde doorsnedevlak. Tweerichtings-ANOVA en Bonferroni post hoc. (I) De gebieden van de EC werden beoordeeld op MBP-gekleurde hersensecties. N = 6/groep. (J) De Pearson-correlatie tussen de FA-waarde en histologische analyse van myeline in de EG. N = 6/groep. (K) Kwantificering van MBP-intensiteit in peri-infarctgebieden. Gegevens worden berekend als vouwverandering in vergelijking met overeenkomstige contralaterale gebieden. N = 12/groep. **P < 0,01, ***P < 0.001 versus MCAO + voertuig, Student's t toets. Gegevens die bij dit cijfer horen, zijn te vinden in het aanvullende gegevensbestand (S1 Data).CC, corpus callosum DEC, directioneel gecodeerde kleur EC, externe capsule FA, fractionele anisotropie IC, interne capsule IL-4, interleukine-4 MBP, myeline basiseiwit MCAO, midden cerebrale slagader occlusie RD, radiale diffusiviteit.

Om de biologische basis van deze DTI-resultaten verder te onderzoeken, vergeleken we de DTI-resultaten met immunohistochemische kleuring van MBP uitgevoerd in dezelfde dieren. Er waren opmerkelijke overeenkomsten tussen de FA-kaarten en MBP-afbeeldingen (Fig 4D, 4I en 4J). IL-4-behandeling verhoogde het MBP+-gebied in de EC significant (Fig. 4D en 4I). Er was een significante positieve correlatie tussen de MBP+-gebieden en de FA-waarden in de EC (Fig. 4J). De kwantificering van MBP-kleuring bevestigde een significante toename in MBP-intensiteit in de ischemische hersenen van met IL-4 behandelde muizen in vergelijking met met drager behandelde muizen (Fig. 4K).

IL-4-nabehandeling verbetert de structurele en functionele integriteit van gemyeliniseerde vezels na een beroerte

Om te bepalen of IL-4 de axonale myelinisatie na een beroerte kan verbeteren, werd de myelinedikte gemeten in de EC met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) (Fig. 5A). Frequentiehistogrammen onthulden een veel grotere reductie van axondiameters in de MCAO+-vehikelgroep vergeleken met de MCAO+ IL-4- en schijngroepen, wat een hogere axonale degeneratie suggereert bij muizen met een beroerte zonder IL-4-behandeling (Fig. 5B). Scatterplots van de G-verhouding (de verhouding van de binnendiameter van het axon tot de totale buitendiameter van de gemyeliniseerde vezel) als functie van de diameter van het axon bij sham-muizen of beroerte-muizen behandeld met vehiculum of IL-4 onthulde significante verschillen in myelinedikte (gemiddelde G-verhouding: schijn = 0,72 [N = 183 axonen van 3 dieren] MCAO + voertuig = 0,79 [N = 233 axonen van 3 dieren] MCAO + IL-4 = 0,73 [N = 176 axonen van 3 dieren]) (Fig 5C). Aanzienlijke stijgingen van de G-ratio werden waargenomen in zowel axonen van laag als hoog kaliber op 35 d na MCAO, wat wijst op een vermindering van de myelinedikte (figuur 5D). IL-4-nabehandeling verminderde de G-verhouding van de middelgrote (diameter = 400-800 nm) en grote (diameter > 800 nm) axonale vezels, wat suggereert dat IL-4 axonale myelinisatie kan behouden of axonale remyelinisatie na een beroerte kan bevorderen. De G-verhouding in kleine axonale vezels (diameter < 400 nm) vertoonde een trend in de richting van reductie met IL-4-behandeling (Fig. 5D).

(A-D) TEM ultrastructurele analyses van myeline-integriteit in de EC van sham-, MCAO + voertuig- en MCAO + IL-4-groepen op 35 d na de operatie. (A) Representatieve TEM-afbeeldingen tonen dunnere myeline-omhulsels op een demyelinisatieplaats in de EG na een beroerte. IL-4-behandeling verhoogde de myelinedikte. Schaalbalk: 1 m. (B) Frequentiehistogrammen van axondiameter. (C) Scatterplots van G-verhouding als functie van de axondiameter in schijnmuizen of beroertemuizen die zijn behandeld met vehiculum of IL-4. (D) De G-verhouding van gemyeliniseerde axonen met betrekking tot axondiameter met intervallen van 0,4 m voor nepmuizen of beroertemuizen behandeld met vehiculum of IL-4. N = 3/groep. *P < 0,05, **P < 0,01 versus schijn #P < 0,05, ##P < 0,01 versus MCAO + voertuig. One-way ANOVA gevolgd door Bonferroni post hoc. (E-H) Caspr- en NaV1.6-immunokleuring in de EC van MCAO + voertuig- en MCAO + IL-4-groepen op 35 d na de operatie. (E) representatieve beelden van Caspr (rood) en NaV1.6 (groen) immunokleuring. Schaalbalk: 10 m. (F) Kwantificering van het aantal NOR's. (G) Kwantificering van de paranode (Caspr + ) lengte. (H) De lengte van de paranode-opening werd gekwantificeerd als de lengte tussen een paar Caspr + -sites. N = 7/groep. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001. One-way ANOVA gevolgd door Bonferroni post hoc. (I-K) Elektrofysiologische analyses van hersenplakjes bereid uit schijn-, MCAO + voertuig- en MCAO + IL-4-muizen 35 d na MCAO. (I) Schematische illustratie van de positie van de stimulerende ("Stim") en opname ("Rec") elektroden voor CAP-metingen in CC/EC. (J) Representatieve curven van CAP's in gemyeliniseerde N1-vezels. (K) Kwantificering van de amplitude van opgewekte CAP's in gemyeliniseerde N1-vezels. N = 6/groep. ***P < 0,001. Twee-weg ANOVA herhaalde metingen gevolgd door Bonferroni post hoc. Gegevens die bij dit cijfer horen, zijn te vinden in het aanvullende gegevensbestand (S1 Data). CAP, samengestelde actiepotentiaal Caspr, contactine-geassocieerd eiwit CC, corpus callosum EC, externe capsule: IL-4, interleukine-4 MCAO, midden cerebrale slagader occlusie NOR, knooppunten van Ranvier TEM, transmissie-elektronenmicroscopie.

Saltatoire geleiding van actiepotentialen langs gemyeliniseerde axonen is afhankelijk van de normale organisatie van de knopen van Ranvier (NOR), die rijk zijn aan natrium- en kaliumionkanalen. Dubbele immunofluorescentie-analyses van Nav1.6 (een nodaal natriumkanaaleiwit) en contactine-geassocieerd eiwit (Caspr, een paranodaal celadhesie-eiwit) onthulden de NOR in de EC (Fig 5E). Typische NOR worden gekenmerkt door puntvormige Nav1.6-kleuring op knooppunten tussen de paranodale kleuring van Caspr. Het totale aantal normale NOR nam significant af na een beroerte in de ipsilaterale EC in vergelijking met de contralaterale EC (figuur 5F), en dit ging gepaard met een afname van de Caspr + paranodelengte (figuur 5G). IL-4-behandeling verhoogde significant het aantal NOR en de paranodelengte in de ischemische EC (Fig 5F en 5G), wat een verbetering in de NOR-structuur suggereert. De paranodale kloof tussen paren Caspr-kleuring bleef onveranderd tussen groepen (Fig. 5H).

Omdat IL-4 de structurele integriteit van witte stof na MCAO verbeterde, evalueerden we de functie van de witte stof verder door de overdracht van actiepotentialen in de CC en EC te meten (figuur 5I). Opgeroepen samengestelde actiepotentialen (CAP's) vertonen een vroege piek die snel geleidende gemyeliniseerde axonen vertegenwoordigt (N1, Fig 5J) [26]. De amplitude van het N1-segment was 35 dagen na MCAO significant verminderd (Fig 5K), wat wijst op verminderde geleiding door gemyeliniseerde axonen. Met IL-4 behandelde muizen vertoonden minder vermindering van de N1-amplitude na MCAO, wat wijst op behoud van myeline of verbeterde remyelinisatie van axonen in vergelijking met de met drager behandelde proefpersonen.

Door IL-4 geboden bescherming tegen witte stof wordt geassocieerd met superieur functioneel herstel op lange termijn na een beroerte

Sensorimotorische en cognitieve functies werden beoordeeld door onderzoekers die blind waren voor groepsopdrachten. Zoals getoond in Fig. 6A en 6B, vertoonden IL-4-behandelde en met drager behandelde beroerte-muizen vergelijkbare reducties in latenties om contact te maken met en plakband van de poot te verwijderen op 3 d na een beroerte, wat vergelijkbare initiële tekorten in behendigheid tussen groepen suggereert. Echter, op latere tijdstippen vanaf 7-10 dagen na een beroerte, verminderde de IL-4-behandeling de tijd die werd besteed aan het aanraken en verwijderen van tapes bij muizen met een beroerte, wat culmineerde in verbeterde prestaties in de lijmverwijderingstest (Fig. 6A en 6B). De sensomotorische prestatie op lange termijn in de rotarod-test na MCAO was ook verbeterd in met IL-4 behandelde muizen (Fig. 6C). Bovendien vertoonden met IL-4 behandelde muizen langetermijnverbeteringen in de cognitieve functie in de Morris-waterdoolhoftest, zoals blijkt uit een vermindering van de latentie om het verborgen platform te vinden (verbeterd ruimtelijk leren, figuur 6D en 6E) en meer tijd besteed in het doelkwadrant toen het platform werd verwijderd (verbeterd geheugen, Fig. 6D en 6F). Er was geen verschil in zwemsnelheid tussen verschillende behandelingsgroepen, wat wijst op vergelijkbare grove motoriek tussen groepen (Fig. 6G).

Muizen kregen 6 uur na 60 minuten MCAO intranasale infusies van IL-4 (50 g/kg) of vehiculum en met dagelijkse tussenpozen op dag 1-7 en vervolgens elke 7 dagen tot 28 dagen na een beroerte. (A-C) Sensorimotorische functies werden beoordeeld tot 35 d na MCAO of schijnoperatie. (A-B) Test voor het verwijderen van lijm. De latenties om contact te maken met (A) en te verwijderen (B) werden opgenomen. N = 10–14/groep. (C) Rotarod-test. De latentie om te vallen of rond te draaien op de sporten werd gekwantificeerd. N = 7–9/groep. (D-G) Cognitieve functies op lange termijn werden geëvalueerd in het Morris-waterdoolhof. Paneel D toont representatieve beelden van de zwempaden van muizen in elke groep terwijl het platform aanwezig was (leerfase) of verwijderd (geheugenfase). Met IL-4 behandelde muizen vertoonden verbeterde cognitieve functies, zoals blijkt uit kortere ontsnappingstijden (E, leren) en verlenging van de tijd doorgebracht in het doelkwadrant (F, geheugen) zonder verandering in zwemsnelheid (G). N = 10–12/groep. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001, versus schijnvertoning of zoals aangegeven. #P < 0,05, ##P < 0,01, ###P < 0,001 MCAO+IL-4 versus MCAO+voertuig of zoals aangegeven. Tweerichtings-ANOVA herhaalde meting of eenrichtings-ANOVA en Bonferroni post hoc. (H-I) Spearman-correlatie tussen MBP-intensiteit op 35 d na MCAO en gemiddelde latentie om contact te maken met of plakband te verwijderen van de beschadigde voorpoot op 35 d na MCAO. Gegevens die bij dit cijfer horen, zijn te vinden in het aanvullende gegevensbestand (S1 Data). IL-4, interleukine-4 MBP, myeline basiseiwit MCAO, occlusie van de middelste cerebrale slagader.

Vervolgens hebben we de potentiële correlatie tussen de integriteit van de witte stof en de gedragsprestaties na een beroerte gemeten in met drager of met IL-4 behandelde muizen. De resultaten onthulden significante negatieve correlaties tussen de MBP-intensiteit en de latentie om het plakband aan te raken (Fig 6H) en te verwijderen (Fig 6I) op 35 d na een beroerte, wat een verband bevestigt tussen histologische waarnemingen van de integriteit van de witte stof en langdurig functioneel herstel van gedragsmatige eindpunten.

IL-4-behandeling bevordert oligodendrogenese, gedeeltelijk onafhankelijk van microglia/macrofagen

Succesvolle differentiatie van OPC's tot myeliniserende oligodendrocyten is belangrijk voor remyelinisatie [11]. Zo vergeleken we de regeneratie van myeline-producerende oligodendrocyten in MCAO-muizen met of zonder IL-4-behandeling. 5-broom-2′-deoxyuridine (BrdU) werd 3-6 d na MCAO geïnjecteerd om nieuw gegenereerde cellen te labelen. Volwassen oligodendrocyten werden herkend door immunokleuring met anti-adenomateuze polyposis coli (APC) (of CC1) antilichamen [27]. Vergeleken met met drager behandelde muizen werd 35 dagen na MCAO een significant hogere verhouding van BrdU + APC + nieuw gegenereerde oligodendrocyten waargenomen in met IL-4 behandelde muizen (Fig. 7A en 7B). Het totale aantal BrdU+-cellen en het totale aantal APC+-cellen was ook significant verhoogd in met IL-4 behandelde muizen vergeleken met met drager behandelde muizen (Fig. 7C en 7D). Er is gemeld dat hogere concentraties van het APC-antilichaam sommige populaties van astrocyten kunnen detecteren in bepaalde pathologische omstandigheden [27]. Er werd echter geen APC-signaal gedetecteerd in gliaal fibrillair zuur eiwit (GFAP) + astrocyten in de ischemische hersenen in ons preklinische model van beroerte (S3 Fig).

