При БАС микроглия может уничтожать ещё живые двигательные нейроны

Исследование на мышах показало, как система уборки погибающих клеток может ускорять потерю нейронов

Боковой амиотрофический склероз (БАС, ALS) разрушает двигательные нейроны — клетки, через которые мозг и спинной мозг управляют мышцами. По мере их утраты человеку становится всё труднее двигаться, говорить, глотать, а на поздних стадиях — дышать.

Но гибель нейрона может быть не только пассивным финалом уже необратимо повреждённой клетки.

Исследователи из Salk Institute, Boston Children’s Hospital и других научных центров обнаружили в мышиной модели БАС механизм, при котором иммунные клетки центральной нервной системы — микроглия — способны поглощать двигательные нейроны, ещё не демонстрирующие признаков апоптоза.

Ключевой вопрос исследования поэтому звучит необычно: может ли система, предназначенная для безопасной уборки погибающих клеток, сама становиться одним из факторов гибели нейронов?

Микроглия — не просто иммунная охрана мозга

Микроглия — специализированные иммунные клетки головного и спинного мозга. Среди их функций есть фагоцитоз: они обнаруживают ненужный или повреждённый клеточный материал, поглощают его и перерабатывают.

Для организма это жизненно важная система уборки.

Одним из механизмов распознавания клеток, которые следует удалить, служат рецепторы семейства TAM. В него входят Tyro3, Axl и Mer. Для микроглии особенно важны Axl и Mer.

В нормальных условиях эта система помогает распознавать погибающие клетки. Но исследователи предположили, что при БАС она может работать иначе.

Повод для такого предположения был серьёзным. В посмертных образцах поясничного отдела спинного мозга шести пациентов со спорадическим БАС исследователи обнаружили повышенное содержание TAM-рецепторов в микроглии по сравнению с тремя контрольными образцами. Уровень MER был примерно втрое выше, а AXL — примерно в 16 раз.

Это ещё не доказывает, что TAM-система убивает человеческие нейроны. Но показывает, что она действительно активно вовлечена в патологический процесс при БАС.

Как живая клетка получает сигнал «съесть меня»

Здесь начинается самая интересная часть работы.

Клеточная мембрана состоит из двух слоёв липидов. Один из них — фосфатидилсерин — у здоровой клетки в основном спрятан на внутренней стороне мембраны.

Когда клетка погибает, фосфатидилсерин появляется на её внешней поверхности. Для иммунной системы это один из наиболее универсальных сигналов: эту клетку пора убрать.

Проще говоря, клетка вывешивает табличку «съесть меня».

TAM-рецепторы участвуют в считывании этой метки. Белки-посредники, включая Gas6, связывают фосфатидилсерин с TAM-рецепторами фагоцитирующей клетки, помогая запустить поглощение мишени.

Исследователи обнаружили фосфатидилсерин на поверхности двигательных нейронов в спинном мозге мышей SOD1G93A — одной из наиболее изученных моделей БАС.

Однако произошло нечто принципиально важное: большинство этих нейронов не имели маркера активированного каспаза-3, характерного для апоптоза.

То есть клетки демонстрировали «съешь меня», хотя ещё не находились в классической стадии программируемой клеточной смерти.

Ключевой поворот — повреждённый нейрон ещё не обязательно мёртв

Именно здесь исследование меняет привычную последовательность событий.

Можно представить простой сценарий: нейрон погибает из-за болезни, после чего микроглия приходит и убирает остатки.

Полученные данные допускают другую последовательность.

Сначала больной нейрон испытывает сильный клеточный стресс. Нарушение кальциевого баланса и чрезмерная электрическая активность способны перемещать фосфатидилсерин на наружную поверхность мембраны. Нейрон всё ещё жив, но с точки зрения системы распознавания начинает выглядеть как клетка, предназначенная для удаления.

Микроглия видит эту метку через TAM-систему.

И клеточная «уборка» потенциально превращается в механизм уничтожения ещё жизнеспособного нейрона.

Авторы обнаружили непосредственное подтверждение того, что нейрональный материал оказывается внутри микроглии: в её лизосомах — внутриклеточных структурах, где переваривается поглощённый материал, — находились остатки холинергических нейронов.

В мышах с отключёнными Axl и Mertk количество такого материала внутри микроглиальных лизосом уменьшилось примерно в десять раз.

Это один из наиболее сильных результатов исследования.

Что произошло, когда микроглии отключили Axl и Mer

Чтобы проверить, действительно ли TAM-система влияет на развитие заболевания, исследователи генетически удалили Axl и Mertk у мышей SOD1G93A.

Результат оказался парадоксальным.

Первые симптомы у таких животных возникали раньше. Это неудивительно: Axl и Mer выполняют множество важных функций в иммунной системе, и их полное отсутствие само по себе вызывает серьёзные нарушения.

Но затем произошло обратное.

Мыши без Axl и Mer достигали конечной стадии заболевания в среднем примерно на три недели позже обычных SOD1G93A-мышей.

На 160-й день у них сохранялось примерно втрое больше двигательных нейронов в поясничном отделе спинного мозга.

Сохранялась и связь этих нейронов с мышцами.

В четырёхглавой мышце у обычных SOD1G93A-мышей к этому времени около 90% исследованных нервно-мышечных соединений были полностью денервированы. После удаления Axl и Mer около 45% соединений оставались полноценными. В другой исследованной мышце — длинном разгибателе пальцев — полноценными оставались примерно 35% соединений против примерно 10% у обычных SOD1G93A-мышей.

Диаметр мышечных волокон четырёхглавой мышцы также был значительно лучше сохранён.

