DOI: https://doi.org/10.1038/s41380-024-02529-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38519640
تاريخ النشر: 2024-03-22
المؤلف: Marja Koskuvi وآخرون
الموضوع الرئيسي: آليات الالتهاب العصبي والتنكس العصبي
نظرة عامة
تبحث الدراسة في دور العمليات العصبية الالتهابية، مع التركيز بشكل خاص على الخلايا الدبقية الصغيرة، في الفيزيولوجيا المرضية للفصام (SCZ). باستخدام خلايا دبقية صغيرة مشتقة من خلايا جذعية متعددة القدرات تم تحفيزها من توائم متماثلة غير متطابقة للفصام، تكشف الدراسة أن الخلايا الدبقية الصغيرة من التوائم المتأثرة تظهر زيادة في التعبير عن الجينات المتعلقة بالالتهاب مقارنة بالضوابط الصحية. ومن الجدير بالذكر أن هذه الخلايا الدبقية الصغيرة تظهر استجابة متناقصة لعلاج إنترلوكين 1 بيتا (IL1β)، بينما تظل أنشطة الهجرة والبلعمة دون تغيير.
تشير التحليلات الإضافية من خلال تحليل المسار الإبداعي (IPA) إلى وجود شذوذات في إشارات المصفوفة خارج الخلوية، مع توقع تسلسل RNA انخفاض تنظيم مصطلحات هيكل المصفوفة خارج الخلوية و تنشيط مسار تليف الكبد في كل من التوائم المتأثرة وغير المتأثرة. ومع ذلك، فإن زيادة تنظيم مستقبلات معقد التوافق النسيجي الرئيسي (MHC) من الفئة الثانية تقتصر على الخلايا الدبقية الصغيرة من التوائم المتأثرة. على الرغم من التعبير الملحوظ عن الجينات الالتهابية، تستنتج الدراسة أنه لا توجد علامات وظيفية واضحة على فرط النشاط في الخلايا الدبقية الصغيرة من مرضى الفصام، مما يشير إلى أنه على الرغم من تغير التعبير الجيني، إلا أنه لا يتوافق مع زيادة نشاط الخلايا الدبقية الصغيرة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية دور الالتهاب العصبي في الاضطرابات العصبية والنمائية العصبية، وخاصة الفصام (SCZ). تبرز الوظيفة الحرجة للخلايا الدبقية الصغيرة، وهي البلعميات المقيمة في الدماغ، في الوساطة للاستجابات المناعية والالتهاب. تشير الورقة إلى أن الفصام هو اضطراب معقد يتأثر بالعوامل الوراثية والبيئية، مع أدلة تشير إلى أن فرط النشاط المستمر للخلايا الدبقية الصغيرة يساهم بشكل كبير في علم الأمراض الخاص به. تشير الدراسات بعد الوفاة إلى زيادة نشاط الخلايا الدبقية الصغيرة في مرضى الفصام، والتي تتميز بارتفاع علامات مثل جزيء 1 المرتبط بالكالسيوم المؤين (IBA1) وسيتوكينات التهابية مثل إنترلوكين 6 (IL6) وعامل نخر الورم ألفا (TNFα).
تهدف الدراسة إلى استكشاف حساسية الخلايا الدبقية الصغيرة من مرضى الفصام للمؤثرات الالتهابية والآثار التعديلية المحتملة للأدوية المضادة للذهان، وخاصة الكلوزابين، بالإضافة إلى المينوسيكلين والسلفورافان. استخدم الباحثون خلايا شبيهة بالخلايا الدبقية الصغيرة مشتقة من خلايا جذعية متعددة القدرات (hiPSC) من توائم متماثلة غير متطابقة للفصام وضوابط صحية غير مرتبطة لتقييم اختلافات التعبير الجيني. كشف تسلسل RNA عن عدم تنظيم الجينات الرئيسية المتعلقة بالخلايا الدبقية الصغيرة والالتهاب، مع انخفاض ملحوظ في التعبير الجيني العالمي في كلا التوأمين مقارنة بالأفراد الأصحاء، إلى جانب زيادة تنظيم محددة في حالات الفصام السريرية. كما وجدت الدراسة أن المسارات المتعلقة بإشارات المصفوفة خارج الخلوية كانت متغيرة باستمرار في الخلايا الدبقية الصغيرة من كلا التوأمين المتأثرين وغير المتأثرين، وكانت الاستجابات للعلاج بالكلوزابين أو المينوسيكلين أو السلفورافان تختلف بين خلايا الدبقية الصغيرة من التوأم المتأثر.
الطرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. تفصل المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك الكواشف والمعدات وأي عينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية العمليات خطوة بخطوة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة والمدة وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من صحة النتائج. تعتبر دقة الطرق ضرورية لتأسيس موثوقية النتائج، والتي يتم مناقشتها بعد ذلك فيما يتعلق بفرضيات وأهداف الدراسة. بشكل عام، يعد هذا القسم مكونًا أساسيًا يدعم نزاهة نتائج البحث.
