Mikroglia - biologi og sygdomsmæssig relevans

###vp45559-1###

###vp45559-3###

Mikroglia, der udgør centralnervesystemets hvilende makrofagsystem, spiller en central rolle i inflammatoriske processer og akut og kronisk degenerativ sygdom i hjernen og rygmarven. På det seneste er det blevet muligt at udnytte mikroglia i diagnostik, da reaktiv mikrogliose kan visualiseres ved positronemissionstomografi. Tilsyneladende har mikrogliaceller også terapeutisk et potentiale i kraft af rekruttering af mikrogliale precursor -celler fra blodbanen, hvilket muliggør læsionsspecifik introduktion af genmodificerede celler ind i centralnervesystemet. Den viden, der i dag findes om mikroglias funktion, er i høj grad tilvejebragt på baggrund af dyreeksperimentelle studier af det patologiske centralnervesystem. Skønt der i dag eksisterer en relativt stor viden om disse cellers patofysiologiske betydning, er deres biologiske funktion i det udviklende og det normale mature centralnervesystem stadig overvejende ukendt.

De cellulære bestanddele i centralnervesystemets parenkym kan inddeles i nerveceller og gliaceller. Gliaceller blev første gang beskrevet under betegnelsen Neuroglia i midten af det 19. århundrede af den tyske patolog Rudolph Virchow [1]. I 1913 beskrev den spanske neuroanatom Santiago Ramón y Cajal , hvad han kaldte nervesystemets tredje element - ud over nerve- og gliaceller [2]. Dette tredje element blev nogle år senere opdelt af en anden spansk videnskabsmand Pío del Río-Hortega i to forskellige celletyper oligodendroglia og mikroglia i forbindelse med hans udvikling af den sølvkarbonatfarvning, der blev den første specifikke farvemetode til visualisering af mikroglia [3-5]. Dette var den egentlige start på mikrogliabiologien, på trods af den tyske neuropatolog Franz Nissls beskrivelse i 1899 af Stäbchenzellen , der senere blev vist at være den specielle type reaktive mikroglia, der kendes som rod cells [6]. Nissl havde brugt patologisk væv og understregede disse cellers relevans primært inden for diagnostik, hvilket sandsynligvis var medvirkende til, at han ofte ikke nævnes som den egentlige opdager af mikroglia. Siden midten af 1980'erne har nye enzym- og senere immunhistokemiske farvemetoder muliggjort en reproducerbar visualisering af disse celler, hvilket har ført til en ekspansion i udforskningen af og antallet af publikationer vedr. mikroglia (Figur 1 ) [7].

Oprindelse og udvikling

Del Río-Hortega foreslog, at mikroglias embryonale oprindelse var mesodermal i modsætning til centralnervesystemets andre cellulære bestanddele af ektodermal oprindelse [5]. Der er i dag enighed om, at mikroglia er af mesodermal afstamning, og at de som mesodermale precursorceller migrerer ind i det udviklende centralnervesystem i fosterlivets sidste trimester og tidligt postnatalt [8]. Precursorcellernes kolonisering af det immature parenkym sker dels fra pia mater på centralnervesystemets overflade fra få helt specifikke lokalisationer microglial fountains , som også beskrevet af del Río-Hortega [3, 5, 9], dels som celler, der fra blodbanen vandrer ind og koloniserer parenkymet [10]. De mikrogliale precursor -celler differentierer først til amoeboide mikroglia og senere postnatalt til primitive ramificerede mikroglia, som i forbindelse med hjernens udvikling undergår en udtalt proliferation for så at uddifferentiere til de stærkt ramificerede mikroglia, som ses i det mature centralnervesystem [8, 10]. Amoeboide såvel som ramificerede mikroglia kan inddeles i flere kategorier, hvoraf nogle morfologiske former kun ses under udviklingen [8].

