Properties and functions of glial cells in the developing and injured brains

Abstract

Emerging findings demonstrate that in the central nervous system, glial cells interact with neuronal networks and thereby modulate brain activities. In particular, microglia and astrocytes respond rapidly towards the environment with morphological and physiological changes. In two separate projects, the functions of invading microglia in the developing brain (Project 1) and properties of astrocytes in response to mild focal ischemia (Project 2) were investigated: Project 1: Microglia invade the brain during early stages of development and migrate along fiber tracts to their final destinations where they become resident. However, specific signals through which they communicate with the developing brain are yet largely unknown. The present study utilized ameboid microglia at the corpus callosum of postnatal mouse acute brain slices as a model for invading microglia. Their response towards GABAA receptor activities, which is essential for trophic actions of GABA in brain development, was studied. Whole cell patch-clamp experiments revealed that muscimol, a specific agonist for GABAA receptor, triggered a transient increase in K+ conductance in ameboid microglia. Such response was progressively lost in single cells lifted up from slice surface and was observed in cultured microglia only in close vicinity to brain slices suggesting that it was indirect. Muscimol also stimulated GABAA receptors on macroglia and neurons in postnatal brain leading to an elevation of extracellular K+ concentration ([K+]0). In addition, an experimental increase of [K+]0 mimicked muscimol-induced current response in microglia. These results indicated that invading microglia in early postnatal development sense GABAergic activities indirectly via sensing changes in [K+]0. This in turn stimulated the release of a chemokine, macrophage inflammatory protein-1 alpha, from microglia in vitro and from postnatal brain slices; while the release of a number of other cytokines, microglial chemotaxis and proliferation were not affected. Moreover, in adult brain slices, muscimol only led to a small increase in [K+]0 which failed to elicit current response in ramified microglia suggesting functional significance specific for the developing brain. Concurrently, motility and intracellular Ca2+ level of ameboid microglia were also enhanced upon GABAA receptor stimulation. Project 2: There is at present no consensus about the beneficial or detrimental roles of astrocytes in brain injuries. Using adult transgenic mice expressing enhanced green fluorescent protein under the glial fibrillary acidic protein (GFAP) promoter, astrocytes in the striatum were characterized before and after mild focal ischemia. In healthy striatum, two types of GFAP positive astrocytes with distinctive properties could be identified; 1) brightly fluorescent cells were characterized by bushy processes, passive membrane properties, glutamate transporter activity, and formed large gap junction coupling network; 2) weakly fluorescent cells generally had thin and clearly distinguishable processes, voltage-gated currents, complex current responses to kainate, and low coupling rate. While the brightly fluorescent cells have properties typical for classical astrocytes, the weakly fluorescent ones resemble a glial cell subtype recently described in the hippocampus. To investigate properties of these cell populations upon brain injury, short middle cerebral artery occlusion (MCAo) followed by reperfusion which leads to delayed neuronal cell death and astrogliosis in the striatum was used as a model for mild focal ischemia. In response to MCAo/reperfusion, brightly fluorescent cells became dominant over days within the ischemic lesion and the majority of these cells expressed voltage-gated channels and showed complex responses to kainate. Interestingly, they had high coupling rate which even exceeded that of control brightly fluorescent cells. Conversely, a minority of cells found after ischemia had passive membrane properties and decreased coupling rate. Taken together, findings from these projects demonstrated properties of glial cells in the developing and injured brains suggesting possible functional significance. Invading microglia, although they did not express functional GABAA receptor subtype, could sense GABAergic activities in neighboring cells of the developing brain via [K+]0 increase. This modulated microglial properties which may contribute to white matter development. Striatal astrocytes, on the other hand, underwent distinct pathophysiological changes after ischemic insults and constituted a novel physiological phenotype which formed large syncytium. The delayed and long-lasting effects suggested possible neuroprotective functions of these reactive astrocytes.

