Роль микроглиальной аутофагии при болезни Паркинсона



Болезнь Паркинсона (БП) — второе по распространенности нейродегенеративное заболевание. Исследования показали, что аномальное накопление α-синуклеина (α-Syn) в клетках черной субстанции среднего мозга является специфической патологической характеристикой БП. Аномальное накопление α-Syn при БП вызывает активацию микроглии. Иммунные клетки микроглии центральной нервной системы участвуют в функционировании и регуляции воспаления при БП посредством аутофагии. На сегодняшний день аутофагальная активность микроглии в патофизиологии БП является актуальным предметом исследований. В данной статье описываются пути микроглиальной аутофагии, исследуются факторы микроглиальной аутофагии, способствующие регуляции механизмов воздействия на течение БП и раскрывается потенциал микроглиальной аутофагии как терапевтической мишени для лечения БП.

Ключевые слова: болезнь Паркинсона, микроглия, микроглиальная аутофагия, микроглиальный фагоцитоз, нейровоспаление.

Parkinson's disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease. Studies have shown that abnormal accumulation of α-synuclein (α-Syn) in midbrain substantia nigra cells is a specific pathological feature of PD. Abnormal α-Syn accumulation in PD causes microglia activation. Immune microglia cells of the central nervous system are involved in the functioning and regulation of inflammation in PD through autophagy. To date, autophagic activity of microglia in the pathophysiology of PD has been a current subject of research. This article describes microglial autophagy pathways, explores microglial autophagy factors contributing to the regulation mechanisms of PD course and reveals the potential of microglial autophagy as a therapeutic target for PD treatment.

Keywords: Parkinson's disease, microglia, microglial autophagy, microglial phagocytosis, neuroinflammation.

Введение

Болезнь Паркинсона (БП) характеризуется тремором покоя, моторной брадикинезией, ригидностью мышц и постуральной неустойчивостью, а также немоторными симптомами [1]. Из-за множественной этиологии и тяжести протекания заболевания в настоящее время научное сообщество патофизиологов проявляет больший интерес к БП.

В здоровом организме гомеостаз центральной нервной системы (ЦНС) зависит от синхронизированного метаболизма клеток нервной ткани. Однако в ЦНС пациентов с БП происходит аберрантное накопление α-синуклеина (α-Syn), и каскадный эффект постепенного повреждения нейронов, нарушающего соответствующий баланс, приводит к воспалению в ЦНС [2].

Аутофагия — это эволюционно консервативный путь деградации, который отвечает за разрушение и дальнейшее использование большинства внутрицитоплазматических белков и органелл. Аутофагия поддерживает гомеостаз, доставляя цитоплазматические материалы в лизосому для деградации [3]. Из-за нарушенной аутофагии неадекватно агрегированный α-Syn в ЦНС пациентов с БП не может быть разрушен и накапливается [4]. В целом, считается, что дисрегуляция аутофагии играет важную роль в аномальной агрегации α-Syn и обострении болезни Паркинсона.

Микроглия — это специфические для ЦНС иммунные клетки, которые играют в ЦНС иммунологическую роль, сравнимую с ролью тканевых макрофагов, взаимодействуют с нейронами и выполняют регуляторные задачи в ЦНС [5]. Недавние исследования показали, что микроглиальная аутофагия участвует в функционировании и регуляции воспаления в ЦНС [6]. Эти данные подразумевают, что дисрегуляция аутофагии в микроглии может влиять на деятельность врожденного иммунитета, включая фагоцитоз и воспаление, что, в свою очередь, способствует развитию заболеваний, связанных с нейровоспалением [7]. На сегодняшний день многие исследователи считают БП нейровоспалительным заболеванием, и роль микроглиальной аутофагии в патофизиологии БП является актуальным вопросом в этой области [8]. В данной статье мы представили роль микроглиальной аутофагии в патологическом механизме БП и попытались определить, может ли микроглиальная аутофагия быть потенциальной мишенью для терапевтического вмешательства.