Morfologi

I det mature centralnervesystem antager mikroglia en stærkt ramificeret morfologi, som kendetegner disse celler i deres hvilende stadie (Figur 2 ). Som redegjort for af del Río-Hortega [5] samt mange andre efter ham [11] ses den typiske hvilende mikrogliacelle med en lille mørk oval eller polymorf nucleus (5-10 μ m) med adskillige kromatingranula. Omkransende kernen ses en smal bræmme cytoplasma, som ved kernens poler elongeres i 2-3 evt. flere tynde filiforme processer, der igen deles i sekundære og tertiære grene, som på overfladen ses besat med små spinae. Denne struktur er adapteret til det omgivende parenkyms beskaffenhed, hvor nervecellerne med aksoner og dendritter såvel som astrocytter og oligodendrocytter skaber et netværk, hvori mikroglia med deres processer dækker hver deres territorium. Alt efter lokalisation i centralnervesystemets parenkym benævnes mikroglia forskelligt. Mikroglia per se er en del af centralnervesystemets parenkym. Perivaskulære mikroglia er ligeledes parenkymale celler, men findes i tæt relation til blodkar uden for disses lamina basalis. To lidt andre celletyper, der kan forveksles med mikroglia, er pericytter, som definitorisk er en del af karvæggen, og perivaskulære celler, der er en speciel type makrofag, som i lighed med pericytterne er lokaliseret i karvæggens lamina basalis uden for centralnervesystemets parenkym [12].

Aktivering af mikroglia og reaktiv mikrogliose

Mikrogliacellerne er meget sensitive over for neuronal forstyrrelse og skade og reagerer herpå med ændret morfologi og omlægning af deres genekspression i løbet af minutter til ganske få timer [13]. Mikroglia udviser en gradueret aktivering som respons på dysfunktionelle tilstande og patologiske processer i centralnervesystemet. Dette respons formodes at dække over en funktionel plasticitet, dvs . mikroglias evne til at udvise det korrekte og mest passende respons på en given stimulus. De cellulære ændringer, som mikroglia udviser ved aktivering som følge af skade i centralnervesystemet, omfatter forandret morfologi, proliferation, ændret overflade antigenekspression samt cytokin-, kemokin- og vækstfaktorproduktion. Ikke alle facetter af aktiveringen er lige udtalt ved forskellige former for traume [14, 15]. Aktiveringen af hvilende (ramificerede) mikroglia vil typisk ske med et signal fra beskadigede neuroner eller ved inflammatoriske lidelser i centralnervesystemet ved stimuli afgivet af infiltrerende lymfocytter [16]. Ved en subletal neuronal beskadigelse når mikroglia typisk ikke andet end et let aktiveret stadie, hvor der ses en svag hypertrofi evt. kombineret med en delvis retraktion af de mikrogliale udløbere og en accentuering af den i forvejen ramificerede morfologi. Dette stadie er et intermediært trin på vej til den egentlige reaktive (aktiverede) mikrogliacelle. Reaktive mikroglia kan både ses i forbindelse med subletal og letal neuronal skade. Her ses cellerne kraftigt hypertrofierede og hyperramificerede med fortykkede processer, så de får et stærkt reaktivt og busket udseende. Ved letal neuronal beskadigelse kan reaktive mikroglia omdannes til fagocyterende mikroglia (hjernemakrofager) [15]. Denne del af aktiveringskaskaden sættes altså kun i værk, når nekrose nødvendiggør fagocytose af større mængder cellulært debris. Det er den almindelige antagelse, at både en let aktiveret og en egentlig reaktiv mikrogliacelle kan reversere til det hvilende stadie, hvis et beskadiget neuron overlever og bedres. Dette menes ikke at være tilfældet for fagocyterende mikroglia, der sandsynligvis undergår celledød ved apoptose. Mikrogliaceller er således en population af fakultative makrofager, hvis fagocytiske aktivitet er stærkt reguleret af signaler fra de omkringliggende neuroner og gliaceller, og som udviser et gradueret respons adapteret til sværhedsgraden af det foreliggende traume [15]. De føromtalte rod cells [6] er en speciel form for reaktiv mikroglia, der sædvanligvis opstår ved longitudinel fusion af individuelle mikroglia i relation til degenererende pyramidecelledendritter. Rod cells ses i den senile cortex og hippocampus, i regio superior hippocampus ved forbigående global cerebral iskæmi og i cortex ved sygdomme som hiv-encefalitis og subakut skleroserende panencefalitis [13, 15] (Figur 3 ).