(A-D) Muizen ontvingen intranasale infusies van IL-4 nanodeeltjes (50 g/kg) of vehikel 6 uur na MCAO en met dagelijkse tussenpozen op dag 1-7 en vervolgens elke 7 dagen tot 28 dagen na een beroerte. (A) representatieve beelden van BrdU (groen) en APC (rood) immunokleuring 35 d na cerebrale ischemie. Schaalbalken: 100 m (links), 50 m (midden) en 25 m (rechts). De gestippelde blauwe lijnen geven de grens van de infarctlaesie aan. De gestippelde witte lijnen geven de grenzen van de EG aan. Gele vierkanten geven de beeldvormingsgebieden in het peri-infarctgebied aan. (B) Kwantificering van de verhouding van BrdU + APC + -cellen onder het totale aantal APC + -cellen in de ischemische gebieden, overeenkomend met afbeeldingen in paneel A. (C) Kwantificering van het aantal BrdU + -cellen in de peri-infarctgebieden. (D) Kwantificering van het aantal APC+-cellen in de peri-infarctgebieden. N = 6/groep. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001. Student's t toets. (E-H) Microglia/macrofagen waren uitgeput door inname via de voeding van PLX5622 7 d vóór 60 minuten MCAO. Muizen kregen intranasale infusies van IL-4 (50 g/kg) of vehiculum 6 uur na MCAO en met dagelijkse tussenpozen op dag 1-7 en vervolgens elke 7 dagen tot 14 dagen na een beroerte. (E) Experimenteel ontwerp. (F) representatieve beelden van BrdU (groen) en APC (rood) immunokleuring 21 d na cerebrale ischemie. De gestippelde witte lijnen geven de grenzen van de EG aan. Witte vierkanten geven de gebieden aan die zijn vergroot in de onderstaande afbeeldingen. Schaalbalken: 50 m (boven) en 10 m (onder). (G) Kwantificering van het aantal BrdU + APC + -cellen in de peri-infarctgebieden. (H) Kwantificering van het aantal BrdU+-cellen in de peri-infarctgebieden. N = 7–8/groep. *P < 0,05, ***P < 0,001. One-way ANOVA gevolgd door Bonferroni post hoc. Gegevens die bij dit cijfer horen, zijn te vinden in het aanvullende gegevensbestand (S1 Data). APC, adenomateuze polyposis coli BrdU, 5-broom-2′-deoxyuridine CTX, cortex EC, externe capsule IL-4, interleukine-4 MCAO, midden cerebrale slagader occlusie STR, striatum.

Van IL-4 is bekend dat het microglia M2-polarisatie bevordert, wat op zijn beurt OPC-differentiatie en remyelinisatie verbetert [28]. We hebben in ons model waargenomen dat IL-4-behandeling de polarisatie van microglia / macrofagen robuust bevorderde naar een ontstekingsremmend fenotype (CD206 + Iba1 + ) op 7 en 14 d na een beroerte (S4 Fig). Microglia-uitputting door genetische targeting of farmacologische behandeling is een veelgebruikte benadering om de bijdrage van deze populatie aan verschillende biologische processen te evalueren [29]. Daarom kozen we PLX5622, een remmer van koloniestimulerende factor 1-receptor, om microglia/macrofagen uit te putten en hun rol in IL-4-toegekende oligodendrogenese te identificeren (Fig 7E) [30]. In overeenstemming met eerdere rapporten [30] bereikte PLX5622 binnen een korte periode ongeveer 90% depletie-efficiëntie. De inname van PLX5622 via de voeding gedurende 7 dagen verminderde het aantal microglia in de normale hersenen drastisch (S5A Fig). Voortzetting van het PLX5622-dieet handhaafde lage aantallen microglia / macrofagen in de hersenen 21 d na schijn- of MCAO-chirurgie (28 d na start van PLX5622-dieet) (S5A-S5C en S5E Fig). Het aantal neuronen bleef statistisch gelijk in microglia/macrofaag-uitgeputte muizen en microglia/macrofaag-competente muizen (S5A, S5B, S5D en S5F Fig). Het PLX5622-dieet verminderde ook selectief het aantal CD3 − CD19 − Gr1 − CD11b + F4/80 + macrofagen in het bloed (S5G en S5H Fig). Aanzienlijke uitputting van microglia / macrofagen veranderde het aantal BrdU + APC + -cellen of totale BrdU + -cellen niet in vergelijking met microglia / macrofaag-competente muizen met een beroerte (Fig 7F-7H). Behandeling met IL-4 verhoogde het aantal BrdU+APC+-cellen of het totale aantal BrdU+-cellen na een beroerte bij muizen gevoed met het controledieet. IL-4-behandeling vertoonde een trend (P = 0,086) in de richting van lagere capaciteiten om het aantal BrdU + APC + nieuw gegenereerde oligodendrocyten in microglia-uitgeputte muizen te verhogen versus microglia-competente muizen, wat een potentiële rol van microglia in door IL-4 verschafte oligodendrogenese ondersteunt. Belangrijk is dat behandeling met IL-4 nog steeds resulteerde in een significante verbetering van BrdU + APC + oligodendrocytregeneratie bij muizen met een beroerte die uitgeput zijn door microglia/macrofaag (Fig. 7F en 7G). Gezien de expressie van IL-4R op oligodendrocyt-lijncellen, geven deze resultaten aan dat IL-4 microglia/macrofaag-onafhankelijke effecten kan uitoefenen op de regeneratie van oligodendrocyten na demyelinisatie.

Intranasale IL-4-behandeling oefent minimale effecten uit op adaptieve immuuncelpopulaties

In overeenstemming met een eerdere studie in een model van multiple sclerose [31], vonden we dat herhaalde intranasale toediening van IL-4 de subpopulaties van T-lymfocyten of B-lymfocyten in het bloed niet veranderde (S6A-S6C Fig), wat suggereert dat de nasale toediening van IL-4 heeft minimale systemische effecten op deze perifere immuuncellen. Bovendien had intranasaal IL-4 geen invloed op de samenstelling van geïnfiltreerde lymfocyten in de hersenen (S6D Fig). Deze gegevens ondersteunen de betrokkenheid van adaptieve immuunresponsen bij door IL-4 verschafte neuroprotectie niet.

IL-4 stimuleert direct OPC-differentiatie in primaire OPC-culturen

In overeenstemming met een direct effect van IL-4 op oligodendrocyten, toonden in vitro-onderzoeken aan dat IL-4 in een concentratiebereik van 5-100 ng/ml de differentiatie van neuron-glia-antigeen 2 (NG2) + OPC's tot MBP + rijpe oligodendrocyten zonder de hulp van microglia (Fig 8A en 8B). IL-4 in concentraties van 10 of 20 ng/ml induceerde OPC-differentiatie die vergelijkbaar was met de effecten van een T3-cocktail die doorgaans wordt gebruikt om OPC-differentiatie in vitro te induceren. Het effect van IL-4 op OPC-differentiatie was inderdaad IL-4R-afhankelijk, omdat specifieke IL-4Rα-neutraliserende antilichamen (IL-4RAbs) de door IL-4 geïnduceerde toename in mRNA-expressie van de rijpe oligodendrocytmarker blokkeerden mbp (Afb. 8C). IL-4 in een concentratiebereik van 5-100 ng/ml had geen effect op OPC-overleving (S7A en S7B Fig) of proliferatie (S7C Fig).

(A-C) OPC's werden gedurende 3 dagen behandeld met voertuig (PBS), verschillende concentraties van IL-4 of T3 (50 ng/mL) +CNTF (10 ng/mL). (A) dubbele kleuring van MBP (groen) en NG2 (rood). Nucleaire kleuring met DAPI wordt weergegeven in blauw. Schaalbalk: 50 m. (B) Kwantificering van MBP+-cellen en NG2+-cellen als percentages van het totale aantal cellen. Drie onafhankelijke experimenten in tweevoud. **P < 0,01, ***P < 0,001 versus controle. Tweerichtings-ANOVA en Bonferroni post hoc. (C) Uitdrukking van mbp werd beoordeeld met qRT-PCR 3 d na behandeling met vehikel of IL-4 (20 ng/ml). Voorbehandeling met IL-4RAbs (20 ng/ml) gedurende 30 min blokkeerde de IL-4-versterkte expressie van mbp vergeleken met isotype controle-antilichamen (20 ng/mL). Gegevens zijn vouwverandering ten opzichte van controle. N = 5–9/groep. *P < 0,05, ***P < 0,001. Student's t toets. (D-G) Microarray-analyses op OPC's behandeld met PBS of IL-4 (20 ng/mL) gedurende 3 d. N = 4/groep. (D) PCA van microarray-expressieprofielen. (E) Vulkaanplot. (F) Netwerkplot met verrijkte biologische GO-processen die werden opgereguleerd door IL-4-behandeling. (G) KEGG-routes die significant waren opgereguleerd in met IL-4 behandelde OPC's. (H) Kwantificering van PPAR-DNA-bindende activiteit. N = 4/groep. *P < 0,05, ***P < 0,001 versus controle. One-way ANOVA en Bonferroni post hoc. (I) Kwantificering van PPARγ-DNA-bindingsactiviteit in met drager of met IL-4 (20 ng/ml) behandelde OPC's, met of zonder IL-4Rα-neutraliserend Ab of isotype IgG (20 ng/ml). N = 4-6/groep. *P < 0,05, **P < 0,01. One-way ANOVA en Bonferroni post hoc. (JN) OPC's werden gedurende 30 minuten behandeld met de PPARγ-remmer GW9662 (0,5 M) of DMSO ("Veh"), gevolgd door IL-4, voertuigcontrole (PBS) of T3 + CNTF gedurende 5 dagen. (J) Immunokleuring van MBP (groen) en NG2 (rood). Schaalbalk: 50 m. (K) Kwantificering van MBP+-cellen en NG2+-cellen als percentages van het totale aantal cellen. Drie onafhankelijke experimenten in tweevoud. ***P < 0,001 versus controle. ###P < 0,001 versus IL-4+veh. Tweerichtings-ANOVA en Bonferroni post hoc. (L) representatieve western blots van MBP en MOG. (M-N) Kwantificering van MBP (M) en MOG (N) expressie in western blots. N = 3/groep. *P < 0,05. One-way ANOVA en Bonferroni post hoc. Gegevens die bij dit cijfer horen, zijn te vinden in het aanvullende gegevensbestand (S1 Data).CNTF, ciliaire neurotrofe factor FDR, false discovery rate GO, genontologie IgG, immunoglobuline G IL-4, interleukine-4 IL-4RAb, IL-4-receptor α neutraliserend antilichaam KEGG, Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes MBP, myeline basic protein MOG , myeline-oligodendrocyt-glycoproteïne NG2, neuron-glia-antigeen 2 OPC, oligodendrocyt-voorlopercel-PCA, hoofdcomponentanalyse PDGFα, van bloedplaatjes afgeleide groeifactor alfa PI3K, fosfoinositide 3-kinase PPAR, peroxisoom proliferator-geactiveerde receptor qRT-PCR, kwantitatieve reverse transcriptie PCR .

PPARγ is essentieel voor IL-4-geïnduceerde OPC-differentiatie en rijping

Microarray-analyses werden uitgevoerd om de mechanismen die ten grondslag liggen aan de bevordering van oligodendrogenese door IL-4 verder op te helderen. OPC's werden gedurende 3 dagen behandeld met PBS of IL-4 (20 ng/ml). Totale RNA-extractie uit celpellets werd gebruikt voor de Affymetrix Clariom S rattenarray. Principale componentanalyse (PCA) toonde clustering van monsters op een behandelingsafhankelijke manier (figuur 8D). In totaal werden 996 differentieel tot expressie gebrachte genen (DEG's) geïdentificeerd (false discovery rate [FDR] < 0,05 en fold change > 2), waarvan 495 werden opwaarts gereguleerd en 501 werden neerwaarts gereguleerd in met IL-4 behandelde OPC's relatief aan PBS-behandelde OPC's (Fig 8E, S1 en S2 tabellen). De genontologie (GO) verrijkingsanalyse werd vervolgens uitgevoerd met behulp van de Metascape-analyse [32] (//metascape.org). De top 20 verrijkte GO-termen in drie categorieën (biologische processen, cellulaire componenten en moleculaire functies) werden geïdentificeerd in de omhoog gereguleerde DEG's door IL-4-behandeling (S8A Fig). Een netwerkplot legde verder de relaties vast tussen de belangrijkste gereguleerde biologische processen, die gerelateerd waren aan celadhesie en -motiliteit, cytokineproductie, celreacties op externe stimuli, cellulaire componentorganisatie en celdood (Figuur 8F). De verrijkte GO-termen onder de neerwaarts gereguleerde DEG's in met IL-4 behandelde OPC's vertegenwoordigen biologische processen zoals ontwikkelingsgroei, biosynthetisch proces van kleine moleculen, ontwikkeling van bloedvaten en reacties op voedingsstoffen en peptiden (S8B Fig). Deze resultaten wezen op veranderingen in celmobilisatie, groei, differentiatie en verdediging in met IL-4 behandelde OPC's. Een Kyoto-encyclopedie van genen en genomen (KEGG) -routeanalyse identificeerde acht verrijkte routes voor opwaarts gereguleerde DEG's, waarvan de PPAR-signaleringsroute dramatisch opwaarts was gereguleerd in met IL-4 behandelde OPC's in vergelijking met met drager behandelde cellen (Fig 8G) . De PPAR-transcriptiefactorassay bevestigde dat PPARγ-activiteit, maar niet PPARα- of PPARδ-activiteiten, in OPC's opwaarts werd gereguleerd na behandeling met IL-4 (Fig 8H) deze effecten werden opgeheven wanneer IL-4Rα werd geblokkeerd met een neutraliserend antilichaam (Fig 8I) . Verder toonden immunokleuring (Fig 8J en 8K) en western blotting (Fig 8L-8N en S9 Fig) aan dat de PPARγ-remmer GW9662 door IL-4 geïnduceerde expressie van rijpe oligodendrocytmarkers (MBP of myeline-oligodendrocyt-glycoproteïne [MOG]) blokkeerde. wat suggereert dat PPARγ-activering essentieel is voor de OPC-differentiatie die wordt geïnduceerd door IL-4.