Аутофагия в микроглии

Последние исследования показывают, что микроглия играет решающую роль в нейродегенеративных заболеваниях. Микроглия, как и макрофаги, может выполнять свои функции как в нормальных, так и в патологических условиях, а также осуществлять адаптивные реакции в условиях болезни [9]. Нарушения в функции микроглии во время фагоцитоза синапсов могут способствовать критической потере синапсов и нейродегенерации. Кроме того, микроглия играет важную роль в очистке апоптотических или некротических клеток и разрушении аберрантных белковых скоплений, таких как β-амилоид (Aβ) и агрегированный α-Syn [10]. В целом, микроглия использует фагоцитоз для участия в аутофагии в ЦНС, которая устраняет последствия воспалительной реакции в организме и поддерживает гомеостаз.

В целом микроглиальная аутофагия — это непосредственный перенос белковых агрегатов и поврежденных органелл в лизосомы, которая включает образование и деградацию аутофагосом. Биогенез аутофагосом инициируется либо химическими сигналами, вызывающими аутофагию, либо рецепторами аутофагии, связывающимися со своими мишенями. Зарождение мембраны происходит в определенных местах фагоцитов, которые затем расширяются и закрываются в аутофагосомы [11]. Аутофагосома переносит инкапсулированный материал в лизосому через слияние своей внешней мембраны с лизосомальной, образуя аутолизосому. Аутолизосомы разрушают аутофагический груз, а также внутреннюю мембрану аутофагосомы [12]. Аутофагический поток в первую очередь связан с интенсивностью индуцируемой аутофагии и скоростью переваривания агрегатов аутофагосом лизосомами, и в настоящее время считается, что дисрегуляция аутофагического потока является одним из основных факторов невропатологии Одним из ярких примеров является обнаружение в дофаминергических нейронах мисфолдированный α-Syn с дисфункциональными лизосомами, а скорость клиренса аутофагосом снижена [13], а также активация транскрипционного фактора EB (TFEB), стимулирующего функцию лизосом для очистки олигомеров α-Syn, оказывая тем самым нейропротекторное действие [14].

Микроглиальный фагоцитоз и аутофагия

На данный момент принято считать, что микроглия, клетки которой являются резидентными макрофагами мозга, организует воспалительный ответ мозга во время болезней [15]. Наиболее явным сходством, а также одновременно значимым функциональным сходством между микроглией и тканевыми макрофагами является их способность осуществлять фагоцитоз, который включает три основных этапа: распознавание, эндоцитоз и переваривание [16].

Механизм микроглиальной аутофагии

Как уже отмечалось, микроглиальные клетки осуществляют фагоцитоз путем распознавания аберрантных клеток или химических веществ в окружающей среде. В зависимости от способа фагоцитоза выделяют каноническую и неканоническую аутофагию, для микроглии же характерны оба варианта [17].

Каноническая аутофагия представляет собой последовательную сборку аутофагического механизма по схеме распознавание-фагоцитоз-переваривание. Микроглия фагоцитирует избыточные клеточные компоненты и доставляет их в лизосомы для завершения аутофагии. В процесс вовлечены киназные комплексы, активирующие аутофагию, в частности, комплексы фосфатидилинозитол-3-киназы класса III (PI3KC3) и набор эффекторных белков ATG9/PI3P. Так, было установлено, что использование субстрата для киназ–липополисахаридов (LPS), индуцирующих сверхэкспрессию микроРНК-Let7A в микроглии, приводящей к каскаду воспалительных процессов в ЦНС [18]. Помимо этого, в ряде экспериментов доказано, что возросшая экспрессия некоторых C-белков (Ccl5 и Cxcl10) p53-независимым образом в ходе микроглиальной аутофагии играет важную роль в контроле нейрогенеза и ограничении местных иммунных реакций в постнатальных нейрональных стволовых клетках неклеточно-автономным способом [19]

В отличие от канонической аутофагии, неканонические пути не требуют иерархического вклада всех белков ATG. Ряд неканонических аутофагических путей был идентифицирован в микроглии. Например, были обнаружены нейропротекторные функции микроглии в клиренсе α-Syn через опосредованную синуклеинфагию [20]. Также была выявлена роль микроглиальной сигнализации в регуляции диффузии тау-белка и токсичности поражения тау-белка [21]. Приведенные выше исследования показывают, что гибкость в регуляции фагоцитарной активности микроглии позволяет делать выводы о существовании разных подходов к решению проблем с воспалением нервной ткани.

