Mikroglia: Wächter des Gehirns

Mit in vivo Modellen das Immunsystem des Gehirns verstehen

  • Adulte, transgene Zebrafische vor einem KonfokalmikroskopAdulte, transgene Zebrafische vor einem Konfokalmikroskop
  • Adulte, transgene Zebrafische vor einem Konfokalmikroskop
  • Abb. 1: Klassische Glia- und Immunzellfunktionen von Mikroglia (grün). Die Aufgaben dieser Zellen reichen von der Sekretion von Neurotrophinen, über die Überwachung des Gesundheitszustandes von Neuronen (rot) und der Aktivität von Synapsen, bis hin zum Beseitigen kranker und sterbender Neuronen bei gleichzeitiger Entzündungshemmender Aktivität (gelber Halo) sowie der phagozytose von Krankheitserregern und dem Einleiten von Entzündungsreaktionen (roter Halo).
  • Abb. 2: Dorsaler Blick auf den Kopf der transparenten vier Tage alten Zebrafischlarve. Differenzielle Expression von Fluoreszenzgenen erlauben die Interaktionen zweier Zelltypen zu mikroskopisch zu analysieren. Links: Durchlicht Bild mit schematisch angedeutetem Kopfumriss inklusive Augen (grau Linie), sowie des Tectum opticum und des Cerebellums des sich entwickelnden Gehirns (schwarze Linie). Mitte: Projektion eines konfokalen Bildstapels mit Neuronen in rot (NBT::DsRed) und Mikroglia in grün (mpeg1::GFP). Rechts: Wie Mitte, jedoch Blutgefäße in rot (fli::GFP) und Mikroglia in grün (pU1::Gal4-UAS-TagRFP).
  • „Ruhende“ Mikroglia

Mikroglia sind die residenten Immunzellen des Zentralnervensystems. Nachdem die Aufgaben dieser Makrophagen im gesunden Gehirn lange Zeit unterschätzt wurde, beginnen wir langsam ihre Schlüsselrolle zu verstehen. Gerade 3D Mikroskopie in Echtzeit und einfache Möglichkeiten zur Transgenese erlauben uns die große Dynamik von Mikroglia zu bewundern und zu verstehen.

Wächter des Gehirns
Mikroglia sind die residenten Makrophagen des Gehirns und, wie von ihrem Namen abgeleitet werden kann, gleichzeitig zudem auch die kleinsten Gliazellen unseres Zentralnervensystems. Interessanterweise übernehmen sie, dieser Doppelrolle entsprechend, sowohl klassische Glia- als auch Immunfunktionen. So überwachen Mikroglia z.B. nicht nur Synapsen und regen Nervenzellen zu Wachstum an, sondern sie entsorgen auch nicht benötigte Zellen und beseitigen Krankheitserreger (Abb. 1). Durch die Fülle ihrer Aufgaben sind Mikroglia in nahezu alle Neuropathologien involviert, wie z.B. die Alzheimer- oder die Parkinson-Krankheit, und entartete Mikroglia sind sogar für spezifische Verhaltensstörungen wie das Rett-Syndrom verantwortlich. Während je nach Erkrankung oft noch kontrovers diskutiert wird, ob Mikroglia hierbei Ursache oder Symptom darstellen, ist es verständlich dass ein Großteil der Erforschung dieser Zellen für lange Zeit hauptsächlich unter pathologischen Bedingungen statt fand. Im Gegensatz hierzu blieb die Rolle von Mikroglia im gesunden Gehirn weitgehend unbeachtet und wir haben erst in den letzten Jahren verstanden, wie bemerkenswert dynamisch diese Zellen unter physiologischen Bedingungen arbeiten. Hierbei sind Pathologie und Physiologie oft nahe verwandt, und es bestehen große Synergien in den zu Grunde liegenden molekularen und zellulären Mechanismen, in welchen der Krankheitszustand oft eine Entartung des physiologischen Prozesses darstellt. Das Verhalten und die detaillierten Funktionen von Mikroglia im gesunden Gehirn zu verstehen, kann hier neue vorbeugende und therapeutische Ansätze für neuropathologische Krankheiten eröffnen.

Das Gehirn - Hardwaremodifikationen bei laufender Software
Die Entwicklung unseres Gehirns beginnt relativ früh während der Embryonalentwicklung: Bereits in der dritten Schwangerschaftswoche lassen sich erste Anzeichen des entstehenden Zentralnervensystems erkennen.

