Neurotransmitters/-hormones have recently been identified as factors controlling the function of microglia, the immune cells of the central nervous system. In this study we compared the responsiveness of microglia to neurotransmitters/-hormones; we freshly isolated microglia from healthy adult mice and those from murine models of stroke (MCAo), multiple sclerosis (EAE), glioma and Alzheimer’s disease. Using calcium imaging, we found that only a small fraction (1 - 20 %) of microglia isolated from control mice responded to the application of endothelin, histamine, substance P, serotonin, galanin, somatostatin, angiotensin II, vasopressin, neurotensin, dopamine, nicotine and carbachol. The population of angiotensin II- and endothelin-sensitive cells was increased in microglia freshly isolated from stroke, EAE and glioma, while some populations increased in only defined disease models. In cultured microglia from neonatal and adult mice, a similarly small population of cells responded to these neurotransmitters/-hormones. To induce activation into a pro-inflammatory phenotype, we applied LPS or IFN-γ to the cultures for 24 h. Several of the responding populations increased, but there was no uniform pattern when comparing adult with neonatal microglia or LPS with IFN-γ treatment. IL-4 as an anti-inflammatory substance increased the histamine, substance P and somatostatin sensitive populations only in microglia from adult, but not in neonatal cells. We also found that the expression of different receptors was not strongly correlated indicating that there are many different populations of microglia with a distinct set of receptors. We also carried out a more detailed investigation on the expression and function of muscarinic acetylcholine receptors on microglia. Microglia isolated from a mouse model of stroke had a significantly higher carbachol-sensitive population compared to those from healthy mice, where the sensitive population increased from 16% to 60%. Microglia isolated from APPPS1 mice, a mouse model of Alzheimer’s disease, also had a significantly higher population of carbachol-sensitive cells (25%). Treatment of neonatal and adult cultured microglia with IFN- γ also significantly increased the carbachol-sensitive population to 62 and 63% respectively. Treatment of neonatal microglia with IFN- γ was sensitive to blockers of protein synthesis. Functional assays demonstrated that carbachol was a chemoattractant for microglia and decreased their phagocytic activity. Quantitative PCR showed that IFN- γ treatment resulted in an increase in the expression of the calcium linked M3 receptor in both adult and neonatal cultures. Our results indicate that microglial cells are a heterogeneous population with respect to their sensitivity to neurotransmitters/-hormones and that they are more sensitive in pathology and in defined activation states.
Neue Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass Neurotransmitter/-hormone das Verhalten von Mikroglia beeinflussen. In dieser Studie untersuchten wir das Verhalten von frisch isolierten Mikroglia von gesunden adulten Mäusen, sowie pathologischen Mäusen wie Schlaganfall (MCAo), Multiple Sklerose (EAE), Gliom und Alzheimer, unter dem Einfluss verschiedener Neurotransmitter/-hormone. Wir konnten in gesunden adulten Mäuseneine Subpopulation von 1 – 20 % aller Mikroglia identifizieren, welche auf die Stimulation mit Endothelin, Histamin, Substanz P, Serotonin, Galanin, Somatostatin, Angiotensin II, Vasopressin, Neurotensin, Dopamine, Nicotin und Carbachol mit einem Anstieg von intrazellulärem Kalzium reagierte. Die Subpopulation von Angiotensin II- und Endothelin-sensitiven Zellen vergrößerte sich in mehreren Pathologiemodellen (Schlaganfall, Multiple Sklerose und Gliom), wohingegen sich andere Subpopulation nur in einzelnen Pathologien wesentlich vergrößerten. Die Resultate von den frisch isolierten gesunden adulten Mäusen ließen sich in kultivierten neonatelen und adulten Mikroglia wiederholen. Des Weiteren untersuchten wir die Reaktion von Mikrogliaproinflammatorischpolarisiertem Phänotyps auf jene Neurotransmitter/-hormone. Sowohl die Stimulation von LPS als auch IFN-γ für 24 Stunden vergrößerte mehrere Subpopulationen. Im Vergleich von LPS und IFN-γ stimulierten, wie auch im Vergleich von adulten und neonatalen Mikroglia konnten wir jedoch kein einheitliches Muster erkennen. Die Polarisation in einen anti-inflammatorischen Phänotyp durch Stimulation mit IL-4 vergrößerte die Population jener Zellen welche sensitiv auf Histamin, Substanz-P und Somatostatin reagierten, in adulten jedoch nicht in neonatalen kultivierten Mikroglia. Die Analyse der Expression der einzelnen Rezeptoren ergab ein relativ heterogenes Muster, was auf differenzierte Mikrogliasubpopulation schließen lässt, jede mit einem unterschiedlichen Repertoire an Rezeptoren. In einem zweiten Schritt unserer Studie untersuchten wir die Expression und Funktion der muskarinischenAcetylcholinrezeptoren auf Mikroglia. Im Vergleich zur gesunden Maus erhöhte sich die Carbachol sensitive Mikrogliasubpopulation signifikant um 16 – 60% und im Alzheimer modell APPPS1 signifikant um 25%. Den gleichen Effekt erreichten wir nach der Stimulation von kultivierten neonatalen und adulten Mirkogliazellen mit IFN-γ, wobei die Carbachol sensitive Mikrogliasubpopulation um 63%, bzw. 62% zunahm. In kultivierten neonatalen Mikroglia konnte die Auswirkung der Stimulation mit IFN-γ durch Unterbinden der Proteinsynthese verhindert werden. In weiteren Untersuchungen konnten wir nachweisen, dass Carbachol sowohl als Chemoattractant wirkt, als auch die Phagozytoseaktivität hemmt. Mit der quantitativen PCR konnten wir zeigen, dass die Stimulation mit IFN-γ sowohl in kultivierten Mikroglianeonatalen als auch adulten Ursprungs die Expression vom „calciumlinked M3 receptor“ erhöht. Die Ergebnisse unserer Studie deuten auf eine sehr heterogene Mikrogliapopulation hin, in der sich die Subpopulationen in ihren Reaktionen auf Neurotransmitter/-hormoneunterscheiden. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass Mikroglia unter pathologischen Bedingung eine erhöhte Sensibilität ausweisen.