Микроглиальная аутофагия и развитие нейровоспаления

Фагоцитирующая микроглия способствует аутофагии в ЦНС в основном из-за нейровоспаления. Исследования показали, что микроглия использует выросты клетки, чтобы коммуницировать с нейронами и другими глиальными клетками во время движения в зависимости от различных внутренних условий [22]. В физиологических условиях эта способность микроглии к двигательной коммуникации позволяет им действовать как ликвидаторам, регулировать баланс глии, удалять продукты метаболизма и регулировать нейрогенез [23]. При эндогенных или экзогенных патологических состояниях микроглия, подобно макрофагам, переходит из состояния покоя в «активированное» состояние, претерпевает морфологические изменения для выполнения фагоцитарной функции, вызывает воспалительный ответ и высвобождает различные провоспалительные цитокины. Таким образом, активированная микроглия в некоторой степени определяет судьбу других окружающих нервных клеток, поддерживает здоровое состояние тканевой среды и препятствует развитию таких патологий, как нейровоспаление [24]

Активированная микроглия часто может быть классифицирована как М1 или М2 клетки. Активация микроглии М1 называется классической активацией. Микроглия М1 цитотоксична для нейронов и других глиальных клеток, поскольку она вырабатывает большое количество клеточных медиаторов, таких как протеазы, провоспалительные цитокины и реактивные формы кислорода (ROS), которые приводят к провоспалительным реакциям [25]. Провоспалительные цитокины могут активировать микроглию М1 чтобы выделить провоспалительные факторы, такие как IL-1β, TNF-α, IL-6, оксид азота (NO) и протеазы, оказывающие негативное воздействие на нейродегенеративные заболевания [26]. В настоящее время считается, что степень активности микроглии M1 коррелирует с потерей дофаминергических нейронов на ранней стадии БП.

Микроглия М2 считается другим активным состоянием, которое способно участвовать в фагоцитозе клеточных остатков или поврежденных нейронов и высвобождать различные нейротрофические факторы и цитокины, оказывая тем самым противовоспалительное действие [27]. IL-4, IL-10, IL-13 и трансформирующий фактор роста-β могут активировать M2 микроглию для выделения различных цитокинов, таких как инсулиноподобный фактор роста 1 и фризл-рецептор [28], и эти цитокины могут быть вовлечены в нейрозащиту и регенерацию. Микроглии M1 и M2 могут превращаться друг в друга при определенных обстоятельствах, медиаторы воспаления, выделяемые микроглией M1, вовлечены в механизмы нейродегенеративных заболеваний, а микроглия M2 участвует в поддержании и восстановлении тканей. Поэтому опосредованное микроглией нейровоспаление амбивалентно при нейродегенеративных заболеваниях, так как оказывает и пагубное и благотворное влияние на нейроны и глию.

Механизм микроглиальной аутофагии в животных моделях БП

Агрегаты α-синуклеина в дофаминергических нейронах черной субстанции играют важную роль в патогенезе болезни Паркинсона (БП). Недавние исследования показали, что активированная микроглия ускоряет патологическое накопление α-синуклеина в нейронах черной субстанции [29]. Микроглия, подверженная аномальной агрегации α-синуклеина, может образовывать F-актин-зависимые межклеточные соединения, тем самым создавая клеточные сети, которые могут передавать аномально агрегированный α-синуклеин от перегруженной микроглии к соседней инактивированной микроглии для их быстрого и эффективного разрушения. Этот процесс способствует уменьшению воспалительной реакции микроглии и повышает ее выживаемость [30]. Механизм, с помощью которого микроглия лучше освобождается от патогенных агрегатов α-синуклеина путем создания функциональной сети «по запросу», был выяснен. Исследование показало, что микроглия может передавать α-синуклеин через экзосомы и усугублять его накопление, что указывает на то, что секреция экзосом может изменять прогрессирование болезни Паркинсона [31]. Было подтверждено, что олигомеры α-синуклеина присутствуют в экзосомах, выделяемых микроглией в спинномозговой жидкости пациентов с болезнью Паркинсона, которые могут вызывать агрегацию α-синуклеина в нейронах, что указывает на то, что микроглия может ускорять агрегацию α-синуклеина при болезни Паркинсона через экзосомы [32].