Ten slotte werden OPC-specifieke PPARγ KO (PPARγ-OPC KO) muizen gebruikt om het belang van PPARγ-signalering in IL-4-versterkte oligodendrogenese in een in vivo beroertemodel te bevestigen (Fig. 9A). Om de KO van PPARγ specifiek in OPC's te bevestigen, werden PDGFRα + CD45 − OPC's, GLAST + CD45 astrocyten, CD45 + immuuncellen en andere CD45 − GLAST − PDGFRα − CNS-cellen gesorteerd uit de hersenen verzameld van PPARγ-OPC KO-muizen op 9 dagen na 4-hydroxytamoxifen-injecties. De DNA-extracten werden onderworpen aan PCR met behulp van primers die de loxp-plaats flankeren en primers die het Cre-cDNA detecteren. De loxp-band werd afgeschaft in OPC's vanwege de gerichte deletie na Cre-geïnduceerde recombinatie, terwijl ze intact bleef in astrocyten, immuuncellen en andere CZS-cellen gesorteerd uit dezelfde hersenen (Fig. 9B). De expressie van Cre werd gedetecteerd in de OPC's van de PPARγ-OPC KO-muizen (Fig. 9B). Deletie van PPARγ specifiek in OPC's had geen invloed op de expressie van IL-4R op O4+-oligodendrocyten (S10 Fig). Behandeling met vehikel of IL-4 in PPARγ-OPC KO-muizen resulteerde in vergelijkbaar neuronaal weefselverlies (Fig 9C en 9D) en wittestoflaesie (Fig 9C, 9E en 9F) 35 dagen na een beroerte. Het ontbreken van PPARγ-expressie in OPC's verslechterde de vervanging van oligodendrocyten na een beroerte niet significant, zoals wordt aangetoond door vergelijkbare aantallen BrdU + APC + -cellen in de ischemische hersenen van PPARγ-OPC KO-muizen en controlemuizen op 35 dagen na MCAO (Fig 9G en 9H ). De afwezigheid van PPARγ in OPC's verminderde echter het vermogen van IL-4 om het aantal nieuw gegenereerde BrdU + APC + oligodendrocyten te verhogen (Fig. 9G en 9H). In overeenstemming met een verminderd vermogen om oligodendrogenese te bevorderen, kon IL-4 de sensomotorische (Fig 9I en 9J) of cognitieve (Fig 9K-9M) tekorten op lange termijn niet verbeteren na een beroerte in afwezigheid van PPARγ.

(A) Experimenteel ontwerp. (B) PDGFRα + CD45 − OPC, GLAST + CD45 − AS, CD45 + IM en CD45 − GLAST − PDGFRα andere CNS-cellen ("OT") werden gesorteerd uit de hersenen van PPARγ-OPC KO-muizen op 9 d na de laatste 4-OHT-injectie. De DNA-extracten werden onderworpen aan PCR met behulp van primers die de loxp-plaats flankeren en primers die het Cre-cDNA detecteren. (C) representatieve beelden van NeuN en MBP immunokleuring in hersensecties. Schaalbalk: 1 mm. (D) Neuronaal weefselverlies werd gekwantificeerd door NeuN-immunokleuring. N = 10/groep. (E) schade aan de witte stof werd gekwantificeerd door MBP-immunokleuring. De gegevens werden uitgedrukt als het % verlies van het MBP+-gebied vergeleken met het MBP+-gebied van de contralaterale hemisfeer. N = 10/groep. (F) Kwantificering van MBP-intensiteit. Gegevens worden berekend als vouwverandering in vergelijking met overeenkomstige contralaterale gebieden. N = 10/groep. (G) representatieve beelden van BrdU (groen) en APC (rood) immunokleuring. De gestippelde witte lijnen geven de grenzen van de EG aan. Witte vierkanten geven de gebieden aan die zijn vergroot in de onderstaande afbeeldingen. Schaalbalken: 50 m (boven) en 10 m (onder). (H) Kwantificering van het aantal BrdU + APC + -cellen in de ischemische gebieden. N = 6/groep. *P < 0,05, **P < 0,01. One-way ANOVA en Bonferroni post hoc. (I-J) Sensorimotorische functies werden beoordeeld door de lijmverwijderingstest (I) en Rotarod-test (J). N = 10-13/groep. Twee-weg ANOVA herhaalde meting en Bonferroni post hoc tests. (K-M) Cognitieve functies op lange termijn werden geëvalueerd in het Morris-waterdoolhof. N = 7–8/groep. *P < 0,05. Tweeweg herhaalde ANOVA (K) of eenrichtings ANOVA (L-M) en Bonferroni post hoc. Gegevens die bij dit cijfer horen, zijn te vinden in het aanvullende gegevensbestand (S1 Data). 4-OHT, 4-hydroxytamoxifen APC, adenomateuze polyposis coli AS, astrocyten BrdU, 5-broom-2′-deoxyuridine CNS, centraal zenuwstelsel CTX, cortex EC, externe capsule IL-4, interleukine-4 IM, immuuncellen KO, knock-out MBP, myeline basiseiwit MCAO, midden cerebrale slagader occlusie OPC, oligodendrocyt progenitorcel PPARγ, peroxisoom proliferator-geactiveerde receptor gamma STR, striatum WT, wildtype.


Wat is de buitenste grens van myelinisatie van oligodendrocyten? - Biologie

Volitronics-Instituut voor fundamenteel onderzoek, psychopathologie en hersenfilosofie, Gotthard Guenther Archives, Wals/Salzburg, Oostenrijk

Copyright & kopie 2014 Bernhard J. Mitterauer. Dit is een open access-artikel dat wordt gedistribueerd onder de Creative Commons Attribution-licentie, die onbeperkt gebruik, distributie en reproductie in elk medium toestaat, op voorwaarde dat het originele werk correct wordt geciteerd. In overeenstemming met de Creative Commons Attribution License zijn alle Copyrights © 2014 voorbehouden aan SCIRP en de eigenaar van het intellectuele eigendom Bernhard J. Mitterauer. Alle Copyright © 2014 worden beschermd door de wet en door SCIRP als voogd.

Ontvangen 5 november 2013 herzien 5 december 2013 geaccepteerd 15 december 2013

trefwoorden: Schizofrenie Glia-neuronale interacties Bijzondere waardeverminderingen

Het model van gestoorde glia-neuronale interacties bij schizofrenie is gebaseerd op de kernhypothese dat niet-functionele astrocytreceptoren een onbeperkte synaptische informatiestroom kunnen veroorzaken, zodat glia hun modulerende functie in tripartiete synapsen verliezen. Dit kan leiden tot een veralgemening van informatieverwerking in de neuronale netwerken die verantwoordelijk zijn voor wanen en hallucinaties op gedragsniveau. In dit acute paranoïde stadium van schizofrenie ontleden niet-functionele astrocytische receptoren of hun verlies de domeinorganisatie van de astrocyten met het effect dat er een kloof ontstaat tussen de neuronale en de gliale netwerken. Als de ziekte voortschrijdt, kan de permanente synaptische neurotransmitterflux bovendien de interacties tussen oligodendrocyten en axonen aantasten, vergezeld van een "sluipend" verval van oligodendroglia, axonen en gliale spleetovergangen die verantwoordelijk zijn voor ernstige cognitieve stoornissen. Hier kunnen we te maken hebben met nawerkingen die worden veroorzaakt door de fundamentele fout van informatieverwerking in tripartiete synapsen. De hiaten tussen de neuronale en gliale netwerken verbieden het testen van de neuronale realiteit van opzettelijke programma's die vermoedelijk in de gliale netwerken zijn gegenereerd, schizofrene dysintentionaliteit genoemd. Bij niet-schizofrene wanen mag glia niet worden verstoord, maar uitgeputte extrasynaptische informatieverwerking kan een ongecontroleerde synaptische stroom veroorzaken die verantwoordelijk is voor wanen.

De hersenen zijn in principe uitgerust met twee celsystemen, het neuronale en het gliale celsysteem. Ondertussen is de modificerende functie van glia in hun interactie met neuronen experimenteel geverifieerd. Dit betreft zowel fysiologie als pathofysiologie [1]. Daarom lijkt het noodzakelijk om te zoeken naar stoornissen in glia-neuronale interacties die verantwoordelijk kunnen zijn voor de pathofysiologie van schizofrenie. Meltzer [2] daagde psychiatrisch onderzoek uit door de vraag te stellen hoe lang schizofrenie als entiteit zal bestaan ​​en wat de toekomstige naam of namen zullen zijn, aangezien dit moeilijk te voorspellen is. Hier stel ik een pathofysiologisch model van schizofrenie voor dat probeert aan te tonen dat de term van Bleuler geschikt kan zijn. Disconnecties in de neuronale netwerken in en tussen hersengebieden met schizofrenie zijn experimenteel goed ingeburgerd [3]. De onderliggende ontkoppelingshypothese stelt dat schizofrenie zowel in cognitieve als in pathofysiologische termen kan worden begrepen als een falen van een goede functionele integratie in de hersenen [4]. Dienovereenkomstig kan schizofrenie het best worden begrepen in termen van abnormale interacties tussen verschillende hersengebieden [5, 6].

Structurele, moleculaire en functionele veranderingen in gliacellen (astrocyten, oligodendrocyten en microgliacellen) zijn echter een belangrijk aandachtspunt geworden bij het zoeken naar de pathofysiologische grondslagen van schizofrenie. Veel onderzoeken laten afwijkingen zien in de verbindingselementen tussen de zenuwcellichamen (synapsen, dendrieten en axonen) en in alle drie de typen gliacellen [7]. De bevindingen van afwijkingen in de witte stof [8,9] suggereren een focus op glia-neuronale interacties in schizofrenieonderzoek. Bovendien is een dieper inzicht in de etiopathiefysiologie van deze ernstige aandoening afhankelijk van het onderliggende hersenmodel waaruit de afwijkingen worden afgeleid. Schizofrenie is een complexe ziekte die een herwaardering van uitsluitend neuronale modellen vereist om een ​​astrocytische hypothese van disfunctie op te nemen die zou kunnen leiden tot een beter begrip van schizofrenie op gedragsniveau en zou zelfs nieuwe behandelingsstrategieën kunnen opleveren [10].

Mijn kernhypothese is deze: astrocyten zijn uitgerust met receptoren voor de verschillende neurotransmitterstoffen. De bezetting van deze receptoren door neurotransmitters activeert de afgifte van gliotransmitters van de astrocyt die neuronale synaptische transmissie moduleert. Dit kan in principe gebeuren door verwante receptoren voor gliotransmitters op de presynaps te bezetten, zodat de synaptische informatieverwerking tijdelijk wordt uitgeschakeld. Als de receptoren op astrocyten niet-functioneel zijn of zelfs niet tot expressie kunnen worden gebracht, ontstaat er een onbeperkte synaptische flux. Omdat elke astrocyt via zijn processen in contact komt met een duidelijk aantal synapsen die een gliaal-neuronaal domein genereren, ontleedt de domeinorganisatie in het geval van niet-functionele astrocytaire receptoren. Daarom kan de fundamentele pathofysiologische fout van schizofrenie worden veroorzaakt door synaptische openingen tussen de neuronale componenten en de astrocyt.

In het acute waanstadium van de ziekte kunnen geen significante netwerkstoornissen optreden, maar de functionele scheiding tussen de neuronale en gliale netwerken op synaptisch niveau kan leiden tot ongecontroleerde synaptische informatieverwerking. Omdat de organisatie van het domein van de astrocyten wordt onderbroken, veralgemeent de informatieverwerking zich in beide netwerken, wat verantwoordelijk kan zijn voor misleidende verkeerde interpretaties van een bepaalde realiteit in de omgeving. Tegelijkertijd kan de onbeperkte synaptische zenderstroom de oligodendrocyt-axonische interacties aantasten, wat leidt tot het verval van zowel oligodendroglia als axonen, wat de cognitieve en emotionele defecten van schizofrenen in het progressieve stadium van de ziekte kan verklaren. Stel dat in de glianetwerken intentionele programma's kunnen worden gegenereerd die in de neuronale netwerken worden getest op hun haalbaarheid in de omgeving, dan kunnen hersenen met schizofrenie dit niet doen vanwege de synaptische scheiding tussen de neuronale en gliale netwerken. Men kan spreken van schizofrene dysintentionaliteit.

Wat niet-schizofrene wanen betreft, deze kunnen gebaseerd zijn op een andere pathofysiologie. Astrocyten oefenen ook een modulerende functie uit bij extrasynaptische neurotransmissie via de activering van remmende interneuronen die negatief terugkoppelen naar de presynaps. Als om verschillende redenen (bijv. stress) een synaptische neurotransmitter-overstroming optreedt, hoewel de astrocytische receptoren normaal tot expressie worden gebracht, kan een onbeperkte informatiestroom optreden zoals bij schizofrene wanen, maar deze worden veroorzaakt door een verstoring van het extrasynaptische negatieve feedbackmechanisme. Alvorens deze hypothesen verder uit te werken, wordt eerst het onderliggende hersenmodel geschetst.

3. Hersenmodel van gliale-neuronale interacties

3.1. Beschrijving van de netwerken

Het voorgestelde biologische hersenmodel is gebaseerd op gliale neuronale interacties [11,12]. Het zenuwweefsel van de hersenen bestaat uit het neuronale systeem (neuronen, axonen, dendrieten) en het gliasysteem (astrocyten, oligodendrocyten met myeline-omhulsels die axonen omhullen, radiale glia en microglia). Experimentele resultaten inspireren een belangrijk heronderzoek van de rol van glia in de regulatie van neurale integratie in het centrale zenuwstelsel [13].