###45559b02###

Det er imidlertid som nævnt ikke kun mikrogliacellernes morfologiske karakteristika, men også deres funktionelle egenskaber, der ændres ved aktivering. Aktivering af mikroglia resulterer i en ekspansion af mikrogliacellepopulationen på principielt tre måder: 1) ved proliferation, 2) ved rekruttering af celler fra blodbanen og 3) ved migration af mikroglia fra tilstødende områder [15]. Mikrogliacellerne begynder at proliferere 2-3 dage efter en akut skade og når maksimalt antal efter 4-7 dage [15]. Mikroglia undergår et langsomt turnover , hvor der sker en konstant fornyelse af cellerne enten ved proliferation af residente celler in situ eller ved immigration af celler fra blodbanen [17]. Ny viden indikerer, at der i forbindelse med reaktiv mikrogliose sker en yderligere rekruttering af celler fra blodbanen, som migrerer ind i det traumatiserede parenkym [18], hvorved mikrogliareaktionen kommer til at bestå af både en endogen og en hæmatogen deriveret eksogen komponent (Figur 4 ). Den funktionelle betydning heraf kendes endnu ikke, men det kan tænkes at have indflydelse ved sygdomme som hiv-encefalitis. Apoptotiske mikroglia synes at forekomme allerede fire dage efter en eksperimentel læsion. Antallet af reaktive mikrogliaceller, der observeres på et givent tidspunkt, vil derfor kunne afspejle en ekspansion af mikrogliapopulationen ved proliferation, rekruttering og migration og en parallel reduktion heraf ved apoptotisk celledød.

Ved aktivering forekommer der også en opregulering af det konstitutivt udtrykte overfladeprotein CD11b og andre antigener [13, 15]. Hypertrofien og opreguleringen af CD11b er sædvanligvis erkendelig efter 24 timer, men kan observeres ned til få timer efter en skade [13]. Yderligere immunfænotypiske ændringer inkluderer opregulering af såvel major histocompatibility complex (MHC)-klasse I som -klasse II [13, 15]. Andre karakteristiske mikrogliamarkører er CD45 og F4/80. Aktiverede parenkymale mikrogliaceller udtrykker generelt et lavt niveau af CD45 (CD45low ) i modsætning til blodbårne/monocytderiverede makrofager, der udtrykker et højere niveau (CD45high ) i forbindelse med patologiske tilstande i centralnervesystemet [19]. Markører til visualisering af humane mikroglia inkluderer EBM11, ricinus communis agglutinin (RCA)-1 [20] og LN-3 [21]. Mikroglia er også kilde til membranbundne og humorale effektormolekyler, herunder proinflammatoriske cytokiner såsom interleukin (IL)-1β , IL-18 og tumornekrosefaktor (TNF)-α samt det antiinflammatoriske cytokin transformerende vækstfaktor (TGF)-β og potentielt cytotoksiske molekyler som reaktive oxygenmolekyler, proteaser og nitrogenoxid (NO) [22]. Selv efter betydelige traumer fortager den reaktive mikrogliose sig i løbet af en månedstid og er i princippet en selvbegrænsende proces [15].

Hvorvidt den reaktive mikrogliose med deraf følgende produktion af inflammatoriske og anti-inflammatoriske mediatorer har neurotoksisk eller neuroprotektiv effekt er stadig omdiskuteret. En del data tyder dog på at IL-1β kan have direkte neurotoksisk effekt, mens TNF-α 's rolle synes at kunne være neurotoksisk såvel som neuroprotektiv, afhængig af forholdene omkring det givne traume. TGF-β derimod synes overvejende at være neuroprotektiv [22]. I denne forbindelse er det interessant, at tetracyklinderivatet minocyklin kan mindske infarktstørrelsen i en eksperimentel iskæmimodel hos rotter, samtidig med at den iskæmiinducerede aktivering af mikroglia, der normalt observeres, ikke forekommer [23]. Dette indikerer, at den reaktive mikrogliose, der normalt ses ved iskæmiske læsioner, faktisk er neurotoksisk.