Нейровоспаление и оксидативный стресс играют важную роль в патогенезе болезни Паркинсона. В ходе этих процессов микроглия активируется и вовлекается в прогрессирующую дегенерацию и потерю нигростриатальных нейронов черной субстанции. Мутации в гене рецептора окислительного стресса DJ-1 и индуктора протекции от активных форм кислорода вызывают семейную болезнь Паркинсона. Нарушение рецептора DJ-1 в микроглии усиливает нейротоксичность в нейронах черной субстанции и значительно увеличивает α-синуклеин-индуцированную секрецию провоспалительных цитокинов [33]. Дальнейшие исследования, направленные на установление корреляции нейровоспаления с активностью иммуной системы, показали, что при нарушении гематоэнцефалического барьера эффекторные Т-клетки переносятся в мозг и усугубляют дегенерацию нигростриатальных нейронов черной субстанции, активацию микроглии и нарушение двигательных функций [34], а ингибирование секреции IL-17A клетками Th17 в черной субстанции смягчает симптомы. IL-17A усугубляет потерю нейронов черной субстанции только в присутствии микроглии, что говорит о решающей роли микроглии в дегенерации нейронов [35].

Аутофагия микроглии при БП, терапевтические достижения и будущие направления

На основе исследований роли нейровоспаления, вызванного микроглией, и аутофагии микроглии в патогенезе болезни Паркинсона, были определены новые стратегии лечения, связанные с активацией микроглии и нейровоспалением. Было обнаружено, что стимуляция P2Y6R ускоряет активацию микроглиальных клеток и высвобождение провоспалительных цитокинов; то есть блокирование P2Y6R может подавлять активацию микроглии и фагоцитоз [36]. Использование андрографолида для усиления микроглиальной активности путем ослабления активации многобелкового олигомерного комплекса NLRP3 в микроглии, позволяет спасти дофаминергические нейроны и смягчить поведенческий дефицит у животных [37]. Также тестируется использование фототермических наноматериалов для контроля открытия переходных рецепторных потенциальных катионных каналов подсемейства V1 (TRPV1) на поверхности микроглии, чтобы усилить фагоцитоз микроглии, фагоцитоз и деградацию α-Syn, тем самым улучшая состояние пациентов с болезнью Паркинсона [38].

Выводы

Таким образом, необходимо обозначить, что двойственная роль микроглиальной аутофагии в патогенезе БП привела к формированию широкого спектра потенциальных терапевтических стратегий для лечения БП. Говоря о микроглии, мы отождествляем её с макрофагальной активностью, регулирующей возникновение и развитие нейровоспаления. При БП α-Syn и нейровоспаление запускают сигнальные пути, такие как NLRP3, которые активируют микроглию. Активированная микроглия изменяет агрегацию и распространение неправильно сформированного α-Syn посредством аутофагии для дальнейшего воздействия на нейроны и нейроповедение. Так, только правильно активированная микроглия способствует элиминации аномально агрегированных веществ, а также токсичных продуктов метаболизма. В ином случае, аутофагия или дисрегуляция аутофагического потока могут привести к нейротоксичности. Сложный каскад реакций нейровоспаления и множественный подход к его индицированию позволяет оценить значимость терапевтических стратегий при создании нейропротекторных систем.