Figuur 1 toont een schematisch diagram van de gliale-neuronale interactie: twee astrocyten (Ac1,2) worden in dit zeer eenvoudige model getoond, waarbij telkens slechts één neuron (N1,2) behorende tot een astrocyt wordt in aanmerking genomen. [14] identificeerde hoe een enkele astrocyt via zijn processen in contact komt met slechts vier tot acht neuronen, maar met 300 tot 600 synapsen. Het gliale netwerk (syncytium) bestaat in dit schema uit twee astrocyten en twee oligodendrocyten (Oc1,2) onderling verbonden via gap junctions (g.j.). Het neuronale systeem toont twee neuronen (N1,2) met twee afferente axonen (Axik,j) en twee afferente axodendritische synapsen (Saik,j), twee efferente axonen (Ax1,2) met myeline-omhulsels (Ms) en een knoop van Ranvier (N.R.), evenals twee dendro-dendritische synapsen (Sd1,2,3,4) met de bijbehorende dendrieten (D1NS2NS3NS4). Bovendien activeert een afname van calcium (Ca2+ ) in de extrasynaptische ruimte (exsyspace) astrocyten die negatief terugkoppelen naar de synaps [15].

3.2. Overzicht van een astrocytisch syncytium

Verschillende connexines maken communicatie mogelijk tussen verschillende celpopulaties of segregatie van cellen in geïsoleerde compartimenten volgens hun patroon van connexine-expressie. Gap junctions zijn samengesteld uit hemikanalen (connexons) die via hun extracytoplasmatische extremiteiten aan elkaar koppelen. Elk hemikanaal is een oligomeer van zes connexine-eiwitten (Cx). In het centrale zenuwstelsel is celspecifieke en ontwikkelingsgereguleerde expressie van acht connexines aangetoond [16].

Mijn hypothese richt zich op gap junctions tussen astrocyten, het belangrijkste gliaceltype naast oligodendrocyten en microglia. Gap junctions worden beschouwd als een structurele link waarmee afzonderlijke cellen worden gekoppeld om een ​​functioneel syncytium te bouwen met een communicatiegedrag dat niet door individuele cellen kan worden uitgeoefend.

Figuur 1 . Schematisch diagram van de gliale-neuronale interactie. Twee astrocyten (Ac1,2) worden weergegeven in dit zeer eenvoudige model, waarbij telkens slechts één neuron behorende tot een astrocyt in aanmerking wordt genomen. Het gliale netwerk (syncytium) bestaat uit twee astrocyten en twee oligodendrocyten (Oc1,2) die aan hen toebehoren. Tussen de astrocyten en de oligodendrocyten bestaan ​​gap junctions (g.j.). Het neuronale systeem toont twee neuronen (N1,2) met twee afferente axonen (Axik, j) en twee afferente axo-dendritische synapsen (Saik,j), twee efferente axonen (Ax1,2) met myeline-omhulsels (Ms) en een knoop van Ranvier (N.R.), evenals twee dendro-dendritische synapsen (Sd1,2,3,4) met de bijbehorende dendrieten (D1, NS2, NS3, NS4). Een afname van calcium (Ca 2+ ) in de extrasynaptische ruimte (ex sy-ruimte) activeert astrocyten die negatief terugkoppelen naar de synaps [15].

Gap junctions van een astrocytisch syncytium bestaan ​​uit de vier geïdentificeerde connexins Cx43, Cx32, Cx26 en Cx45, die homotypische (d.w.z. gap junction-kanalen gevormd door hemikanalen van dezelfde soort) en heterotypische gap junction-kanalen (d.w.z. gevormd door hemikanalen van verschillende soorten) vormen. Terwijl astrocyten via gap junctions met hun buren zijn verbonden, vinden de interacties van astrocyten met neuronen voornamelijk plaats in synapsen die tripartiete synapsen worden genoemd [17].

Figuur 2 toont een schematisch schema van een astrocytisch syncytium. Zes astrocyten (Ac1...Ac6) zijn volledig met elkaar verbonden via vijftien gap junctions (g.j.) volgens de formule n:2(n𕒵). Elke astrocyt maakt contact met een neuronale synaps en bouwt een tripartiete synaps op in de zin van een glia-neuronale eenheid. Toegegeven, dit eenvoudige diagram verwijst alleen naar de elementaire componenten en hun verbindingen in een astrocytisch syncytium.

Aangezien in de hersenen elke macroscopische gap junction een aggregaat is van vele, vaak honderden dicht opeengepakte gap junction-kanalen worden waargenomen [18]. Het aantal en de samenstelling van spleetovergangen kan dynamisch worden gereguleerd op het niveau van het endoplasmatisch reticulum door ofwel de biosynthese van connexine te verhogen of de snelheid van de afbraak van connexine te verlagen, en aan het celoppervlak door de assemblage van de spleetovergangen te verbeteren of de afbraak van connexine te verminderen.

3.3. Model van een glutamaterge tripartiete synaps

De nauwe morfologische relaties tussen astrocyten en synapsen, evenals de functionele expressie van relevante receptoren in de astrogliale cellen, leidden tot het verschijnen van een nieuw concept dat bekend staat als de tripartiete synaps, en die ik gliale-neuronale synaptische eenheid (GNU) noem. Arak et al. [17] toonde aan dat glia reageren op neuronale activiteit met een verhoging van hun interne Ca2+-concentratie, wat de afgifte van chemische transmitters van glia zelf veroorzaakt, en op zijn beurt feedbackregulatie van neuronale activiteit en synaptische kracht veroorzaakt. Hoewel een echt begrip van hoe de astrocyt interageert met neuronen nog steeds ontbreekt, zijn er verschillende modellen gepubliceerd [14].Hier concentreer ik me op een aangepast model voorgesteld door Newman [19].

Figuur 3 vertegenwoordigt de interactie van de belangrijkste componenten van synaptische informatieverwerking als volgt: sensori-motorische netwerken berekenen omgevingsinformatie die de presynaps activeert (1). De geactiveerde presynaps maakt glutamaat (GL) vrij uit blaasjes (v) die zowel postsynaptische receptoren (poR) als receptoren op de astrocyt (acR) (2) bezetten (voor de duidelijkheid wordt slechts één receptor getoond). Bovendien kan glutamaat ook gap junctions (g.j.) in het astrocytische syncytium activeren, wat leidt tot een verhoogde verspreiding van Ca2+-golven (3). In

Figuur 2 . Overzicht van een astrocytisch syncytium. Zes astrocyten (Ac1. Ac6) zijn onderling verbonden via 16 gap junctions (g.j.) die een volledig syncytium vormen. Elke astrocyt maakt contact met een neuronale synaps die een tripartiete synaps vertegenwoordigt (voor de duidelijkheid wordt slechts één synaptisch contact [Sy] getoond).

Figuur 3 . Schematisch diagram van mogelijke gliale-neuronale interacties bij de glutamaterge tripartiete synaps (aangepast na Newman 2005). Sensori-motornetwerken berekenen omgevingsinformatie die de presynaps activeert (1). De geactiveerde presynaps maakt glutamaat (GLU) vrij uit blaasjes (v) die zowel postsynaptische receptoren (poR) als receptoren op de astrocyt (acR) (2) bezetten. GLU activeert ook gap junctions (g.j.) in het astrocytische syncytium, waardoor de verspreiding van Ca2+-golven wordt versterkt (3). Tegelijkertijd activeert de bezetting van acR door GLU ook Ca2+ in de astrocyt (4). Dit mechanisme zorgt voor de productie van GLU (5) en adenosinetrifosfaat (ATP) (6) in de astrocyt, die nu functioneert als gliotransmitters. Terwijl de bezetting van de extrasynaptische pre- en postsynaptische receptoren door GLU stimulerend is (7), is de bezetting van deze receptoren door ATP remmend (8). Bovendien wordt neurotransmissie ook geïnactiveerd door de heropname van GLU in het membraan van de presynaps gemedieerd door transportermoleculen (t) (9). ATP remt de presynaptische terminal via bezetting van verwante receptoren (prR) waardoor synaptische neurotransmissie tijdelijk wordt uitgeschakeld in de zin van een negatieve feedback (10). Synaptische informatieverwerking wordt verzonden naar neuronale netwerken die de synaps opnieuw activeren (11).

parallel activeert de bezetting van de astrocytische receptoren door glutamaat ook Ca2+ in de astrocyt (4). Dit mechanisme zorgt voor de productie van glutamaat (5) en adenosinetrifosfaat (ATP) (6) in de astrocyt, die nu functioneert als gliotransmitters. Terwijl de bezetting van extrasynaptische pre- en postsynaptische receptoren door glutamaat stimulerend is (7), is de bezetting van deze receptoren door ATP remmend (8). Bovendien wordt neurotransmissie ook geïnactiveerd door de heropname van glutamaat in het membraan van de presynaps, gemedieerd door transportermoleculen (t) (9). Het belangrijkste is dat ATP de presynaptische terminal remt via bezetting van verwante receptoren, waardoor synaptische neurotransmissie tijdelijk wordt uitgeschakeld in de zin van negatieve feedback (10). Ten slotte wordt synaptische informatieverwerking doorgegeven aan neuronale netwerken die de synaps weer kunnen activeren (11).

Ondanks bewijs dat astrocyten glutamaat afgeven door een Ca2+-afhankelijk blaasmechanisme dat lijkt op afgifte door neuronen, bestaan ​​er belangrijke verschillen tussen gliale en neuronale afgifte. De afgifte van glutamaat uit astrocyten vindt veel langzamer plaats dan de afgifte door neuronen, en wordt waarschijnlijk veroorzaakt door een kleinere toename van cytoplasmatisch Ca2+. Belangrijk is dat we blijkbaar te maken hebben met verschillende tijdschalen van presynaptische en astrocytische glutamaatafgifte. Hier kan de astrocytische modulerende functie van synaptische neurotransmissie binnen seconden of minuten optreden [20]. Ik veronderstel dat de duur van presynaptische activering tot remming van synaptische neurotransmissie ook afhankelijk kan zijn van de hoeveelheid astrocytische receptoren die door glutamaat moeten worden ingenomen. Dit mechanisme kan gebaseerd zijn op de bezettingswaarschijnlijkheid van astrocytische receptoren door glutamaatafgifte van de presynaptische terminal. Bovendien kan de afgifte van ATP uit astrocyten ook afhankelijk zijn van een vergelijkbaar mechanisme. Dienovereenkomstig kan in GNU's glia een tijdelijke grensinstellingsfunctie hebben bij het tijdelijk uitschakelen van synaptische transmissie [11,21].

3.4. Overzicht van een Astrocyte Domain Organization

Bij alle zoogdieren zijn protoplasmatische astrocyten georganiseerd in ruimtelijk niet-overlappende domeinen die zowel neuronen als bloedvaten omvatten. Een astrocytendomein definieert een aaneengesloten cohort van synapsen die uitsluitend interageert met een enkele astrocyt. Synapsen binnen een bepaald territorium zijn daarbij verbonden via een gedeelde astrocytenpartner, onafhankelijk van een neuronaal netwerk [22]. Enkele protoplasmatische astrocyten werken als een "lokale hub" [23]. Figuur 4 toont een overzicht van een astrocytendomeinorganisatie. Een astrocyt (Acx) maakt contact met de synapsen (Sy) van vier neuronen (N1…N4) via zijn processen (P1…P4). Elk proces is uitgerust met één tot vier receptorkwaliteiten (Rq). Bijvoorbeeld P1 maakt contact met de synapsen van N2 uitsluitend via zijn receptoren van kwaliteit a. P2 heeft al twee receptorkwaliteiten (a, b), P3 drie receptorkwaliteiten (a, b, c) en P4 kan contact maken met de synapsen van N1 via vier receptorkwaliteiten (a, b, c, d). Astrocyt (Acx) is verbonden met een andere astrocyt (Acja) via gap junctions (g.j.) die een astrocytisch netwerk vormen (syncytium). De neuronen op zich zijn ook onderling verbonden (neuronaal netwerk).

Het is experimenteel geverifieerd dat astrocyten bijna alle receptoren voor belangrijke zendersystemen tot expressie kunnen brengen. In bepaalde gevallen brengen individuele astrogliale cellen maar liefst vijf verschillende receptorsystemen tot expressie die zijn gekoppeld aan Ca2+-mobilisatie [24]. Elk territorium van een astrocyt vertegenwoordigt een eiland dat bestaat uit vele duizenden synapsen (ongeveer 140.000 in de hippocampus van de hersenen, bijvoorbeeld), waarvan de activiteit wordt gecontroleerd door die astrocyt [25]. Gemiddeld breiden menselijke astrocyten 40 grote uitsteeksels radiaal en symmetrisch in alle richtingen uit vanaf de soma, zodat elke astrocyt de functie van ongeveer twee miljoen synapsen in de hersenschors ondersteunt en moduleert [22]. Astrocytische receptoren bevinden zich voornamelijk op de eindvoeten van de uitsteeksels. Hier hebben we blijkbaar te maken met een hoge combinatorische complexiteit van astrocyten-synaptische interacties [26].

3.5. Oligodendrocyt-axonale interacties

Voor een normale hersenfunctie is het essentieel dat signalen snel tussen neuronen passeren. Oligodendrocyten spelen een belangrijke rol bij het verzekeren van snelle neuronale signalering in het centrale zenuwstelsel. Door neuronale axonen te bedekken met myeline, wat de effectieve axonale membraancapaciteit vermindert, verminderen ze de lading die nodig is om het axon te depolariseren, waardoor de actiepotentiaal veel sneller kan reizen door saltatorische geleiding van de ene knoop van Ranvier naar de volgende.

