Generierung und Co-Kultivierung von primären Mikroglia und kortikalen Neuronen von Mäusen

Mikroglia sind geweberesidente Makrophagen, die die Immunüberwachung und Homöostase im Zentralnervensystem (ZNS) ^{erleichtern1,2,3}. Sie stammen aus erythromyeloiden Vorläuferzellen des Dottersacks, die das Gehirn während der Embryonalentwicklung besiedeln ^4,5,6 und während der gesamten Lebensspanne des Organismus durch Selbsterneuerung, die Proliferation und Apoptose beinhaltet, erhalten bleiben⁷. Im Steady-State haben ruhende Mikroglia die Morphologie verzweigt und beteiligen sich an der Gewebeüberwachung ^8,9,10.

Mikroglia exprimieren zahlreiche Rezeptoren der Zelloberfläche, was es ihnen ermöglicht, schnell auf Veränderungen im ZNS zu reagieren^11,12 und Entzündungsreaktionen bei Infektionen oder Gewebeverletzungen zu fördern 12,13,14 sowie bei neurodegenerativen Erkrankungen ^9,15 wie z.B. Multipler Sklerose (MS)^16,17. Mikroglia exprimieren auch Rezeptoren für verschiedene Neurotransmitter und Neuropeptide ^18,19,20, was darauf hindeutet, dass sie auch auf neuronale Aktivität reagieren und diese regulieren können ^21,22. In der Tat interagieren Mikroglia und Neuronen in verschiedenen Formen der bidirektionalen Kommunikation ^8,23, wie z. B. direkte Wechselwirkungen, die durch Membranproteine vermittelt werden, oder indirekte Wechselwirkungen durch lösliche Faktoren oder Zwischenzellen^23,24.

Zum Beispiel können verschiedene Neurotransmitter, die von Neuronen sezerniert werden, die neuroprotektive oder inflammatorische Aktivität von Mikroglia modulieren 25,26,27. Darüber hinaus tragen direkte Wechselwirkungen zwischen Neuronen und Mikroglia dazu bei, Mikroglia in einem homöostatischen Zustand zu halten²⁸. Umgekehrt können direkte Wechselwirkungen von Mikroglia mit Neuronen die neuronalen Schaltkreise²⁹ prägen und die neuronale Signalübertragung^beeinflussen 30,31,32. Da Störungen dieser Wechselwirkungen eine Übererregbarkeit der Neuronen³⁰ und eine Mikroglia-Reaktivität ^33,34 induzieren, werden fehlregulierte Mikroglia-neuronale Interaktionen als beitragender Faktor für neurologische Erkrankungen angesehen^33,35. In der Tat wurde beschrieben, dass psychotische^23,26 und neurodegenerative Erkrankungen dysfunktionale Mikroglia-Neuronal-Interaktionen aufweisen³³. Während diese Beobachtungen die Bedeutung der Mikroglia-Neuronal-Kommunikation im ZNS unterstreichen, sind die spezifischen Mechanismen, wie diese Interaktionen die mikroglialen und neuronalen Funktionen bei Gesundheit und Krankheit regulieren, relativ unbekannt.

In einem komplexen Milieu wie dem ZNS können mehrere Umweltfaktoren die Interaktionen zwischen Mikroglia und Neuronen beeinflussen, was die Fähigkeit einschränkt, transiente zelluläre Interaktionen in vivo zu untersuchen. Hier stellen wir ein in vitro Mikroglia-Neuronal-Co-Kultursystem vor, mit dem direkte zelluläre Interaktionen zwischen Mikroglia und Neuronen untersucht werden können. Dieses Protokoll beschreibt die Erzeugung von primären Mikroglia und Neuronen aus der Rinde von neonatalen Mäusen zwischen den postnatalen Tagen 0-2 und embryonalen Mäusen zwischen den Tagen 16-18. Neuronen und Mikroglia werden dann in 96-Well-Platten für nachgelagerte Hochdurchsatzexperimente co-kultiviert. Wir haben diesen Ansatz bereits verwendet, um zu zeigen, dass die Mikroglia-Phagozytose Neuronen vor oxidiertem Phosphatidylcholin-vermitteltem Zelltod schützt³⁷, was darauf hindeutet, dass diese Methode dazu beitragen kann, die Rolle von Mikroglia im Zusammenhang mit Neurodegeneration und MS zu verstehen. In ähnlicher Weise können Mikroglia-neuronale Co-Kulturen auch nützlich sein, um die Auswirkungen der Mikroglia-Neuronal-Wechselwirkung in anderen Kontexten zu untersuchen, wie z. B. bei Virusinfektionen³⁸ oder neuronalen Verletzungen und Reparaturen³⁹. Insgesamt ermöglichen in vitro Mikroglia-neuronale Co-Kultursysteme den Forschern, Mikroglia-neuronale Interaktionen in einer manipulierbaren und kontrollierten Umgebung zu untersuchen, was die In-vivo-Modelle ergänzt.