Литература:

1. Armstrong M. J., Okun M. S. (2020). Diagnosis and treatment of Parkinson disease: a review. JAMA 323, 548–560.
2. Hirsch E. C. (1992). Why are nigral catecholaminergic neurons more vulnerable than other cells in Parkinson's disease? Ann. Neurol. 32, S88–S93.
3. Bonam S. R., Tranchant C., Muller S. (2021). Autophagy-lysosomal pathway as potential therapeutic target in Parkinson's disease. Cells 10:3547.
4. Aflaki E., Westbroek W., Sidransky E. (2017). The complicated relationship between Gaucher disease and parkinsonism: insights from a rare disease. Neuron 93, 737–746.
5. Leng F., Edison P. (2021). Neuroinflammation and microglial activation in Alzheimer disease: where do we go from here? Nat. Rev. Neurol. 17, 157–172.
6. Bussi C., Peralta Ramos J. M., Arroyo D. S., Gaviglio E. A., Gallea J. I., Wang J. M., et al.. (2017). Autophagy down regulates pro-inflammatory mediators in BV2 microglial cells and rescues both LPS and alpha-synuclein induced neuronal cell death. Sci. Rep. 7:43153.
7. Michell-Robinson M. A., Touil H., Healy L. M., Owen D. R., Durafourt B. A., Bar-Or A., et al.. (2015). Roles of microglia in brain development, tissue maintenance and repair. Brain 138, 1138–1159.
8. Choi I., Zhang Y., Seegobin S. P., Pruvost M., Wang Q., Purtell K., et al. (2020). Microglia clear neuron-released α-synuclein via selective autophagy and prevent neurodegeneration. Nat. Commun. 11:1386
9. Liu S.-Y., Qiao H.-W., Song T.-B., Liu X.-L., Yao Y.-X., Zhao C.-S., et al.. (2022). Brain microglia activation and peripheral adaptive immunity in Parkinson's disease: a multimodal PET study. J. Neuroinflammation 19:209.
10. Spangenberg E. E., Lee R. J., Najafi A. R., Rice R. A., Elmore M. R. P., Blurton-Jones M., et al.. (2016). Eliminating microglia in Alzheimer's mice prevents neuronal loss without modulating amyloid-β pathology. Brain 139, 1265–1281.
11. Hu Y., Reggiori F. (2022). Molecular regulation of autophagosome formation. Biochem. Soc. Trans. 50, 55–69.
12. Lőrincz P., Juhász G. (2020). Autophagosome-Lysosome Fusion. J. Mol. Biol. 432, 2462–2482.
13. Dehay B., Bové J., Rodríguez-Muela N., Perier C., Recasens A., Boya P., et al.. (2010). Pathogenic lysosomal depletion in Parkinson's disease. J. Neurosci. 30, 12535–12544.
14. Decressac M., Mattsson B., Weikop P., Lundblad M., Jakobsson J., Björklund A. (2013). TFEB-mediated autophagy rescues midbrain dopamine neurons from α-synuclein toxicity. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110, E1817–E1826.
15. Sierra A., Abiega O., Shahraz A., Neumann H. (2013). Janus-faced microglia: beneficial and detrimental consequences of microglial phagocytosis. Front. Cell. Neurosci. 7:6
16. Wolf S. A., Boddeke H. W. G. M., Kettenmann H. (2017). Microglia in physiology and disease. Annu. Rev. Physiol. 79, 619–643.
17. Jülg J., Strohm L., Behrends C. (2020). Canonical and non-canonical autophagy pathways in microglia. Mol. Cell. Biol. 41:e00389–20.
18. Song J., Oh Y., Lee J. E. (2015). miR-Let7A modulates autophagy induction in LPS-activated microglia. Exp. Neurobiol. 24, 117–125.
19. Wang C., Yeo S., Haas M. A., Guan J.-L. (2017). Autophagy gene FIP200 in neural progenitors non-cell autonomously controls differentiation by regulating microglia. J. Cell Biol. 216, 2581–2596.
20. Choi I., Zhang Y., Seegobin S. P., Pruvost M., Wang Q., Purtell K., et al.. (2020). Microglia clear neuron-released α-synuclein via selective autophagy and prevent neurodegeneration. Nat. Commun. 11:1386.