Получилась последовательная картина: меньше активности TAM-системы — меньше поглощённого нейронального материала — больше сохранившихся двигательных нейронов — больше работающих нервно-мышечных соединений — более поздняя конечная стадия заболевания.

А если проблема была не в микроглии?

Это важный вопрос, потому что Axl и Mer работают далеко не только в ней.

Поэтому авторы провели дополнительный эксперимент: отключили эти рецепторы преимущественно в клетках, экспрессирующих Cx3cr1, прежде всего в микроглии взрослых животных.

Результат оказался сходным.

У животных сохранялось больше двигательных нейронов и нервно-мышечных соединений, а достижение конечной стадии заболевания откладывалось.

Это существенно усиливает аргумент в пользу того, что наблюдаемый эффект действительно связан с микроглией, а не просто с системными последствиями отсутствия TAM-рецепторов во всём организме.

Почему иммунная система вообще уничтожает живые нейроны

На первый взгляд это выглядит как ошибка организма. Но биологически ситуация сложнее.

Повреждённый нейрон может быть настолько неблагополучным, что его удаление оказывается защитным механизмом. Организм постоянно принимает подобные решения: сохранить клетку или устранить её ради целостности ткани.

Проблема при нейродегенеративном заболевании состоит в цене такого решения.

Двигательный нейрон образует соединения с мышечными волокнами. Когда клетка исчезает, исчезает и возможность управлять соответствующими мышцами.

Поэтому механизм, который в другом контексте защищает ткань от повреждённых клеток, здесь потенциально способен ускорять функциональные потери.

Авторы предлагают рассматривать внешний фосфатидилсерин в патологической ситуации уже не только как «eat-me» — «съешь меня», но фактически как «kill-me» — «уничтожь меня» — для больной, но ещё живой клетки.

Это ещё не доказательство механизма БАС у человека

Ограничение исследования принципиально важно.

Основные причинные эксперименты проведены на мышах SOD1G93A. Эта модель несёт мутантный человеческий SOD1 и широко используется для изучения БАС, но она не воспроизводит всё разнообразие заболевания у людей.

Более того, используемые животные очень сильно сверхэкспрессируют мутантный SOD1. Сами авторы прямо отмечают, что это может создавать патологические эффекты, ограничивающие способность модели предсказывать результаты у пациентов.

Человеческая часть исследования также невелика: образцы спинного мозга шести пациентов с БАС сравнивали с тремя контрольными образцами. В них действительно обнаружили выраженную активацию компонентов TAM-системы, однако эксперимента, показывающего поедание живых человеческих двигательных нейронов микроглией, работа не содержит.

Есть ещё одно ограничение: исследователи не наблюдали в реальном времени, как микроглия поглощает живой двигательный нейрон непосредственно в спинном мозге мыши.

Поэтому наиболее точная формулировка результата такова: совокупность данных поддерживает гипотезу, что TAM-зависимый фагоцитоз микроглией способствует гибели ещё живых двигательных нейронов в этой мышиной модели БАС.

Почему нельзя просто заблокировать TAM-рецепторы

После такого результата возникает очевидная идея: если Axl и Mer помогают уничтожать нейроны, почему не заблокировать их лекарством?

Авторы предостерегают именно от такого вывода.

TAM-система выполняет фундаментальные функции во многих тканях. Она участвует не только в удалении клеток, но и в регулировании врождённого иммунного ответа. Мыши с системным отсутствием Axl и Mer сами имеют выраженные иммунные и другие нарушения.

Кроме того, блокирование фагоцитоза не устраняет причину, из-за которой двигательный нейрон первоначально оказался повреждён и выставил фосфатидилсерин наружу.

Это принципиальное различие.

Исследование выявляет потенциальный механизм ускорения болезни, но не утверждает, что TAM-система является первопричиной БАС.

Поэтому будущая терапевтическая задача может оказаться намного тоньше: не просто выключить клеточную уборку, а понять, когда и почему микроглия начинает воспринимать ещё жизнеспособный нейрон как мишень.

Один механизм может работать в противоположных направлениях

У открытия есть ещё один неожиданный аспект.

Если TAM-систему можно заставить поглощать живую клетку, то в одних заболеваниях это может быть вредно, а в других — полезно.

Авторы обращают внимание на экспериментальные работы, где этот принцип уже пытаются использовать намеренно. Инженерные белки направляли TAM-зависимый фагоцитоз против определённых живых клеток: B-лимфоцитов в модели аутоиммунного заболевания и опухолевых клеток в модели меланомы у мышей.

Получается необычная биологическая симметрия.

При нейродегенерации задача может состоять в том, чтобы не позволить иммунной системе преждевременно уничтожать повреждённые нейроны. При раке или аутоиммунном заболевании — наоборот, научиться точно указывать ей, какие живые клетки следует удалить.

И всё это использует один фундаментальный механизм клеточного распознавания.

Что теперь предстоит выяснить

Главный вопрос — насколько обнаруженный механизм применим к человеческому БАС.

Необходимо установить, происходит ли TAM-зависимое поглощение ещё живых двигательных нейронов при разных формах заболевания, а не только в модели с мутантным SOD1.

Также важно увидеть сам процесс в реальном времени и определить, можно ли вмешаться в него достаточно избирательно, чтобы сохранить нейроны, не нарушая жизненно важные функции микроглии.

И наконец, остаётся самый трудный вопрос: действительно ли сохранённый повреждённый нейрон способен достаточно долго оставаться функциональным, чтобы такое вмешательство принесло клиническую пользу.

Пока ответов на эти вопросы нет.