Man ved kun lidt om hvilende mikroglias funktion. Imidlertid indikerer ny viden, at mikroglia har en vigtig rolle i fagocytosen af apoptotiske neuroner i centralnervesystemet via den innate immunreceptor triggering receptor expressed on myeloid cells-2 (TREM2). TREM2 udtrykkes af mikroglia og defekter i TREM2 resulterer i sygdommen polycystisk lipomembranøs osteodysplasi med skleroserende leukoencephalopati (Nasu-Hakola sygdom), der klinisk bl.a. kommer til udtryk som præsenil demens [24]. Desuden er der evidens for at mikroglia holdes deaktiverede gennem direkte celle-celle-kontakt til nervecellerne og andre gliaceller, hvori bl.a. overflademolekylerne CD200 og CD200R indgår [25]. Viden om, hvilke signaler der rent faktisk aktiverer mikroglia, er ligeledes sparsom. Humorale faktorer såsom cytokiner, kolonistimulerende faktorer og kemokiner såvel som direkte celle-celle-kontakt, menes at være impliceret, men også nukleotidet adenosintrifosfat (ATP) og høj ekstracellulær kaliumkoncentration er blevet foreslået som mulige aktiveringsmekanismer [ 15, 26].

Mikroglia og hjernens immunologiske privilegium

Centralnervesystemet har traditionelt været anset for at være et organ med en relativt privilegeret immunologisk status [27], hvilket ud over fravær af konventionelle lymfekar, tilstedeværelse af blod-hjerne-barrieren, konstitutiv ekspression af Fas-ligand (FasL) [28] også er blevet tilskrevet den ringe ekspression af MHC-antigener generelt og specifikt manglen på dendritiske celler i normalt hjernevæv [29]. Mikroglia har dog multiple karakteristika, der peger på dem som centralnervesystemets immuneffektorceller [15]. Hertil hører ekspressionen af MHC-antigener og kostimulerende molekyler som B7.1 og B7.2 og den hertil hørende evne til antigenpræsentation, som dog er mindre udtalt end for de perivaskulære celler eller dendritiske celler i andre organer. Hertil kommer deres umiddelbare antigenfælleskab med og evne til produktion af immuneffektormolekyler i lighed med makrofager andre steder i organismen [30, 31]. Sammenholdt med observationen af, at aktiverede T-celler trænger over blod-hjerne-barrieren uanset antigenspecificitet som en del af deres immunpatruljering af kroppens væv og organer, understreger disse observationer, at centralnervesystemets immunprivilegerede status ikke er absolut.

Mikroglia i patologi, diagnostik og terapi

Mikroglias antigenpræsenterende egenskaber antages at spille en vigtig rolle i sygdommen dissemineret sklerose (DS), hvor det i in vitro-studier er fundet, at mikroglia som et led i den inflammatoriske proces kan præsentere myelinantigener og andre antigener til autoreaktive T-celler [32]. Dette vil in vivo kunne føre til en circulus vitiosus med øget T-celle-aktivering, mikrogliaaktivering og cytokin- og kemokinproduktion, der bidrager til yderligere rekruttering af inflammatoriske celler og til produktion af inflammatoriske mediatorer, herunder TNF-α , frie iltradikaler og NO med toksisk effekt på oligodendrocytter, myelin og formodentlig nerveceller [32, 33]. DS er hos mennesker forsøgt behandlet med knoglemarvstransplantation under rationalet, at da DS antages at være en autoimmun sygdom, vil maksimal immunsuppression gennem myeloablativ behandling kunne dæmpe den autoimmune komponent og den efterfølgende knoglemarvstransplantation genoprette immunsystemet [34]. Sidstnævnte er interessant idet knoglemarvstransplantation ifølge nyere dyreeksperimentelle studier af helkropsbestrålede dyr også vil omfatte en gradvis udskiftning af centralnervesystemets mikrogliaceller [18].

