Engineering von humanen blutinduzierten Mikroglia-ähnlichen Zellen für die reverse-translationale Hirnforschung

In den letzten Jahren wurde vermutet, dass Gehirnentzündungen eine zentrale Rolle in der Pathophysiologie verschiedener Gehirn- und neuropsychiatrischer Erkrankungen einnehmen; Die Mikroglia wurden durch postmortale Hirnanalysen beim Menschen und Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-basierte Bioimaging-Verfahren als wichtige immunmodulatorische Zellen hervorgehoben 1,2,3,4. Postmortale Hirn- und PET-Bildgebungsanalysen zeigen signifikante Befunde; Dennoch sind diese Ansätze ineffizient, wenn es darum geht, die dynamischen molekularen Aktivitäten der menschlichen Mikroglia im Gehirn in ihrer Gesamtheit zu erfassen. Daher sind neuartige Strategien erforderlich, um eine umfassende Bewertung der menschlichen Mikrogliafunktionen und -dysfunktionen auf molekularer und zellulärer Ebene zu ermöglichen.

Im Jahr 2014 haben wir ursprünglich eine neuartige Technik zur Herstellung von direkt induzierten Mikroglia-ähnlichen (iMG) Zellen entwickelt ^5,6, bevor 2016 die erste Veröffentlichung von human-induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC)-abgeleiteten Mikroglia-ähnlichen Zellen erfolgte⁷. In nur 2 Wochen haben wir erfolgreich humane periphere Blutmonozyten in iMG-Zellen umgewandelt, indem wir die Zytokine, den Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierenden Faktor (GM-CSF) und Interleukin 34 (IL-34) optimiert haben. Als wir diese Technik entwickelten, begann sich die innovative Reprogrammierungsmethode der Induktion von neuronalen Zellen aus iPS-Zellen oder Fibroblasten in der Welt gerade durchzusetzen 8,9,10,11. Zu diesem Zeitpunkt war jedoch noch keine Methode zur Induktion von iPS-abgeleiteten Mikrogliazellen bekannt gewesen, und die Generierung eines aus menschlichen somatischen Zellen gewonnenen Mikrogliamodells wurde gewünscht. Da berichtet wurde, dass Zytokine wie GM-CSF und IL-34, Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor, für die Entwicklung und Aufrechterhaltung von Mikroglia notwendig sind 12,13,14,15, stellten wir die Hypothese auf, dass eine Kombination dieser Zytokine direkt angewendet werden könnte, um ein Mikroglia-Zellmodell aus Blutmonozyten zu erzeugen. Schließlich ist es uns gelungen, durch die Kombination von GM-CSF und IL-34⁵ ein Modell von Mikroglia zu entwickeln, die von Monozyten abgeleitet sind. Darüber hinaus werden einige dieser Kombinationen von Zytokinen auch zur Induktion von Mikroglia aus iPS-Zellen eingesetzt ^7,16 und es wird angenommen, dass sie ein wichtiger Faktor bei der Erfassung von Mikroglia-Eigenschaften sind.

Im Gegensatz zu iPSC-Methoden benötigen iMG-Zellen keine genetische Veränderung und können durch einfache chemische Induktion in sehr kurzer Zeit erzeugt werden, was zu einem geringeren zeitlichen und finanziellen Aufwand führt. Darüber hinaus benötigen iMG-Zellen keine genetische Reprogrammierung, so dass wir glauben, dass iMG-Zellen potente Surrogatzellen sind, um nicht nur die Merkmale, sondern auch die Zustände menschlicher Mikroglia zu bewerten. In der ersten Arbeit über die iMG-Technik im Jahr 2014 haben wir bestätigt, dass iMG-Zellen einen Phänotyp menschlicher Mikroglia aufweisen, der sich von Monozyten und Makrophagen unterscheiden lässt. Zum Beispiel wiesen iMG-Zellen ein Überexpressionsverhältnis von CX3C-Chemokinrezeptor 1 (CX3CR1) und C-C-Chemokinrezeptor Typ 2 (CCR2) auf als Monozyten und typische Mikroglia-Marker, einschließlich des Transmembranproteins 119 (TMEM 119) und des purinergen Rezeptors P2RY12 ^5,17. Kürzlich haben wir validiert, dass iMG-Zellen aus peripherem Blut in ihrem Genexpressionsprofil bekannter Mikrogliamarker bei demselben Patienten, der sich einer Hirnoperation unterzogen hat, den Mikroglia des Gehirns ähneln¹⁸. Die iMG-Zellen können auf dynamische Funktionen auf molekularer Ebene, wie Phagozytose und Zytokinproduktion, analysiert werden und sollen die Nachteile der postmortalen Hirnforschung und PET-Studien kompensieren.

Wir haben bisher unbekannte dynamische pathophysiologische Mechanismen mit Beteiligung von Mikroglia bei Patienten entdeckt, bei denen die Nasu-Hakola-Krankheit⁵, die Fibromyalgie¹⁹, die bipolare Störung^20,21 oder die Moyamoya-Krankheit²² diagnostiziert wurden. Darüber hinaus haben verschiedene Laboratorien auf der Grundlage unserer ursprünglichen Methodik die iMG-Zellen (bestimmte Laboratorien haben alternative Namen für diese Zellen festgelegt) als entscheidendes reverse-translationales Forschungsinstrument eingesetzt 23,24,25,26,27. Sellgren et al. erzeugten erfolgreich iMG-Zellen in Übereinstimmung mit unseren Empfehlungen und führten eine Microarray-Analyse durch, die zeigte, dass diese Zellen den Mikroglia des menschlichen Gehirns sehr ähnlich^{sind 23}. Kürzlich haben wir die Ähnlichkeit zwischen humanen iMG-Zellen und primären Mikroglia des Gehirns mit Hilfe der RNA-Sequenzierung^{bestätigt 18}.

Ziel dieser Studie war es, die Methodik zur Erzeugung von iMG-Zellen aus menschlichem peripherem Blut zu dokumentieren, um die reverse-translationale Forschung zu erleichtern, die sich auf neuropsychiatrische Erkrankungen konzentriert. Diese Technik bietet das Potenzial als vernünftiges Analysewerkzeug, mit dem Mikroglia-Zellmodelle in kurzer Zeit mühelos hergestellt werden können, selbst in schlecht ausgestatteten Laboratorien, in denen es an Gentransfergeräten oder kompetentem Personal mangelt.