Microglial phagocytosis and purinergic signaling in Alzheimer’s disease

Abstract

Microglia, the primary immune cells of the central nervous system, interact through multiple physiological functions with processes in the healthy as well as diseased brain parenchyma. As a cellular link between the immune system and the central nervous system, microglia monitor their environment by using their ramified processes to eventually eliminate harmful exogenous and endogenous waste, pathogens or cell debris through phagocytosis. In the neurodegenerative Alzheimer's disease, microglia change the activation status from a ramified to an amoeboid-activated phenotype and accumulate around amyloid beta plaques. Recent studies show a physiological change in the microglial functions in the Alzheimer mouse model, which manifests itself in the reduction of microglial phagocytosis. Our research presents a link between diminished microglial phagocytosis activity in an Alzheimer mouse model and disruption of purinergic microglial receptor signaling. The measurement of phagocytosis activity by particle uptake after P2Y6 purinergic receptor activation could be stimulated in young 3- to 4-month old healthy control animals as well as in 5xFAD-transgenic Alzheimer's animals, a mouse model of amyloid-beta-plaque deposition. However, this P2Y6R-mediated potentiation of phagocytic activity is reduced in plaque-associated microglia of older 9 to 11-month-old 5xFAD mice. This impairment of phagocytosis activation by the P2Y6-mediated purinergic signaling pathways is thus not congenital and only develops in later stages of amyloidosis of the 5xFAD Alzheimer mouse model. Furthermore, we show that uridine diphosphate, a P2Y6 receptor ligand, induces electrophysiological microglia membrane currents that are altered in response and amplitude in microglia in close regional association with plaques, but not in plaque-free regions of 5xFAD animals. These changes were accompanied by changes in membrane properties and potassium channel activity of plaque-associated microglia in early and late stages of amyloidosis. Thus, our research results show both a change in the phagocytic activity and the electrophysiological properties of the plaque-associated microglia of the 5xFAD Alzheimer mouse in the context of purinergic signaling.

Mikroglia, die primären Immunzellen des zentralen Nervensystems, interagieren durch vielfache physiologische Funktionen mit Abläufen im gesunden als auch erkrankten Hirnparenchyma. Als zelluläres Bindestück zwischen dem Immunsystem und dem zentralen Nervensystem überwachen Mikroglia mit Hilfe von ramifizierten Fortsätzen ihre Umgebung, um gegebenenfalls schädliche exogene als auch endogene Abfallstoffe, Pathogene oder Zelltrümmer durch Phagozytose zu beseitigen. In der neurodegenerativen Alzheimer-Erkrankung verändern Mikroglia ihre Morphologie von einem ramifizierten zu einem amoeboiden Phänotyp und akkumulieren in der unmittelbaren Nähe von Amyloid-beta-Plaques. Aktuelle Studien zeigen physiologische Veränderungen der Mikroglia im Alzheimer Mausmodell auf, welche sich unter anderem in der Reduzierung ihrer Phagozytoseaktivität manifestiert. Unsere Forschungsergebnisse präsentieren einen Zusammenhang der verminderten Mikroglia-Phagozytoseaktivität im Alzheimer Mausmodell mit einer Störung der purinergen Mikroglia Rezeptor-Signalgebung. Die Messung der Phagozytoseaktivität von Plaque-assoziierten Mikroglia mittels Partikelaufnahme nach purinerger P2Y6-Rezeptor-Aktivierung konnte in jungen 3 bis 4 Monaten alten gesunden Kontrolltieren als auch in 5xFAD-transgenen Alzheimer Tieren, einem Mausmodell der Amyloid-beta-Plaque Ablagerung, stimuliert werden. Diese P2Y6R-vermittelte Potenzierung der Phagozytoseaktivität ist jedoch in Plaque-assoziierten Mikroglia von älteren 9 bis 11 Monaten alten 5xFAD Mäusen deutlich reduziert. Diese Beeinträchtigung der Phagozytoseaktivierung durch die P2Y6-vermittelten purinergen Signalwege ist also nicht angeboren und entwickelt sich erst in späteren Stadien der Amyloidose des 5xFAD Alzheimer Mausmodells. Des Weiteren führten wir elektrophysiologische Messungen durch. Uridindiphosphat (UDP), ein P2Y6-Rezeptor Ligand, der normalerweise Kalium-selektive Membran¬ströme in Mikroglia induziert, hatte hierbei sehr geringe Auswirkungen auf Mikrogliazellen in enger regionaler Assoziation zu Plaques, nicht aber in plaque-freien Bereichen von 5xFAD-Tieren. Die Membraneigenschaften von Plaque-assoziierten Mikroglia waren ebenfalls verändert, und zwar in frühen und späten Stadien der Amyloidose. Unsere Forschungsergebnisse zeigen also sowohl eine Veränderung der Phagozytoseaktivität als auch der elektrophysiologischen Eigenschaften der Plaque-assoziierten Mikroglia im 5xFAD Alzheimer Mausmodell im Kontext der purinergen Signalgebung auf.