Tijdens de ontwikkeling worden oligodendrocyten gegenereerd uit voorlopercellen. Deze differentiëren aanvankelijk in onrijpe cellen die processen uitzetten die axonen zoeken om te myeliniseren, en uiteindelijk vormen ze volwassen cellen met parallelle processen die tot 30 verschillende axonen myeliniseren. De productie van gemyeliniseerde axonen vereist een nauwkeurige afstemming van het aantal gegenereerde oligodendrocyten op de lengte van de te myeliniseren axonen [27]. Dit kan gedeeltelijk worden gereguleerd door neurotransmitterreceptoren die worden geactiveerd door stoffen die worden afgegeven door actieve axonen. Dergelijke interacties kunnen ook belangrijk zijn voor het in stand houden van de myelinisatie van rijpe axonen. Zo spelen neurotransmitterreceptoren een belangrijke rol in het leven en de dood van oligodendrocyten [28,29].

Impulsactiviteit in axonen beïnvloedt de ontwikkeling van oligodendrocyten en daarmee myelinisatie. Sommige effecten van impulsactiviteit remmen myelinisatie en sommige stimuleren deze. Hier rijst de vraag hoe oligodendrocyten weten welke axonen elektrisch actief zijn. Er zijn drie mechanismen geïdentificeerd die reguleren:

Figuur 4 . Overzicht van een astrocytendomeinorganisatie. Een astrocyt (Acx) is met elkaar verbonden via vier processen (P1…P4) met de synapsen (Sy) van vier neuronen (N1…N4). Elk proces is op zijn kop voorzien van receptoren voor de bezetting met neurotransmitters volgens een combinatorische regel [26]. Als voorbeeld kan de receptor P1 contact opnemen met N2 belichaamt slechts één receptorkwaliteit (Rq a). P2 contacten N3 met twee verschillende receptorkwaliteiten (Rq ab). P3 contacten N4 met Rq abc en P4 contacten N1 met Rq abcd. Dit eenvoudige diagram stelt een astrocytendomein voor. Astrocyt (Acx) is verbonden met Acja via gap junctions (g.j.) zoals in meer detail getoond in figuur 2 [26].

myelinisatie of de ontwikkeling van myelinevormende glia als reactie op elektrische stimulatie van axonen in vitro [30]. Specifieke frequenties van elektrische impulsen regelen de hoeveelheid L1CAM die aanwezig is op niet-gemyeliniseerde axonen, een celadhesiemolecuul dat nodig is voor myelinisatie [31]. De neurotransmitter adenosine 5'-trifosfaat (ATP) komt vrij uit axonen en activeert receptoren op astrocyten, waardoor ze de leukemie-remmende factor vrijgeven die myelinisatie door rijpe oligodendrocyten stimuleert [32]. Adenosine afgeleid van hydrolyse van vrijgekomen ATP bevordert de ontwikkeling van de voorlopercellen van oligodendrocyten en verhoogt zo de myelinisatie [33]. Bovendien is ook een niet-synaptisch mechanisme voor ATP-afgifte door axonen geïdentificeerd [34].

3.6. Gliale modulerende functie bij extrasynaptische neurotransmissie

Snelle signaaluitwisseling tussen astroglia en neuronen in de interstitiële ruimte kwam naar voren als een essentieel element van het functioneren van het synaptische circuit in de hersenen [15,35]. Men denkt dat de excitatoire neurotransmitter glutamaat en de remmende neurotransmitter GABA de basiszenders zijn die regelmatig van de presynaps komen en verwante receptoren op het oppervlak van astrocyten bezetten [21]. Onlangs zijn extracellulaire calciumionen (Ca2+) geïdentificeerd die neuronale activiteit kunnen rapporteren aan astroglia [36]. Astrocyten in de hippocampus kunnen reageren op door activiteit geïnduceerde gedeeltelijke Ca2+-depletie in de extracellulaire ruimte door prominente intracellulaire golven te genereren. Het onderliggende Ca2+-detectiemechanisme kan de opening van het hemikanaal-connexine 43 in het astrocytische syncytium omvatten, wat op zijn beurt de afgifte van adenosinetrifosfaat (ATP) veroorzaakt, waardoor de activiteit van remmende interneuronen wordt versterkt, waardoor mogelijk negatieve feedback wordt uitgeoefend.

Dit mechanisme vermindert overmatige prikkelende activiteit van neuronale circuits aanzienlijk (Figuur 5).

Hier behandelen we een nieuw mechanisme van de gliale temporele grensinstellingsfunctie [11]. Terwijl astrocyten in staat zijn synaptische neurotransmissie uit te schakelen door receptoren te bezetten met gliotransmitters, is bij extra synaptische neurotransmissie een indirecte route aan het werk die remmende interneuronen activeert door astrocytische ATP-afgifte die een negatieve feedback op de presynaps uitoefent [37]. Dit mechanisme kan een belangrijke rol spelen bij aandoeningen met synaptische hyperexcitabiliteit als epilepsie of zelfs niet-schizofrene wanen (zie hieronder).

4. Pathofysiologisch model van schizofrenie

De kernsymptomen van schizofrenie kunnen worden onderverdeeld in positieve en negatieve symptomen, waarbij de eerste hallucinaties, wanen en desorganisatie omvat, en de laatste anergie, afvlakking van het affect en armoede van gedachteninhoud, vergezeld van significante stoornissen in de cognitieve functie [2] . Hypothesen met betrekking tot de etiologie van schizofrenie omvatten biologische, psychologische en sociologische benaderingen [38-41]. Over het algemeen kan men wanen en hallucinaties verklaren in termen van "verlies van ego of zelfgrenzen in de zin van een innerlijke/uiterlijke verwarring" [42-44].

4.1. Niet-functionele astrocytische receptoren veroorzaken ontleding van het astrocytische domein

Laat me proberen aan te tonen hoe het mogelijk is om de belangrijkste schizofrene symptomen af ​​te leiden uit een onevenwichtige tripartiete synaps. Als de gliale receptoren totaal niet functioneel zijn en daarom niet kunnen worden ingenomen door neurotransmitters, is het systeem uit balans.

Figuur 5 . Schematisch diagram van extra synaptische gliale-neuronale interactie (aangepast na Torres et al., 2012). De neurotransmissie van de presynaps naar de postsynaps is hyperexcited (dikke pijlen) wat leidt tot gedeeltelijke uitputting van calcium in de extrasynaptische ruimte (Ca2+ ). De astrocyt voelt de onbalans via connexine 43 (Cx43) hemikanalen, wat leidt tot een toename van intracellulaire calciumgolven (Ca 2+ ↑

). Tegelijkertijd produceert de astrocyt adenosinetrifosfaat (ATP) dat P2Y1-receptoren activeert op remmende interneuronen die negatief terugkoppelen naar de presynaps.

Zoals in figuur 6 is afgebeeld, zijn de gliale receptoren (glR) niet-functioneel (kruisjes) en kunnen ze niet worden bezet door neurotransmitters (NT), zodat de activering van de gliotransmitters (GT) onmogelijk is. Daarom kunnen ze geen negatieve feedback geven aan de receptoren op de presynaps (prR) en zijn ze niet in staat om het postsynaptische neuron te depolariseren. Als gevolg hiervan verliezen de glia hun remmende of grensverleggende functie en is de neurale zenderstroom onbeperkt, zoals de gedachtestroom op fenomenologisch niveau.

Zoals reeds beschreven, zijn synaptische glia-neuronale interacties georganiseerd in astrocytendomeinen. Niet-functionele astrocytische receptoren ontbinden het gliale netwerk van het neuronale en veroorzaken een opening tussen de twee. De term schizofrenie is dus correct in het licht van dit pathofysiologische model. Figuur 7 geeft een eenvoudig diagram weer van deze netwerkdecompositie.

Omdat de organisatie van het astrocytendomein van belang kan zijn voor kwalitatieve informatiestructurering in de hersenen [26], leidt de ontbinding ervan tot een veralgemening van informatieverwerking in de neuronale netwerken. Dus schizofrenen kunnen kwalitatief verschillende kenmerken van subjecten en objecten niet herkennen, maar moeten in plaats daarvan denken in algemene gevallen. Dit cognitieve onvermogen kan een verkeerde interpretatie van een bepaalde realiteit veroorzaken in de zin van wanen en hallucinaties. Men zou kunnen stellen dat een gliale bepaling van neuronale netwerken in functionele eenheden niet nodig is omdat het neuronale systeem op zich gecompartimenteerd is. Volgens mij is er echter een kwalitatief verschil tussen de puur neuronale compartimenten en de door glia bepaalde domeinen. Neuronale compartimenten kunnen louter functioneel zijn voor informatieverwerking, terwijl gliale-neuronale compartimenten bovendien een informatiestructurerend vermogen kunnen hebben dat we nodig hebben om de kwalitatieve verschillen tussen objecten en individuen in onze omgeving te herkennen. Die capaciteit kan verloren gaan bij schizofrene patiënten. Daarom kan men bij schizofrenie ook spreken van een verlies van conceptuele grenzen.

Laat me nu de belangrijkste symptomen van schizofrenie afleiden uit ongebalanceerde tripartiete synapsen veroorzaakt door niet-functionele gliale receptoren. Tabel 1 toont de fundamentele schizofrene symptomen [45] die kunnen worden veroorzaakt door een verlies van conceptuele grenzen. Deze stoornis kan cognitieve processen zoals denken beïnvloeden. Als een schizofrene patiënt niet in staat is om conceptuele grenzen af ​​te bakenen tussen woorden, gedachten of ideeën met verschillende betekenissen, dan zijn betekenisloze woordconstructies (neologismen) of ongeorganiseerde spraak de typische fenomenologische manifestaties, die 'gedachtestoornis' worden genoemd.

Vanuit een ontologisch oogpunt zijn wanen het gevolg van het verlies van grenzen tussen het zelf en de anderen (niet-zelfs). Hier wordt het zelf gedefinieerd als een levend systeem dat in staat is tot zelfobservatie [46]. Je zou ook kunnen zeggen dat ons brein een duidelijke ontologische locus van zelfobservatie belichaamt. Alles wat zich afspeelt in de hersenen van schizofrene patiënten is realiteit omdat ze geen onderscheid kunnen maken tussen hun innerlijke wereld en de

Figuur 6 . Ongecontroleerde neurotransmissie in tripartiete synapsen kan schizofrenie veroorzaken. Niet-functionele gliale receptoren (glR), afgebeeld door kruisjes, kunnen niet bezet worden door neurotransmitters (NT). Aangezien de activering en productie van gliotransmitters (GT) niet mogelijk is, glia is niet negatief teruggekoppeld naar de presynaptische receptoren (prR) en kan het postsynaptische neuron niet depolariseren. Deze ernstige synaptische stoornis leidt tot een ongedwongen neurotransmissie (dikke pijlen).

Figuur 7 . Hiaten tussen de gliale en de neuronale netwerken veroorzaakt door niet-functionele astrocytische receptoren (kruisen). Vier astrocyten (Ac1. Ac4) zijn met elkaar verbonden via gap junctions (g.j.) die een gliaal netwerk vormen. Vier neuronen (N1. N4) zijn onderling verbonden via axonen (Ax) die een neuronaal netwerk opbouwen (dendrieten niet getoond). De synaptische interacties tussen de gliale en neuronale netwerken worden onderbroken, omdat de astrocytische receptoren (AcR) niet-functioneel zijn (kruisen).

Tafel 1 . Interpretatie van basale schizofrene symptomen.

Als het verlies van grenzen concepten betreft, ontstaat er een denkstoornis. In het geval van verlies van ontologische grenzen tussen het zelf en de anderen (niet-zelven), treden wanen op. Dit verlies van ontologische grenzen kan ook het waarnemingssysteem beïnvloeden in de zin van hallucinaties. Het verlies van grenzen tussen motormodules komt tot uiting in catatonische verschijnselen. Als de grenzen tussen emotionele kwaliteiten verloren gaan, is affectieve afvlakking het typische symptoom [44].

buitenwereld. Daarom kunnen ze geen ontologische verschillen zien tussen de ikken en de niet-zelfs. Dit verlies van ontologische grenzen kan leiden tot een misleidende verkeerde interpretatie van de werkelijkheid.

Hallucinaties kunnen worden veroorzaakt door dezelfde aandoening. De perceptiesystemen worden echter fenomenologisch beïnvloed. Een schizofreen die de stem van een persoon in zijn hoofd hoort, is er absoluut van overtuigd dat deze persoon echt tot hem spreekt. Het verlies van ontologische grenzen of innerlijke/uiterlijke verwarring toont zijn fenomenologische manifestatie in het auditieve systeem. Een dergelijke stoornis kan ook in andere sensorische systemen voorkomen.

Als het verlies van grenzen het motorische systeem in de hersenen beïnvloedt, wordt de symptomatologie catatonie genoemd. Een toestand van katatonische agitatie waarin een ongeremde ontlading van bijna alle motorische systemen optreedt, is een uiting van motorische generalisatie met woeden en schreeuwen als gedragscomponenten. Je zou ook kunnen zeggen dat het onvermogen van de hersenen om de informatieverwerking tussen motormodules te beperken zich manifesteert in catatonische verschijnselen. Daarom vertegenwoordigt het katatone type schizofrenie een ernstige stoornis van motorisch gedrag. Typische symptomen zijn overmatige motorische activiteit en motorische immobiliteit (verdoving). Beide fenomenen lijken doelloos en niet beïnvloed door externe prikkels. In zo'n catatonische toestand kan een patiënt niet communiceren. Hij of zij kan de ander niet zien. Alles wat er gebeurt, speelt zich af in de hersenen van de patiënt.

Affectieve afvlakking wordt beschouwd als een negatief schizofreen symptoom [47]. Dit symptoom kan ook worden verklaard als een verlies van grensinstelling. De verschillende affectieve of emotionele kwaliteiten kunnen niet in de hersenen worden geproduceerd en de communicatie van gevoelens wordt daardoor verstoord [48].