النتائج
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تعبير علامات التوازن في خلايا شبيهة بالخلايا الدبقية الصغيرة (iMGLs) المشتقة من توائم متماثلة، أحدهما تم تشخيصه بالفصام (SCZ) والآخر صحي. أظهرت iMGLs شكلًا متفرعًا وعبرت عن علامات دبقية صغيرة رئيسية مثل IBA1 وTREM2 وP2RY12 وCX3CR1. عند العلاج بالليبوبوليسكاريد (LPS)، كان هناك انخفاض كبير في تعبير جينات ITGAM وTREM2 وP2RY12 (p = 0.029 لجميعها). كانت معدلات نجاح التمايز لـ iMGLs من كلا التوأمين المتأثرين بالفصام والأصحاء مشابهة لتلك من ضوابط صحية غير مرتبطة.
كشف تسلسل RNA الضخم أنه على الرغم من عدم ملاحظة اختلافات كبيرة في علامات التوازن الشائعة داخل أزواج التوائم، ظهرت اختلافات ملحوظة عند مقارنة التوائم بالضوابط. على وجه التحديد، كان AIF1 (Iba1) مرتفعًا بشكل كبير في كل من التوائم المتأثرة بالفصام (ST) والتوائم الصحية (HT) مقارنة بالضوابط (ST: p = 1.2 × 10^{-9}، HT: p = 0.032)، مع إظهار ST دلالة مصححة بونفيروني (adj.p = 1.3 × 10^{-6}). بالإضافة إلى ذلك، كان PTPRC (CD45) مرتفعًا في توائم ST (p = 0.0012، adj.p = 0.0081)، بينما كان TREM2 منخفضًا في ST (p = 0.003) وTMEM119 في HT (p = 0.030) مقارنة بالضوابط. لم تظهر علامات دبقية صغيرة أخرى، بما في ذلك P2RY12 وCX3CR1 وITGAM وPROS1، اختلافات كبيرة عبر المجموعات.
المناقشة
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بإنشاء وتوصيف خلايا دبقية صغيرة مشتقة من خلايا جذعية متعددة القدرات (hiPSC) من توائم متماثلة غير متطابقة للفصام (SCZ). أسفر بروتوكول التمايز عن خلايا iMGLs التي أظهرت ملفات تعبير جيني مميزة مقارنة بالبلعميات المشتقة من hiPSC، مما يتماشى بشكل أقرب مع الخلايا الدبقية الصغيرة الجنينية والبالغة. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة كشفت أن iMGLs من التوائم المتأثرة (ST) أظهرت تعبيرًا شاذًا عن الجينات الالتهابية، بما في ذلك انخفاض كبير في استجابة إنترلوكين-6 (IL6) لـ IL1β، مما يشير إلى استجابة متناقصة للإشارات الالتهابية. بالإضافة إلى ذلك، كان تعبير مستقبلات Toll-like 2 (TLR2) منخفضًا في iMGLs من ST، مما يشير إلى ضعف قدرات التعرف على مسببات الأمراض.
استكشف المؤلفون أيضًا آثار العلاجات الدوائية المختلفة على iMGLs، حيث وجدوا أن iMGLs من ST أظهرت استجابة غير متجانسة للكلوزابين والمينوسيكلين والسلفورافان، مع اختلافات كبيرة في تغييرات التعبير الجيني مقارنة بالضوابط الصحية. بينما أظهر الكلوزابين والسلفورافان بعض الفعالية في تعديل التعبير الجيني في iMGLs من الضوابط، لم تظهر iMGLs من ST استجابة مماثلة، مما يبرز آلية محتملة وراء طبيعة مقاومة العلاج للفصام في هؤلاء المرضى. بشكل عام، تؤكد النتائج على عدم التنظيم الجيني والوظيفي للخلايا الدبقية الصغيرة في الفصام، مما يشير إلى أن هذه الخلايا قد تلعب دورًا حاسمًا في الفيزيولوجيا المرضية للاضطراب.
القيود
تعترف الدراسة بعدة قيود قد تؤثر على تفسير نتائجها المتعلقة بسلوك الخلايا الدبقية الصغيرة. من الجدير بالذكر أن الخلايا الدبقية الصغيرة تظهر تكيفًا سريعًا مع التغيرات البيئية، وتظهر الخلايا الدبقية الصغيرة خارج الجسم تعبيرًا جينيًا متغيرًا مقارنة بنظيراتها داخل الجسم. على الرغم من أن حالات الخلايا الدبقية الصغيرة البشرية محفوظة عبر نماذج تجريبية مختلفة، بما في ذلك الخلايا الدبقية الصغيرة المشتقة من خلايا جذعية متعددة القدرات (hiPSC)، إلا أن بعض الجينات الرئيسية المتعلقة بالتوازن تظهر مستويات تعبير منخفضة. علاوة على ذلك، تميل الخلايا الدبقية الصغيرة في المختبر إلى أن تكون أكثر نشاطًا وتفرز مستويات أعلى من السيتوكينات مقارنة بتلك الموجودة في الجسم، مما قد يعيق الاستجابات الالتهابية الحقيقية.