21. Wang C., Fan L., Khawaja R. R., Liu B., Zhan L., Kodama L., et al.. (2022). Microglial NF-κB drives tau spreading and toxicity in a mouse model of tauopathy. Nat. Commun. 13:1969.22.
22. Stratoulias V., Venero J. L., Tremblay M.-È., Joseph B. (2019). Microglial subtypes: diversity within the microglial community. EMBO J. 38:e101997.
23. Tu H.-Y., Yuan B.-S., Hou X.-O., Zhang X.-J., Pei C.-S., Ma Y.-T., et al.. (2021). α-Synuclein suppresses microglial autophagy and promotes neurodegeneration in a mouse model of Parkinson's disease. Aging Cell 20:e13522.
24. Daher J. P. L., Volpicelli-Daley L. A., Blackburn J. P., Moehle M. S., West A. B. (2014). Abrogation of α-synuclein-mediated dopaminergic neurodegeneration in LRRK2-deficient rats. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111, 9289–9294.
25. Glass C. K., Saijo K., Winner B., Marchetto M. C., Gage F. H. (2010). Mechanisms underlying inflammation in neurodegeneration. Cells 140, 918–934.
26. Cherry J. D., Olschowka J. A., O'Banion M. K. (2014). Neuroinflammation and M2 microglia: the good, the bad, and the inflamed. J. Neuroinflammation 11:98.
27. Tang Y., Le W. (2016). Differential roles of M1 and M2 microglia in neurodegenerative diseases. Mol. Neurobiol. 53, 1181–1194.
28. Tan E.-K., Chao Y.-X., West A., Chan L.-L., Poewe W., Jankovic J. (2020). Parkinson disease and the immune system — associations, mechanisms and therapeutics. Nat. Rev. Neurol. 16, 303–318.
29. Scheiblich H., Dansokho C., Mercan D., Schmidt S. V., Bousset L., Wischhof L., et al.. (2021). Microglia jointly degrade fibrillar alpha-synuclein cargo by distribution through tunneling nanotubes. Cells 184, 5089.e21–5106.e21.
30. Xia Y., Zhang G., Han C., Ma K., Guo X., Wan F., et al.. (2019). Microglia as modulators of exosomal alpha-synuclein transmission. Cell Death Dis. 10:174.
31. Guo M., Wang J., Zhao Y., Feng Y., Han S., Dong Q., et al.. (2020). Microglial exosomes facilitate α-synuclein transmission in Parkinson's disease. Brain 143, 1476–1497.
32. Guan X., Wu P., Cao B., Liu X., Chen X., Zhang W., et al.. (2021). PGC-1α-siRNA suppresses inflammation in substantia nigra of PD mice by inhibiting microglia. Int. J. Neurosci. 2021, 1–9.
33. Liu Z., Huang Y., Cao B.-B., Qiu Y.-H., Peng Y.-P. (2017). Th17 cells induce dopaminergic neuronal death via LFA-1/ICAM-1 interaction in a mouse model of Parkinson's disease. Mol. Neurobiol. 54, 7762–7776.
34. Chen J., Mao K., Yu H., Wen Y., She H., Zhang H., et al.. (2021). p38-TFEB pathways promote microglia activation through inhibiting CMA-mediated NLRP3 degradation in Parkinson's disease. J. Neuroinflammation 18:295.
35. Yang X., Lou Y., Liu G., Wang X., Qian Y., Ding J., et al.. (2017). Microglia P2Y6 receptor is related to Parkinson's disease through neuroinflammatory process. J. Neuroinflammation 14:38.
36. Ahmed S., Kwatra M., Ranjan Panda S., Murty U. S. N., Naidu V. G. M. (2021). Andrographolide suppresses NLRP3 inflammasome activation in microglia through induction of parkin-mediated mitophagy in in-vitro and in-vivo models of Parkinson disease. Brain Behav. Immun. 91, 142–158.
37. Yuan J., Liu H., Zhang H., Wang T., Zheng Q., Li Z. (2022). Controlled activation of TRPV1 channels on microglia to boost their autophagy for clearance of alpha-Synuclein and enhance therapy of Parkinson's disease.