4.2. Enkele genetische overwegingen

Er is groeiend bewijs van ziektegerelateerde veranderde genexpressie van astrocyten. Deze bevindingen suggereren een onbalans van de glutamaat-glutaminecyclus in de communicatie van neuronen en astrocyten [49]. Er is ook bewijs voor een brede betrokkenheid van astrocyten bij andere aspecten van de pathofysiologie bij schizofrenie [7].Als we ons echter concentreren op niet-functionele receptoreiwitten op astrocyten, kan een afwijkende splicing een genetisch kandidaat-mechanisme vertegenwoordigen. Afwijkende of niet-splitsing veroorzaakt afgeknotte of chimere eiwitten zodat receptorbezetting niet mogelijk is. Wat de mechanismen van afwijkende splicing betreft, zijn belangrijke bevindingen gerapporteerd [50]. Onzin, missense en zelfs synonieme mutaties kunnen afwijkend overslaan van het mutante exon induceren, waardoor niet-functionele eiwitten worden geproduceerd. Als de uitwisseling van nucleotiden een synoniem codon genereert dat hetzelfde aminozuur vertegenwoordigt als het oorspronkelijke triplet, spreekt men van een stille mutatie. Deze mutaties zijn ten onrechte geclassificeerd als niet-pathogeen, maar nu wordt erkend dat ze de splitsingsmachinerie beïnvloeden, wat resulteert in defecte eiwitten. Afwijkende splicing kan een beslissende rol spelen in de pathofysiologie van verschillende ziekten [51]. Waarom niet bij schizofrenie, zoals ik bijna tien jaar geleden veronderstelde?

Onlangs zijn genverliezen in het menselijk genoom geïdentificeerd [52]. Deze verlies-van-functie varianten bevinden zich in menselijke eiwitcoderende genen. Somatische mutatie en genomische variatie kunnen ook een rol spelen bij neurologische aandoeningen [53]. Aangezien de eerste uitgebreide, genoombrede catalogus van varianten die eiwitcoderende genen waarschijnlijk zullen verstoren nu beschikbaar is, zou deze genetische benadering ook veelbelovend kunnen zijn voor de identificatie van niet-functionele receptoren op astrocyten in hersenen met schizofrenie. Bovendien kunnen epigenetische factoren ook een belangrijke rol spelen. Epigenetica verwijst in het algemeen naar erfelijke veranderingen in fenotype of genexpressie veroorzaakt door andere mechanismen dan veranderingen in de onderliggende primaire DNA-sequentie. Verschillende belangrijke soorten epigenetische mechanismen zijn DNA-methylatie, genomische imprinting, histonmodificaties en expressiecontrole door niet-coderend RNA. Recente gegevens suggereren de invloed van deze epigenetische veranderingen bij schizofrenie [54].

4.3. Ongecontroleerde neurotransmissie kan demyelinisatie veroorzaken

Over het algemeen kunnen in pathologische omstandigheden neurotransmitters overmatig worden vrijgegeven, waardoor de cellen waarop ze normaal werken, worden beschadigd. Omdat oligodendrocyten receptoren hebben voor de verschillende zenders, kan een teveel aan neurotransmitter demyelinisatie veroorzaken [28]. Al in 1977 werd een studie gepubliceerd waarin een ernstige afbraak van myeline werd gedocumenteerd bij honden die met myeline werden geïnjecteerd [55]. In de grijze stof van de hersenen wordt de dood van neuronen in pathologische omstandigheden vaak veroorzaakt door een stijging van de extracellulaire glutamaatconcentratie die NMDA-receptoren activeert en een excessieve stijging van Ca2+ veroorzaakt. Glutamaat kan ook oligodendrocyten in de witte stof beschadigen. Concentraties van glutamaat die op zichzelf niet toxisch zijn, maken oligodendrocyten gevoelig voor daaropvolgende complementaire aanval die membraanaanvalcomplexen in de oligodendrocyt invoegt, waardoor een toxische Ca2+-influx kan plaatsvinden [56].

In overeenstemming met het gepresenteerde synaptische model van de pathofysiologie van schizofrenie, treedt een ongecontroleerde stroom van neurotransmitters op. Dit kan gelden voor alle verschillende soorten neurotransmitters. Deze ongecontroleerde stroom van neurotransmitters kan oligodendrocyten beïnvloeden, hetzij door hun verwante receptoren op oligodendrocyten te laten overstromen, een toxische Ca2+-instroom uit te oefenen, of door een hyperactivering van axonen met een overmaat aan axonische ATP-productie en een daaruit voortvloeiend toxisch effect op oligodendrocyten [29] ( Figuur 8 ). Bovendien kan ATP dat vrijkomt uit axonen de astrocytische receptoren niet activeren, omdat ze niet functioneren. Daarom is een stimulatie van myelinisatie door rijpe oligodendrocyten niet mogelijk. Deze pathologische mechanismen kunnen demyelinisatie veroorzaken, zoals waargenomen in hersenen met schizofrenie [57,58]. Merk op, hoewel verminderde expressie van oligodendrocyt-gerelateerde genen is geïdentificeerd [59], lijkt het onwaarschijnlijk dat genetica alleen verantwoordelijk zou kunnen zijn voor demyelinisatie bij schizofrenie [60].

Bovendien kan de permanente hyperactivering van axonen deze ook aantasten, zodat neuronale netwerken de verbinding verbreken. Dit kan een mogelijk mechanisme vertegenwoordigen dat op zijn minst gedeeltelijk verantwoordelijk zou kunnen zijn voor de ontkoppeling van neuronale netwerken die zijn geïdentificeerd in hersenen met schizofrenie

4.4. Verlies van oligodendrocyten kan leiden tot verval van gap-junctions in het pangliale syncytium dat verantwoordelijk is voor geheugenverlies

Aangezien gap junctions tussen astrocyten en oligodendrocyten heterotypisch zijn, samengesteld uit speciale astrocytische connexines en verschillende oligodendrocytische connexines, verstoort een verlies van oligodendrocyten astrocyt-oligodendrocytische gap junctions in het pangliale syncytium, wat leidt tot een "lek" syncytium (Figuur 9).

Gap junctions vormen plaques die geheugenstructuren kunnen belichamen [61]. Daarom kan een verlies van gap junctions het geheugen aantasten. Bovendien kunnen genetische of (en) exogene aandoeningen de vorming van spleetovergangen beïnvloeden, wat het geval kan zijn bij schizofrenie. In dit verband zou men kunnen spreken van een syncytiopathie bij schizofrenie [62]. Geheugenverlies kan echter ook worden veroorzaakt door een desorganisatie van neuronale netwerken [63].

4.5. Schizofrene dysintentionaliteit op basis van een ernstige stoornis van glia-neuronale interacties

Volgens Frith [64] kan schizofrenie worden verklaard

Figuur 8 . Schematisch diagram van de overmaat aan neurotransmitters die het verlies van oligodendrocyten kan veroorzaken en de ontbinding of ontkoppeling van zowel de oligodendrocyt-axonale interacties als de neuronale netwerken. Een overmaat aan synaptische neurotransmitter (NT) prikkelt het axon en overspoelt de verwante receptoren (R) op de oligodendrocyt (Oc). Tegelijkertijd treedt een niet-synaptische overmaat aan ATP op, die ook R overstroomt. Deze overstroming van NT en ATP oefent een toxisch effect uit op de Oc, wat leidt tot zijn verval. Deze mechanismen kunnen verantwoordelijk zijn voor de afbraak van oligodendrocyt-axonale interacties en de ontkoppeling van neuronale netwerken [29].

Figuur 9 . Verlies van oligodendrocyten ontkoppelt het pangliale syncytium dat verantwoordelijk is voor geheugenstoornissen bij schizofrenie. Aan de linkerkant, een pangliaal syncytium bestaande uit astrocyten (Ac) en oligodendrocyten (Oc) onderling verbonden via gap junctions (gj). Een verlies van Oc kan een verval van Oc-Ac gap junctions (kruisen) veroorzaken. Zo'n "lekkend" pangliaal syncytium kan verantwoordelijk zijn voor geheugenstoornissen.

door het niet integreren van de intentie om te handelen met de perceptuele registratie van de gevolgen van die actie. Op neurobiologisch niveau zou deze integratieve afwijking kunnen corresponderen met het niet integreren van signalen uit de (intentionele) prefrontale regio's en de (perceptuele) temporale cortex. Dit is echter een puur neuronale weergave met uitzondering van het gliacelsysteem. Bij het verder uitwerken van mijn theorie van gliale-neuronale interactie, heb ik de hypothese geopperd dat de opzettelijke of actieprogramma's van de hersenen kunnen worden gegenereerd in het pangliale syncytium [12]. Op basis van een formeel model kan worden aangetoond hoe gliale syncytia op een zeer combinatorische manier cycli van verschillende lengtes berekenen via gap junctions. Deze cycli worden in tripartiete synapsen overgebracht naar het neuronale systeem [65]. Het neuronale systeem toetst deze intentionele programma's op hun haalbaarheid in de omgeving. Door de haalbaarheid van opzettelijke programma's terug te koppelen naar het gliale syncytium, kunnen leerprocessen optreden.

Voor de klinisch ervaren psychiater is het duidelijk dat patiënten met schizofrenie niet in staat zijn om zowel hun waanprogramma's te testen als deze onrealistische bedoelingen in de omgeving te realiseren. Ik heb deze stoornis "schizofrene dysintentionaliteit" genoemd [66]. Maar laten we eens kijken naar de elementaire pathofysiologische mechanismen van schizofrenie zoals voorgesteld. Allereerst is er een onderbreking van de informatieverwerking tussen het gliale systeem en het neuronale systeem in tripartiete synapsen en ook in de "orthogonale" oligodendrocyt-axonale interactie. In deze visie is de term schizofrenie (bewustzijnssplitsing) op zijn plaats. Met andere woorden: een patiënt met schizofrenie wordt permanent gestrest door een wereld van intenties die niet via tripartiete synapsen naar het neuronale systeem kunnen worden gemedieerd voor het testen van de realiteit. Dergelijke overwegingen kunnen verklarend zijn voor recente bevindingen van afwijkingen in de witte stof van de hersenen [67]. Stel dat een patiënt onder permanente druk staat om zijn/haar opzettelijke programma's te realiseren die in het pangliale syncytium worden gegenereerd, dan zou de normale apoptose kunnen worden versneld of zouden mutaties in astrocyten en in het oligodendrocyt-myelinesysteem kunnen worden geactiveerd. Het effect is een afname van de witte stof. Gezien het verlies van oligodendrocyten die normaal via gap junctions met astrocyten zijn verbonden, moet het verval van oligodendrocyten ook het pangliale syncytium vernietigen in de zin van een toenemend verlies van gap junctions. Dit verlies van gap junctions kan opnieuw de capaciteit van het pangliale syncytium vernietigen om opzettelijke programma's te genereren.

Veel patiënten met schizofrenie raken in toenemende mate psychobiologisch uitgeput in het chronische verloop van hun ziekte, dat schizofrenie residu wordt genoemd. Natuurlijk kunnen de vaak waargenomen stoornissen in neuronale netwerken ook een rol spelen, maar de vernietiging van het pangliale syncytium die leidt tot een dysintentionaliteit op zich, kan in principe verantwoordelijk zijn voor de negatieve kijk op het leven, zoals typisch gezien in het schizofrene residu. Het meest indrukwekkend is dat als de prefrontale cortex ernstig is aangetast, deze patiënten niet in staat zijn om te plannen. Daarom willen ze alleen maar de bevrediging van eenvoudige biologische behoeften (eten, drinken, roken, geld krijgen om iets te kopen, enz.). Je zou ook kunnen zeggen dat met de vernietiging van het pangliale syncytium ook allerlei lotsbestemmingen worden afgebroken.

Ten slotte kan reactieve astrocytose worden gezien in het licht van de astrocentrische hypothese [61]. Volgens deze hypothese vertegenwoordigen astrocyten de kerncellen in de hersenen die niet alleen de gliale-neuronale interactie regelen, maar ook de functies binnen het pangliale syncytium bepalen. Daarom zijn astrocyten mogelijk in staat - op zijn minst - om disfuncties in het pangliale syncytium te herstellen, zoals het geval kan zijn bij schizofrenie. Toegegeven, de relevante bevindingen in hersenen met schizofrenie zijn tegenstrijdig. Het is echter mogelijk dat astrocytose (astrogliose) niet wijdverbreid in de hersenen voorkomt [7], maar het kan een lokaal fenomeen zijn.

4.6. Pathofysiologie van niet-schizofrene wanen

Het pathofysiologische mechanisme van niet-schizofrene wanen kan significant verschillen van die van schizofrene wanen. Laten we ons concentreren op de extrasynaptische vloeistof, in het bijzonder Ca2+-ionen, in informatieoverdracht. Astrocyten voelen een afname van Ca2+ in de extrasynaptische ruimte via Cx43 hemikanalen en produceren ATP dat remmende interneuronen activeert, die negatief terugkoppelen naar de presynaps. Ik veronderstel dat als Ca 2+ volledig is uitgeput (bijvoorbeeld door stress), het negatieve feedbackmechanisme niet kan worden gegenereerd. De uitputting van Ca2+ kan worden veroorzaakt door hyperexciteerbare neuronen die de synaptische neurotransmissie overspoelen. Belangrijk is dat de astrocytische receptoren normaal tot expressie worden gebracht, maar ze kunnen de overstroming van de synaptische neurotransmitter niet aan zonder een extrasynaptisch gegenereerde negatieve feedback. Bij niet-schizofrene wanen kan dus ook een onbeperkte informatiestroom optreden, maar astrocyten op zich worden mogelijk niet beïnvloed. Hier werken de hersenen op een holistische en niet schizofrene manier. Dit pathofysiologische mechanisme zou kunnen verklaren waarom patiënten met paranoïde psychosen meestal succesvol kunnen worden behandeld met antipsychotica. Hun blokkade van postsynaptische receptoren beperkt de neurotransmissie zodat astrocyten weer normaal kunnen werken. Hoewel de neuronen hyperexcited kunnen blijven, is de Ca2+-depletie voldoende om het beschreven negatieve feedbackmechanisme te activeren. Tegelijkertijd zijn de astrocytische receptoren weer in staat om synaptische informatieverwerking te moduleren, omdat ze de hoeveelheid neurotransmitters aankunnen en synaptische informatieverwerking tijdelijk uitschakelen op basis van een negatief feedbackmechanisme.