Jüngere Forschungsergebnisse zeigen, dass Gliazellen eine wichtige Rolle im Zentralnervensystem spielen, die darin besteht, dass sie mit neuronalen Netzwerken interagieren und somit Hirntätigkeiten modulieren. Besonders Mikroglia und Astrozyten reagieren unmittelbar mit aktiver Änderung ihrer Zellmorphologie und – physiologie auf Reize ihrer Umgebung. Somit wurde in zwei getrennten Projekten die Funktionen einwandernder Mikroglia im sich entwickelnden Gehirn (Projekt 1) sowie die Eigenschaften von Astrozyten als Reaktion auf Fokale Ischämie (Projekt 2) untersucht: Projekt 1: Mikroglia dringen während früher Entwicklungsstadien in das Gehirn ein und wandern entlang von Fasertrakten zu ihrem Zielort, an dem sie in die ruhende Form übergehen. Dennoch sind die Signale, durch die sie mit dem sich entwickelnden Gehirn kommunizieren, noch immer weitgehend unbekannt. Die hier vorgelegte Studie nutzte amöboide Mikroglia aus dem Corpus callosum akuter Hirnschnitte aus postnatalen Mäusen als ein Modell für einwandernde Mikroglia. Es wurde deren Reaktion auf GABAA Rezeptoraktivität, welche essentiell für die trophische Wirkung von GABA während der Hirnentwicklung ist, untersucht. Whole cell patch clamp Experimente erbrachten den Beweis, dass Muscimol, ein spezifischer GABAA Rezeptor-Agonist, eine transiente Erhöhung der Kaliumleitfähigkeit in amöboiden Mikrogliazellen erzeugt. Diese Reaktion verschwandt sukzessive als einzelne Mikroglia über die Schnittoberfläche angehoben wurden. Ebenso war die Reaktion in Kultur nur in unmittelbarer Nähe zu einem Hirnschnitt zu beobachten, was auf einen indirekten Effekt schließen lässt. Muscimol aktivierte im postnatalen Gehirn GABAA Rezeptoren auf benachbarten Makroglia sowie auf Neuronen, was zu einer Erhöhung der extrazellulären Kaliumkonzentration ([K+]O) führte. Zusätzlich konnte eine experimentelle [K+]O Erhöhung den Effekt von Muscimol imitieren. Diese Ergebnisse zeigten, dass eindringende Mikroglia während der frühen postnatalen Entwicklung GABAerge Aktivität indirekt durch Änderungen der [K+]O detektieren. Dies wiederum stimulierte die Freisetzung eines Chemokins namens macrophage inflammatory protein-1 alpha sowohl aus postnatalen Hirnschnitten als auch aus Mikrogliazellen in Kultur; die Freisetzung anderer Zytokine, die mikrogliale Chemotaxis sowie Proliferation wurden nicht beeinflusst. Des weiteren führte Muscimol in Hirnschnitten von adulten Mäusen nur zu einem geringen Anstieg der [K+]O, welcher nicht in der Lage war, eine Stromantwort in ramifizierten Mikroglia hervorzurufen. Dies legt eine funktionelle Signifikanz spezifisch für das sich entwickelnde Gehirn nahe. Gleichzeitig führte die GABAA Rezeptor Stimulation zu einer Erhöhung der Motilität und der intrazellulären Kalziumkonzentrationen amöboider Mikroglia. Projekt 2: Derzeit besteht keine Einigkeit bezüglich der förderlichen oder schädlichen Rolle von Astrozyten bei Hirnverletzungen. Unter Zuhilfenahme adulter transgener Mäuse, die das enhanced green fluorescence protein (EGFP) unter dem Promotor von glial fibrillary acidic protein (GFAP) exprimieren, wurden Populationen von Astrozyten im Striatum vor und nach Fokaler Ischämie untersucht. In akuten Schnitten, die aus gesunden Hirnen gewonnen wurden, konnten zwei Typen von GFAP-positiven Astrozyten im Striatum ausgemacht werden. 1) Hell fluoreszierende Zellen, charakterisiert durch buschige Fortsätze, passive Membraneigenschaften, Glutamattransporter-Aktivität und Kopplung durch Gap Junction Netzwerke. 2) Schwach fluoreszierende Zellen mit dünnen und klar zu identifizierenden Fortsätzen, spannungsaktivierten Strömen, einer komplexen Stromantwort auf Kainat und einer geringen Kopplungsrate. Während die hell fluoreszierenden Zellen Charakteristika klassischer Astrozyten zeigten, hatten die schwach fluoreszierenden Zellen Ähnlichkeit mit einem kürzlich im Hippocampus beschriebenen astrozytären Subtyp. Um die Eigenschaften dieser Zellpopulationen in Reaktion auf Hirnverletzungen zu untersuchen, wurden kurze Okklusionen der mittleren zerebralen Arterie (MCAo), gefolgt von Reperfusion, durchgeführt. Dies führte zu verzögerten neuronalen Zelltod und Astrogliose im Striatum und diente als Modell für Fokale Ischämie. Als Antwort auf MCAo/Reperfusion zeigte sich, dass stark fluoreszierende Zellen im Laufe mehrerer Tage dominant im Bereich der ischämischen Läsion wurden. Die Mehrheit dieser Zellen exprimierte spannungsaktivierte Kanäle und zeigte komplexe Antworten auf Kainat. Interessanterweise zeigten diese Zellen eine höhere Kopplungsrate als Kontrollzellen mit starker Fluoreszenz. Eine Minderheit der Zellen hingegen zeigte passive Membraneigenschaften und wies im Vergleich zu passiven Kontrollzellen eine verminderte Kopplungsrate auf. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse aus dieser Studie Eigenschaften von Gliazellen im sich entwickelnden und verletzten adulten Gehirn, die eine funktionelle Signifikanz nahelegen. Einwandernde Mikroglia können GABAerge Aktivitäten in benachbarten Zellen des sich entwickelnden Gehirns teilweise detektieren obwohl sie keine funktionellen GABAA Rezeptoren exprimieren. Dies findet durch eine Erhöhung der [K+]O statt, welche die mikroglialen Eigenschaften moduliert, was möglicherweise zur Entwicklung der weißen Substanz beiträgt. Andererseits unterlagen striatale Astrozyten verschiedenen pathophysiologischen Änderungen nach einer Ischämie und stellten einen neuen physiologischen Phänotyp dar, der ein großes Synzytium bildete. Der verzögerte und lang anhaltende Effekt legt eine mögliche neuroprotektive Funktion reaktiver Astrozyten nahe.