I hiv-encefalitis inficerer hiv mikroglia, som er dette virus primære target-celle i centralnervesystemet. Hiv bindes til disse cellers CD4-receptorer og hertil hørende koreceptorer for eksempel kemokinreceptor (CCR)5 og CCR3 [35]. Makrofager fungerer som en trojansk hest ved infektion af centralnervesystemet med hiv, idet virus inficerer monocytter, som derefter vandrer ind i centralnervesystemet og derved bærer virus med sig. Disse celler kan da afgive virus, der så kan inficere mikroglia i parenkymet [36].

Ved Alzheimers sygdom ses en kronisk neuroinflammation, som i cortex manifesterer sig som en øgning i antallet af aktiverede mikroglia, som ses at danne klynger omkring aflejringerne af amyloid-β -proteinet i de neuritiske plaques [15, 37]. Inflammatoriske mediatorer såsom IL-1β , TNF-α , NO og glutamat produceres af aktiverede mikroglia i de neuritiske plaques, hvor amyloid-β -proteinet bidrager til aktiveringen af mikroglia. De inflammatoriske mediatorer er i dyreeksperimentelle modeller vist at bidrage til neuronal skade eller død [37]. Der synes at være en korrelation mellem forekomsten af amyloidaflejringerne og graden af mikrogliaaktivering, der således formodes at spille en rolle i Alzheimers sygdom [20, 37].

For nylig er aktiveringen af mikroglia in vivo blevet et værktøj, der kan anvendes i diagnostikken i form af positronemissionstomografi (PET) (Figur 5 ). Molekylet PK11195 binder til peripheral benzodiazepine binding site (PBBS), som er en alternativ benzodiazepinreceptor i forhold til den, der er knyttet til gamma-amino butyric acid (GABA)-regulerede kanaler. Der findes kun et meget lavt niveau af PBBS i det normale centralnervesystem. Receptoren opreguleres imidlertid på aktiverede mikroglia, som er den primære kilde til PK11195-binding in vivo. Det forhøjede niveau repræsenterer derved aktiveringen af mikroglia. Når PK11195 mærkes med kulstof-11-isotopen, kan molekylet bruges som PET-ligand, hvorved reaktiv mikrogliose kan visualiseres in vivo for eksempel ved Alzheimers sygdom [38].

I fremtiden ser det også ud til, at mikroglia med deres hæmatopoietiske oprindelse vil kunne få betydning i terapeutisk henseende. Nyligt publicerede resultater viser, at genetisk modificerede hæmatopoietiske stamceller transfekteret med arylsulfatase A (ARSA)-genet kan forhindre udviklingen af patologiske forandringer og neurologiske symptomer i en murin model for metakromatisk leukodystrofi [39]. Denne form for transplantation er også vist at være mulig på tværs af arter, da humane hæmatogene stamceller (både native og gentransducerede) transplanteret intravenøst ind i immundeficiente nonobese diabetic/severe combined immunodeficient (NOD/SCID)-mus ses at differentiere til mikroglia i hjernen [40].

Martin Wirenfeldt , Medicinsk Bioteknologisk Center, Syddansk Universitet, Winsløwparken 25, 2., DK-5000 Odense C. E-mail: mwnielsen@health.sdu.dk

Antaget: 14. oktober 2004

Interessekonflikter: Ingen angivet

Ovenstående artikel bygger på en større mængde litteratur. Yderligere oplysninger kan fås ved henvendelse til forfatterne.

1. Virchow R. Cellularpathologie in ihre Begründung auf physiologische und pathologische Gewebelehre. Berlin: A. Hirschwald, 1858.
2. Cajal SR. Contribución al conocímiento de la neuroglía del cerebro humano. Trab Lab Invest Biol 1913;11:255-315.
3. Del Río-Hortega P. El tercer elemento de los centros nerviosos. I. La microglía en estado normal. II. Intervenci