Mijn model van gestoorde glia-neuronale interacties bij schizofrenie is gebaseerd op de kernhypothese dat niet-functionele astrocytische receptoren een onbeperkte synaptische informatiestroom kunnen veroorzaken, zodat glia hun modulerende functie in tripartiete synapsen verliezen (Figuur 10).

Dit kan leiden tot een veralgemening van informatieverwerking in de neuronale netwerken die verantwoordelijk zijn voor wanen en hallucinaties op gedragsniveau. In dit acute paranoïde stadium van schizofrenie ontleden niet-functionele astrocytische receptoren of hun verlies de domeinorganisatie van de astrocyten met het effect dat er een kloof ontstaat tussen het neuronale en het gliale netwerk. Als de ziekte verslechtert, kan de permanente synaptische neurotransmitterflux bovendien de oligodendrocyt-axonale interacties aantasten, gevolgd door een "sluipend" verval van oligodendroglia, axonen en gliale gap junctions die verantwoordelijk zijn voor ernstige cognitieve stoornissen. Hier kunnen we te maken hebben met nawerkingen die worden veroorzaakt door de fundamentele fout van informatieverwerking in tripartiete synapsen. Belangrijk is dat hetzelfde kan gelden voor wat de neuro-inflammatoire hypothese [69] betreft. De activering van microglia waargenomen in hersenen met schizofrenie zou een reactie kunnen zijn op het beschreven verval van zenuwweefsel en niet een primair pathofysiologisch mechanisme van schizofrenie.

Momenteel worden postmortale hersenen met schizofrenie onderzocht met Stormmicroscopie, een methode die resolutie onder de optische diffractielimiet bereikt (Universiteit van Toegepaste Wetenschappen, Linz, Oostenrijk). Terwijl in de prefrontale cortex van normale hersenen grote hoeveelheden receptoren op de processen van astrocyten worden gevonden, kunnen in hersenen met schizofrenie astrocytische receptoren in deze regio niet worden geïdentificeerd. Aangezien deze voorlopige resultaten alleen betrekking hebben op serotonerge receptoren in de prefrontale cortex, is verder onderzoek naar andere receptortypes op astrocyten in relevante hersengebieden noodzakelijk. Mocht het mogelijk zijn om de centrale rol van astrocytische receptoren in de pathofysiologie van schizofrenie te verifiëren, dan zou een diagnostische marker beschikbaar zijn, als een in vivo identificatie

Figuur 1 0 . Overzicht van basale gliale stoornissen in hun interacties met het neuronale systeem, verantwoordelijk voor de pathofysiologie van schizofrenie.

tificatie is ook mogelijk.

Dit artikel is opgedragen aan mijn vriend en geweldige neurowetenschapper Gerhard Werner (†), Universiteit van Austin, Texas. Ik ben ook Birgitta Kofler-Westergren dankbaar voor het voorbereiden van de definitieve versie van dit artikel.


Epitheelachtige polarisatie en geometrie van de myelineschede

Epitheelachtige celpolarisatie is essentieel tijdens Schwann-celmyelinisatie en in het bijzonder bij de controle van de geometrische parameters die duidelijk zijn in de volwassen myeline-omhulsel (Masaki, 2012). Het eerste bewijs van de rol van polariteitseiwitten tijdens SC-myelinisatie werd vastgesteld in pre/vroege myeliniserende cellen waarbij Pals1, Par3 en LKB1 de polarisatie van E-cadherine en p75-receptor in het gliale membraan, direct grenzend aan het axon, vergemakkelijken (Chan et al. al., 2006 Shen et al., 2014 Zollinger et al., 2015). Deze eerste polarisatiestap is van cruciaal belang om de myeline-omhulling van het axon te initiëren. Epitheliale polariteitsmarkers, polariteitseiwitten, fosfolipiden en mensensmokkeleiwitten zijn ook in kaart gebracht in volwassen myeliniserende SC (Oz๾lik et al., 2010). Basolaterale polariteitsmarkers zijn gelokaliseerd in het abaxonale domein van de mSC (het cytoplasmatische domein het verst van het axon en grenzend aan de basale lamina, figuur 1), terwijl apicale polariteitsmarkers worden gevonden in Schmidt-Lanterman (SL) incisuren paranodale lussen en adaxonaal domein ( het cytoplasmatische domein naast het axon, figuur 1). Bovendien wordt Crb3 tot expressie gebracht in de microvilli die zich uitstrekken van het abaxonale domein van de myelineschede naar de knopen van Ranvier (Figuur 1). Alles bij elkaar genomen geven deze gegevens aan dat de mSC is gepolariseerd op een manier die vergelijkbaar is met die in epitheelcellen. Bovendien zijn aanhangende verbindingen, waarvan bekend is dat ze de apicale en basolaterale domeinen in epitheelcellen afbakenen, gelokaliseerd in de abaxonale rand van incisuren in mSC. Omdat deze incisuren ook apicale polariteitsmarkers bevatten, suggereert dit dat incisuren en het compacte myeline deel uitmaken van het apicaalachtige domein in mSC. Wat betreft de rol van celpolariteitsfactoren in de celgeometrie, geeft de epitheelachtige polarisatie van mSC aan dat deze factoren belangrijk kunnen zijn voor de geometrie van de myelineschede.

FIGUUR 1. Epitheelachtige polarisatie van de myeliniserende Schwann-cel (Oz๾lik et al., 2010).

Hoewel deze mechanismen niet uitgebreid zijn bestudeerd in mSC, ondersteunen verschillende publicaties een centrale rol voor celpolariteitseiwitten in Schwann-celmyelinisatie. Ten eerste verstoorde de silencing van p120ctn, een catenine die nodig is om klassieke cadherines met cytoplasmatische eiwitten te stabiliseren, de lokalisatie van de E-cadherine-cluster in SC's en veroorzaakte het een afname van de dikte van de myeline-omhulling, maar niet van de lengte, in vivo (Perrin-Tricaud et al., 2007). Aangezien dit fenotype verschilt van het fenotype dat het gevolg is van disfunctie van de adherente junctie (Tricaud et al., 2005), suggereerde dit de mislokalisatie van de knooppunten van de aanhangers als oorzaak. Om verder te gaan, werd Pals1 het zwijgen opgelegd in mSC in vivo. Dit leidde tot een vermindering van de intermodale lengte van de myelineschede, een dunnere myelineschede, een verkeerde lokalisatie van basolaterale vesiculaire markers Sec8 en Syntaxin4 en een disfunctie in de targeting van myeline-eiwit PMP22 in de compacte myeline (Oz'x00E7elik et al., 2010) . Dit bevestigde dat apicale polariteitsmarkers nodig waren voor correcte myelinisatie en in het bijzonder voor de correcte geometrie van de myelineschede. Acute silencing van Dlg1 in muis-mSC induceert een radiale hypermyelinisatie zonder enige verandering in de internodale lengte (Cotter et al., 2010). Dlg1 functioneert als een negatieve regulator van de verdikking van de myelineschede door PTEN in mSC te stabiliseren en PTEN remt AKT-activering die myelinisatie activeert. Zowel AKT1- als AKT2-isovormen zijn vereist voor zowel de longitudinale als de radiale myelineschede-extensie (Cotter et al., 2010). Complementaire studies hebben aangetoond dat Dlg1 fungeert als een scaffold dat zich richt op Sec8-vesikels via een interactie met Kif13B op abaxonale domeinen, waar myeline wordt hermodelleerd (Bolis et al., 2009). Dlg1 interageert ook met MTMR2, dat zou werken als een remmer van myeline-afzetting (Bolino et al., 2004). Inderdaad vertonen menselijke CMT4B- en muismutanten voor MTMR2 een abnormale myeline-afzetting (Bolino et al., 2004). Bij mutante muizen die defect zijn voor MTMR2, is de negatieve regulatie van de dikte van de myelineschede via Dlg1 en PTEN niet functioneel, wat resulteert in hypermyelinisatie (Cotter et al., 2010). Crb3-uitschakeling in muis-mSC leidt tot een longitudinale hypermyelinisatie met internodiën van de myelineschede van wel 1, 5 mm, in vergelijking met de gemiddelde maximale internode van ongeveer 1 mm bij wildtype muizen (Fernando et al., 2016). Interessant is dat er geen verandering wordt gezien in de dikte van de myelineschede tussen Crb3-deficiënte en wildtype internodiën.


Discussie

Onze bevindingen tonen aan dat de grote oSVZ van het dorsale pariëtale cerebrum van makaak voornamelijk gliogeen wordt na E92 - vóór het begin van gyrificatie - en een belangrijke bron is van de astrocyten en oligodendrocyten die de cerebrale neuronen ongeveer driemaal in aantal zullen overtreffen bij makaken en mensen ( 32, 33).Hoewel oRGC's eerder zijn gekarakteriseerd als bijna uitsluitend neurogeen (7), tonen onze gegevens bij makaak een geleidelijke overgang van deze zone van neurogenese naar oligodendrogenese tussen E70 en E92, een periode waarin bovenste laag II en III neuronen worden gegenereerd (25, 26). ). Deze periode van overlappende neurogenese en gliogenese onderstreept het aanvankelijke naast elkaar bestaan ​​van heterogene groepen neurale voorlopercellen - met sommige RGC's neurogene en andere gliogene (21). Dienovereenkomstig vonden we dat de timing van het begin van EGFR-expressie in RGC's correleert met initiële gliogenese, wat de opvatting ondersteunt dat MAPK-gerelateerde groeifactorsignalering, aanvankelijk geleverd door andere routes zoals fibroblastgroeifactor (FGF) -signalering (34), doorgaat in corticale RGC's via EGF-signalering om hun proliferatie tijdens de gliogene fase te bevorderen (27).

De opkomst van EGFR+/Olig2+-cellen door E70 geeft aan dat toenemende aantallen RGC's en oSVZ-precursoren, voornamelijk oRGC's, evolueren om alleen gliale lotsbestemmingen te produceren na E92. In overeenstemming met onze bevindingen is gemeld dat hoge EGFR-expressie een vroege bepalende factor is voor het lot van oligodendrocyten in corticale RGC's van de muis (27), en er is gevonden dat toenemende aantallen van zowel VZ RGC's als oRG Olig2+ zijn in het terminale stadium van neurogenese bij apen en mensen (27, 35).

Het is waarschijnlijk dat het antilichaam tegen EGFR zowel neuronale als gliale voorlopers in de kiemzones kan labelen. We kunnen inderdaad de mogelijkheid niet uitsluiten dat tussen E70 en E90 sommige van de EGFR + RGC's aanleiding kunnen geven tot EGFR − oppervlakkige neuronen evenals tot EGFR + glia. Omdat onze [3H]dT-gegevens echter aantonen dat er na ongeveer E92 geen toevoeging van neuronen (25) is, geven onze huidige gegevens aan dat EGFR+-voorlopers in de dorsale pariëtale VZ, iSVZ en oSVZ op die foetale leeftijd uitsluitend gliacellen produceren. cellen. De bevinding dat oRG gliacellen kan genereren is niet onverwacht, aangezien eerder is aangetoond dat RGC's in astrocyten transformeren, en oRG vrij gelijkaardig is aan RGC's van de VZ (11, 21). We ontdekten dat de differentiatie van GFAP + astrocyten begon in de dorsale pariëtale cortex van de aap tussen E92 en E125, hoewel we op dit moment niet in staat zijn om te bepalen of corticale astrocyten voornamelijk afkomstig zijn van VZ- of oSVZ-voorlopers, omdat dit toekomstige studies over het in kaart brengen van het lot vereist. De ondergang van de oSVZ als een waarneembare laag door E145, voornamelijk als gevolg van zware overstroming door overtredende axonen, is een logische conclusie van het late cellot dat door oRG is geproduceerd. Namelijk, het uiteindelijke gliale lot laat oRG-nageslacht achter dat zich in hun migrerende doelweefsel (witte stof) bevindt. Onze gegevens vullen dus een leemte in ons begrip van de ontwikkeling van VZ- en oSVZ-voorlopers en tonen nauwkeuriger het tijdsverloop en de ontwikkelingsrol van de neuron-oligodendrocyt-astrocyten-lotprogressie in de dynamiek van de corticale voorlopercellen aan.

We ontdekten dat sommige van deze vermeende OPC's proliferatief zijn, zelfs nadat ze de kiemzones hebben verlaten, en waarschijnlijk extra glia blijven genereren. Gebiedsverschillen in de productie van oligodendrocyten, gecombineerd met hun gerichte migratie naar specifieke corticale witte-stofgebieden met hoge dichtheden van projectie-axonen die de corticale plaat binnenkomen of verlaten (36), zouden inderdaad een prominente rol kunnen spelen in de mechanische mechanismen die bepaalde gyrale en sulcale formaties in primaten, en rechtvaardigt verder onderzoek (37). De ontwikkeling van de longitudinale axonale bundel van het cingulum is bijvoorbeeld geassocieerd met specifieke vorming van de cingulate gyrus. Evenzo contrasteert massale thalamische input naar de somatosensorische cortex met nabijgelegen motorische cortex-axonen die in de tegenovergestelde richting reizen naar subcorticale doelen, en associatiegebieden sturen of ontvangen geen axonen van/naar subcorticale gebieden. Het resultaat is een spatio-temporeel patroongroei van individuele, gebiedsspecifieke axonkanalen, die geassocieerd zijn met accumulatie van oligodendrocyten. Chirurgische manipulaties, waaronder enucleatie van de ogen, veroorzaken veranderingen in de ingroei van witte stof in de visuele cortex, wat leidt tot enorme veranderingen in de omvang en het patroon van gyrificatie (2).