Von hier geht es nahezu explosionsartig weiter und in Spitzenzeiten entstehen über eine Viertelmillion Nervenzellen pro Minute. Diese unglaubliche Menge steht in großem Überschuss zu der Anzahl an Neuronen, die wir im erwachsenen Gehirn finden. In der Tat werden nur jene Nervenzellen, die menschliche Kindheit und Jugend überstehen, die stabile Verbindungen untereinander knüpfen und erfolgreich Informationen austauschen. Die meisten Neuronen sterben jedoch im Laufe der Entwicklung durch programmierten Zelltod ab und auch hier werden wieder Superlative erreicht. Im Neocortex initiieren zu Stoßzeiten bis zu 85,000 Neuronen gleichzeitig ihre apototischen Programme, was eine große Last für die Physiologie des Gehirns darstellt, um welche sich die Makrophagen kümmern müssen. Um diese Mengen zu bewältigen, muss die Kommunikation zwischen Mikroglia und sterbenden Nervenzellen äußerst effektiv und präzise sein. Welche Signalmoleküle hierfür verantwortlich sind und wie diese die Mikroglia Population effizient instrumentieren, ist Gegenstand gegenwärtiger Forschungsansätze. Da diese Vorgehensweise bei der Entstehung des Zentralnervensystems jedoch nicht nur auf die menschliche Entwicklung beschränkt ist, sondern ein weit verbreitetes Phänomen ist, das in allen Taxonomien des Tierreiches und bei unterschiedlichen Typen von Nervenzellen zu finden ist, deutet dies auf hohe evolutionäre Konservierung der zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen hin.

In vivo Forschung mit Modellorgansimen
Einen Großteil unseres Wissens über Mikroglia erlangten wir durch in vitro Studien und die Erforschung von Krankheitsmodellen. Gerade die Möglichkeit Mikroglia zu kultivieren hat unser Wissen über diese Zellen zweifellos immens gefördert. Jedoch wissen wir heute auch, dass Mikroglia bereits auf kleinste Unregelmäßigkeiten in der Physiologie des Gehirns reagieren können, was es unabdingbar macht, Mikroglia auch in vivo, in ihrer natürlichen Umgebung, zu untersuchen. So war es z. B. lange Zeit Lehrmeinung, dass Mikroglia den größten Teil ihres Daseins in einem ruhenden Zustand verbringen, der durch eine ramifizierte Zellmorphologie charakterisiert ist. Erst die Aktivierung durch spezifische Signale aus ihrer Umgebung befreit sie aus ihrem Dornröschenschlaf, sie nehmen ein amöboides Erscheinungsbild an und beginnen antigen-präsentierende Moleküle zu exprimieren. Durch Pionierarbeit an Mäusen mit chirurgisch verdünnter Schädeldecke und Zwei-Photonen Fluoreszenzmikroskopie in Echtzeit, wissen wir jedoch heute, dass die „ruhenden" Mikroglia in Wahrheit die sich am schnellsten bewegenden Zellen im Gehirn sind [1]. Die ramifizierten Zellen bilden ein dynamisches Netzwerk in welchem die zellulären Verzweigungen sich in einem Kreislauf aus de novo Formation und Retraktion befinden um die zelluläre Umgebung zu scannen. Bezieht man die Geschwindigkeit ein, mit der sich die Fortsätze bewegen, die Anzahl und Position der Mikroglia sowie die Größe des Gehirns, lässt sich folgern, dass die Mikrogliapopulation das komplette Gehirn innerhalb weniger Stunden durch direkten Kontakt überschauen kann. Fortführende Studien mit Konfokalmikroskopie an transgenen Zebrafischen, in welchen Neuronen und Mikroglia unterschiedlich fluoreszenzmarkiert sind (Abb. 2), haben weiterhin gezeigt, dass die „ruhenden" Makrophagen kontinuierlich Neuronen mit ihren langen Fortsätzen phagozytieren und zur Verdauung zu ihrem Zellkörper transportieren [2]. Durch das Markieren von Synapsen mit Fluoreszenzfarbstoffen, wissen wir des Weiteren, dass Mikroglia nicht nur den Gesundheitszustand ganzer Neuronen abfragen und beurteilen können, sondern auch Kontakte mit einzelnen Synapsen pflegen [3]. Die Länge der Berührung scheint in Abhängigkeit der synaptischen Aktivität zu stehen; bei verminderter Aktivität ist auch die Dauer des Kontaktes zwischen den zwei Zelltypen kürzer. Nach zerebralen Ischämien hingegen können dramatisch verlängerte Kontaktzeiten beobachtet werden, die oft mit dem anschließenden Verschwinden der Synapse einhergehen.

Laserablation und molekulare Sensoren
Eines der vielleicht elegantesten Beispiele wie Modellsysteme mit in vivo Ansätzen helfen die Interaktion unseres Zentralnervensystems mit dem Immunsystem zu erforschen, ist die Analyse der Signaltransduktion bei traumatischen Nervenverletzungen. Durch die Kombination von Techniken zur Laserablation von Neuronen mit Zwei-Photonen Mikroskopie konnte in Mäusen gezeigt werden, wie die Makrophagen des Gehirns auf neuronale Verletzungen reagieren [4]. Innerhalb von Minuten richten die der Lesion umliegenden Mikroglia bereits ihre Fortsätze in Richtung der Verwundung aus und etablieren eine potentielle Schutzhülle zwischen dem gesunden und traumatischen Hirngewebe. Gleichzeitige Mikroinjektion von ATP in Kombination mit reverser Genetik konnte dabei zeigen, dass dieser Prozess ATP abhängig ist und durch den P2Y12 Rezeptor in Mikroglia gesteuert wird. Anschließende Experimente in Zebrafischen entschlüsselten ein weiteres Stück des Mechanismus und beantworteten die Frage wie ATP, ein zügig abgebautes Molekül, zur weitreichenden Kommunikation zweier Zelltypen genutzt werden kann [5]. In den Fischembryos wurde ein genetisch-kodierter Ca2+ Sensor genutzt um in Echtzeit zu filmen, wie die Gerhirnverletzung zu einer sich rasch konzentrisch ausbreitenden Ca2+ Welle im Gehirn führt. Diese ist Glutamat induziert, nimmt mit der Entfernung zur Lesion ab, und, so die aktuelle Hypothese, induziert ihrerseits den Ausstoß von ATP, welcher den Mikroglia die Richtung und Entfernung zur Wunde signalisiert.

Die Zukunft der Mikroglia Forschung
Die Etablierung neuer Modelsysteme und technologische Fortschritte in der Mikroskopie haben zu einem Paradigmenwechsel im Verständnis von Mikroglia im gesunden Gehirn geführt. Wir wissen nun, dass diese Zellen auch in „ruhender" Konfiguration Schlüsselfunktionen übernehmen. Trotzdem bleibt viel über die molekularen Signalwege in der Kommunikation von Mikroglia mit ihrer Umgebung im Unklaren. Des Weiteren entstehen Mikroglia, als Immunzellen, nicht im Gehirn, sondern in hämatopoetischem Gewebe. Wie die Vorläuferzellen von Mikroglia ins Zentralnervensystem migrieren und was sie dazu bewegt dort zu bleiben, ist Schwerpunkt aktueller Forschungsbemühen. Letzteres ist auch von besonderem Interesse, da Makrophagen einer der wenigen Zelltypen sind, welche die Bluthirnschranke passieren können, und so etwa als Vektor zur Wirkstofftransportation in neuen therapeutischen Anwendungen umfunktioniert werden könnten. Zur Erforschung dieser Phänomene stehen uns nun nie dagewesene Werkzeuge zur Hand. Korrelation von elektronen- mit lichtmikroskopischen Verfahren verbindet etablierte 3D Fluoreszenzmikroskopie mit räumlicher Auflösung im molekularen Bereich. Die Entwicklung von Lichtscheibenmikroskopie erlaubt eine nahezu atemberaubend kleine zeitliche Auflösung und ist des weiteren Ideal zur Langzeitbeobachtung. Hierbei ermöglichen photokonvertierbare Proteine das Markieren und Beobachten einzelner Zellen in komplexen Populationen und optogenetische Verfahren können zur gezielten Manipulation von Neuronaleraktivität eigesetzt werden. Die Zukunft wird spannend.

Referenzen
[1] Nimmerjahn A. et al.: Science 308, 1314-1318 (2005)
[2] Peri F. et al.: Cell 133, 916-927 (2008)
[3] Wake H. et al.: J. Neurosci. 29, 3974-3980 (2009)
[4] Davalos D. et al.: Nat. Neurosci. 8, 752-758 (2005)
[5] Sieger D. et al.: Dev. Cell. 22, 1138-1148 (2012)

GIT-Tipp: Projektion eines, im Zeitraffer aufgenommenen, konfokalen Bildstapels mit Neuronen in rot (NBT::DsRed) und Mikroglia in grün (pU1.Gal4-UAS-GFP) von Timm Schlegelmilch: http://www.git-labor.de/

 

 

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