Hoewel een bepaalde hoeveelheid neuronale productie en oppervlakte ongetwijfeld moet worden bereikt als een voorwaarde voor gyrificatie, geeft de ontoereikendheid van oRG-neurogenese in de oSVZ om corticale windingen te produceren bij de gewone zijdeaapje aan dat andere factoren aan het werk zijn (18, 38). Evenzo correleert het verschijnen van een oSVZ in een knaagdier met grote hersenen, de agouti, over het algemeen niet met de gyrale ontwikkeling bij die soort, aangezien een robuuste oSVZ aanwezig is over de tangentiële corticale dimensie, maar slechts één sulcus zichtbaar is aan de dorsale extremiteit van de cortex (38) en daarom is elke mogelijke rol van oSVZ-neurogenese bij corticale vouwing bij meerdere soorten discutabel.

Zijn de productie van glia door de oSVZ en de bijbehorende verschillen in de ontwikkeling van witte stof belangrijk voor gyrificatie? Het lijkt erop dat voor gyrificatie een bepaald aantal axonen de zich ontwikkelende witte stof moet vullen, waardoor grote aantallen gliacellen worden aangetrokken die door de oSVZ worden geproduceerd. Dus, hoewel de eenvoudige aanwezigheid van een grote oSVZ niet voldoende is om gyrificatie te induceren, kan de bijdrage van oSVZ-gliogenese aan gyrale ontwikkeling evenredig zijn met het niveau van axonale productie van witte stof, waardoor het volume ervan wordt versterkt.

Concluderend is bekend dat de uitbreiding van de hersenschors en het nauw met elkaar verbonden proces van gyrificatie vele mechanische factoren omvatten, waaronder neuronale groei, ontwikkeling van dendrieten en algemene amplificatie van corticale neuropil (4, 39), en onze gegevens ondersteunen dit niet. een beslissende rol voor neuronale productie in de oSVZ bij het vouwen van de makaak cerebrum. In plaats daarvan geven onze gegevens aan dat, gezien de bijna volledig lissencefalische vorm van het menselijk cerebrum na 25 zwangerschapsweken, evenals die van de makaak op het moment van stopzetting van neurogenese in de pariëtale cortex met ongeveer E92, robuuste oSVZ-gliogenese nodig is om de de snelle en patroonmatige groei van corticale verbindingen in de cerebrale witte stof, die bij makaak een prominente factor vertegenwoordigt bij het bepalen van de omvang en rangschikking van corticale windingen.


Myeline-omhulsels worden gevormd met eiwitten die hun oorsprong vinden in gewervelde geslachten

Alle zenuwstelsels van gewervelde dieren, behalve die van agnathanen, maken uitgebreid gebruik van de gemyeliniseerde vezel, een structuur die wordt gevormd door een gecoördineerd samenspel tussen neuronale axonen en gliacellen. Gemyeliniseerde vezels, door de snelheid en efficiëntie van zenuwcelcommunicatie te verbeteren, zorgden ervoor dat gnathostomen uitgebreid konden evolueren en een breed scala aan verschillende levensstijlen vormden in de meeste bewoonbare omgevingen. De axon-bedekkende myeline-omhulsels zijn structureel en biochemisch nieuw omdat ze grote hoeveelheden lipiden bevatten en een paar prominente eiwitten met een laag molecuulgewicht die vaak als uniek voor myeline worden beschouwd. Hier hebben we genoom- en EST-databases doorzocht om orthologen en paralogen van de volgende myeline-gerelateerde eiwitten te identificeren: (1) myeline-basiseiwit (MBP), (2) myeline-eiwit nul (MPZ, voorheen P0), (3) proteolipide-eiwit (PLP1 , voorheen PLP), (4) perifeer myeline-eiwit-2 (PMP2, voorheen P2), (5) perifeer myeline-eiwit-22 (PMP22) en (6) stathmin-1 (STMN1). Hoewel wijdverspreid in gnathostome/gewervelde genomen, zijn noch MBP noch MPZ aanwezig in een van de negen onderzochte genomen van ongewervelde dieren. PLP1, dat MPZ in myeline-omhulsels van tetrapoden verving, bevat een nieuw 'tetrapod-specifiek' exon (zie ook Möbius et al., 2009). Net als PLP1 verschijnt PMP2 voor het eerst in tetrapoden en net als PLP1 kan de oorsprong worden herleid tot paralogen van ongewervelde dieren. PMP22, met oorsprong in agnathans, en STMN1 met oorsprong in protostomen, bestonden ruim vóór de evolutie van gnathostomes. Het gecoördineerde uiterlijk van MBP en MPZ met myeline-omhulsels en van PLP1 met tetrapod CNS-myeline suggereert onderlinge afhankelijkheid - nieuwe eiwitten die aanleiding geven tot nieuwe structuren van gewervelde dieren.


Conclusies

Werk in de afgelopen tien jaar heeft stevig vastgesteld dat miRNA-afhankelijke controle van eiwitsynthese dient als een belangrijke post-transcriptionele regulerende laag in vrijwel elk aspect van de ontwikkeling van het zenuwstelsel. Afhankelijk van het doelspectrum kan een miRNA ontwikkelingsprocessen bevorderen of remmen. Omdat het doelspectrum voor een bepaald miRNA kan veranderen als een functie van tijd en ruimte, is miRNA-activiteit vaak contextspecifiek, wat mooi wordt geïllustreerd door bevindingen dat dezelfde miRNA's betrokken kunnen zijn bij verschillende beslissingen over het lot van cellen (bijv. neuron versus glia) of ontwikkelingsstoornissen. stadia (bijv. axon pathfinding versus synapsvorming). In de toekomst zal gedetailleerde mapping van de spatiotemporele expressie van miRNA's en hun doelen door single-cell sequencing nodig zijn om de miRNA-functie binnen specifieke neurale circuits verder te ondervragen.

Mechanistisch gezien is de miRNA-functie verweven met andere genregulerende processen, met name mRNA-transcriptie, splicing en stabiliteit, waardoor het systeem robuust is. Een al lang bestaande vraag in het veld, en een die niet beperkt is tot neurale ontwikkeling, is in hoeverre miRNA's fungeren als 'master regulators' of 'switches' in tegenstelling tot 'fine-tuners' van genexpressie. Wat het zenuwstelsel betreft, wordt het duidelijk dat er niet slechts één antwoord op deze vraag is, maar dat de modus operandi van miRNA's wordt bepaald door de tijdruimtelijke context. Daarom, terwijl sommige miRNA's die sterk tot expressie worden gebracht in vroege neurogenese (bijv. miR-124, miR-9) kunnen worden geclassificeerd als schakelaargenen die het lot van de cel regelen, lijken meer bescheiden tot expressie gebrachte miRNA's die betrokken zijn bij latere stadia van neurale ontwikkeling, in plaats daarvan te finetunen genexpressie als reactie op de activiteitsstatus van het netwerk. Vergelijkbare verschillen kunnen worden waargenomen op het niveau van doelgenregulatie. Terwijl sommige miRNA's een paar cruciale doelwitten hebben, waarvan de regulatie voldoende is om een ​​specifiek fenotype uit te lokken, dragen andere miRNA's bij aan de regulatie van wel een paar honderd verschillende doelwitten, vaak in combinatie met andere mede tot expressie gebrachte miRNA's (bijv. een gemeenschappelijk genomisch miRNA-cluster). De complexiteit van dergelijke combinatorische regulatie door verschillende miRNA's begint net te worden ontward, en vanwege de hoge mate van redundantie zijn bepaalde biologische rollen moeilijk toe te wijzen.

Hoewel bekend is dat miRNA's intrinsieke genexpressieprogramma's reguleren tijdens cellulaire differentiatie, wordt het ook duidelijk dat ze kunnen deelnemen aan ervaringsafhankelijke processen die neuronale circuits vormen tijdens cruciale ontwikkelingsperioden. In feite begint de complexiteit van de onderliggende mechanismen die de verwerking, stabiliteit en activiteit van miRNA's zelf op een activiteitsafhankelijke manier reguleren, nog maar net naar voren te komen (zie Kader 2). Recent ontwikkelde technieken om RNA-modificaties (editing, methylatie, 3′UTR-remodellering) op transcriptoombreed niveau vast te leggen, zullen meer licht werpen op de complexiteit van deze activiteitsafhankelijke post-transcriptionele regulatie. Bovendien, hoewel celkweekmodellen veel inzicht hebben gegeven in de rol van miRNA's in neurale ontwikkeling, zijn diermodellen die de miRNA-functie op organismeniveau onderzoeken nog steeds schaars. Desalniettemin zijn de eerste resultaten van miRNA KO-modellen zeer bemoedigend en suggereren ze dat het verlies van specifieke miRNA's vrij ingrijpende gevolgen kan hebben voor de ontwikkeling van neurale circuits en dierlijk gedrag (Amin et al., 2015 Tan et al., 2013). Het toepassen van CRISPR-Cas-technologie om de miRNA-functie in de hersenen te analyseren, zal ongetwijfeld de inspanningen versnellen om de fysiologische functie van specifieke miRNA-doelwitinteracties te onderzoeken. Bovendien, aangezien miRNA's een belangrijke rol kunnen spelen in neurologische ontwikkelingsprocessen die verband houden met de opkomst van zeer complexe hersenen (Hu et al., 2011 Somel et al., 2011), kan het gebruik van door mensen geïnduceerde pluripotente stamcel-afgeleide neuronen kunnen een veelbelovend experimenteel systeem zijn om de functionele relevantie van interessante primaat- of zelfs mensspecifieke miRNA's op cellulair niveau te testen. Dit zou ook nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor het onderzoek van menselijke neurologische ontwikkelingsstoornissen, zoals schizofrenie en autisme, waarvoor diermodellen nog van vrij beperkte waarde zijn. Ten slotte, hoewel op miRNA gebaseerde therapieën in de hersenen nog in de kinderschoenen staan, grotendeels vanwege de moeilijkheid om miRNA-gerichte oligonucleotiden in de hersenen af ​​te leveren, zijn er enkele vorderingen gemaakt. Een opmerkelijk voorbeeld is dat van epilepsie, waarbij injectie van verschillende miRNA-antagomirs gunstig is gebleken voor de vermindering van aanvallen en bijbehorende neurodegeneratie in de hippocampus (Gross et al., 2016 Jimenez-Mateos et al., 2012 Rajman et al. , 2017). Bovendien is aangetoond dat de virusgerichte expressie van miR-223 neuroprotectief is na voorbijgaande globale ischemie en excitotoxisch letsel (Harraz et al., 2012). Met de toekomstige ontwikkeling van niet-invasieve toedieningsroutes en voortgezet onderzoek naar de miRNA-functie in het zenuwstelsel, kunnen dergelijke miRNA-therapieën ook van toepassing blijken te zijn op neurologische ontwikkelingsstoornissen waarvoor momenteel geen remedie beschikbaar is.

Hoewel een aantal studies die in deze Review worden besproken, de rol van individuele miRNA's tijdens neurale ontwikkeling hebben benadrukt, moet ook worden opgemerkt dat de meer globale regulatie van miRNA-activiteit - in meerdere stadia langs de miRNA-biogenese en effectorroutes - een grote impact kan hebben op ontwikkeling van het zenuwstelsel. Voorbeelden van hoe en wanneer de activiteiten van miRNA's zelf kunnen worden gereguleerd tijdens neurale ontwikkeling zijn onder meer: ​​(1) Regulatie van pri-miRNA-transcriptie. Pri-miR-184-expressie wordt bijvoorbeeld geremd door MBD1 via epigenetische silencing (Liu et al., 2010). (2) Regulering van pri-miRNA-verwerking en stabiliteit. Voorbeelden zijn amyloïde precursor-eiwit (APP), dat de expressie van miR-547 in de zich ontwikkelende hersenschors remt door pri-miR-547-degradatie te induceren (Zhang et al., 2014) ADAR1, dat de verwerking van pri-miR-302 blokkeert (Chen et al. ., 2015) en MeCP2, die interfereert met de verwerking van verschillende neuronale miRNA's (bijv. miR-134, miR-383) door de microprocessor-co-factor Dgcr8 te sekwestreren (Cheng et al., 2014). (3) Pre-miRNA-stabiliteit. Expressie van het pro-neurale miRNA miR-9 wordt bijvoorbeeld geremd door Lin28-afhankelijke afbraak van pre-miR-9 (Nowak et al., 2014). (4) Regulatie door miRNA-sekwestrerende RNA's (Salmena et al., 2011 Tay et al., 2014) ook bekend als 'miRNA-sponzen' of 'concurrerende endogene RNA's'. Verschillende RNA-klassen kunnen functioneren als miRNA-sponzen, b.v. de 3'-UTR van mRNA's zoals Ube3a-1 (Valluy et al., 2015), lange niet-coderende RNA's (lncRNA's) zoals LncND (lncRNA genaamd neurodevelopment) (Rani et al., 2016) of circulaire RNA's (circRNA's) zoals ciRS-7 (ook bekend als CDR1as), dat sterk en selectief tot expressie wordt gebracht in hippocampale en neocorticale neuronen en >70 bindingsplaatsen bevat voor het neuronale miR-7 en één perfect complementaire plaats voor miR-671 (Hansen et al., 2013 Memczak et al., 2013). (5) Regulering van de samenstelling en activiteit van de neuronale miRISC. Dit omvat de activiteitsafhankelijke controle van de fosforylering van Ago2 (Patranabis en Bhattacharyya, 2016) of zijn interactiepartner FMRP (ook bekend als FMR1) (Muddashetty et al., 2011), evenals de activiteitsgereguleerde afbraak van de miRISC eiwit MOV10 (Banerjee et al., 2009).


Bekijk de video: Glial Cells - Neuroanatomy Basics - Anatomy Tutorial (December 2021).