بالإضافة إلى ذلك، واجهت الدراسة تحديات تتعلق باستبعاد العينات، بشكل أساسي بسبب النشاط التلقائي للخلايا الدبقية الصغيرة أثناء التمايز، مما أدى إلى موت الخلايا. بدا أن هذه المشكلة مرتبطة بتغيرات الدفعة أكثر من ارتباطها بحالة المرض. يقترح المؤلفون أن الاختلافات الملحوظة بين المجموعات التجريبية، على الرغم من كونها ملحوظة، لم تكن ذات دلالة إحصائية، مما يشير إلى أن حجم عينة أكبر، خاصة مع أزواج توائم إضافية غير متطابقة للفصام (SCZ)، يمكن أن يعزز القوة الإحصائية للنتائج. وبالتالي، يُوصى بإجراء مزيد من الأبحاث مع مجموعات مرضى أكبر للتحقق من النتائج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41380-024-02529-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38519640
Publication Date: 2024-03-22
Author(s): Marja Koskuvi et al.
Primary Topic: Neuroinflammation and Neurodegeneration Mechanisms
Overview
The research investigates the role of neuroinflammatory processes, particularly focusing on microglia, in the pathophysiology of schizophrenia (SCZ). Utilizing human induced pluripotent stem cell-derived microglia from monozygotic twins discordant for SCZ, the study reveals that microglia from affected twins exhibit increased expression of inflammation-related genes compared to healthy controls. Notably, these microglia show a diminished response to interleukin 1 beta (IL1β) treatment, while migration and phagocytic activities remain unchanged.
Further analysis through Ingenuity Pathway Analysis (IPA) indicates abnormalities in extracellular matrix signaling, with RNA sequencing predicting downregulation of extracellular matrix structure constituent Gene Ontology (GO) terms and activation of the hepatic fibrosis pathway in both affected and unaffected twins. However, the upregulation of major histocompatibility complex (MHC) class II receptors is exclusive to the microglia of affected twins. Despite the observed inflammatory gene expression, the study concludes that there are no clear functional signs of hyperactivation in microglia from SCZ patients, suggesting that while gene expression is altered, it does not correlate with increased microglial activation.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the role of neuroinflammation in neurological and neurodevelopmental disorders, particularly schizophrenia (SCZ). It highlights the critical function of microglia, the brain’s resident macrophages, in mediating immune responses and inflammation. The paper notes that SCZ is a complex disorder influenced by genetic and environmental factors, with evidence suggesting that prolonged microglial hyperactivation contributes significantly to its pathology. Postmortem studies indicate increased microglial activation in SCZ patients, characterized by elevated markers such as ionized calcium-binding adapter molecule 1 (IBA1) and pro-inflammatory cytokines like interleukin 6 (IL6) and tumor necrosis factor alpha (TNFα).
The study aims to explore the sensitivity of microglia from SCZ patients to inflammatory stimuli and the potential modulatory effects of antipsychotic drugs, specifically clozapine, as well as minocycline and sulforaphane. The researchers utilized human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived microglia-like cells (iMGLs) from monozygotic twins discordant for SCZ and unrelated healthy controls to assess gene expression differences. RNA sequencing revealed dysregulation of key microglial and inflammation-related genes, with a notable downregulation of global gene expression in both twins compared to healthy individuals, alongside a specific upregulation in clinical SCZ cases. The study also found that pathways related to extracellular matrix signaling were consistently altered in microglia from both affected and unaffected twins, and responses to treatment with clozapine, minocycline, or sulforaphane varied among affected twin microglia.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the step-by-step processes for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. The rigor of the methods is crucial for establishing the reliability of the results, which are subsequently discussed in relation to the study’s hypotheses and objectives. Overall, this section serves as a foundational component that supports the integrity of the research outcomes.
Results
In this study, the expression of homeostatic markers in induced microglia-like cells (iMGLs) derived from monozygotic twins, one diagnosed with schizophrenia (SCZ) and the other healthy, was investigated. The iMGLs exhibited a ramified morphology and expressed key microglial markers such as IBA1, TREM2, P2RY12, and CX3CR1. Upon treatment with lipopolysaccharide (LPS), there was a significant downregulation of ITGAM, TREM2, and P2RY12 gene expression (p = 0.029 for all). The differentiation success rates for iMGLs from both the SCZ-affected and healthy twins were comparable to those from non-related healthy controls.
Bulk RNA sequencing revealed that while no significant differences in common homeostatic markers were observed within twin pairs, notable differences emerged when comparing twins to controls. Specifically, AIF1 (Iba1) was significantly upregulated in both SCZ (ST) and healthy twins (HT) compared to controls (ST: p = 1.2 × 10^{-9}, HT: p = 0.032), with ST showing a Bonferroni-corrected significance (adj.p = 1.3 × 10^{-6}). Additionally, PTPRC (CD45) was upregulated in ST twins (p = 0.0012, adj.p = 0.0081), while TREM2 was downregulated in ST (p = 0.003) and TMEM119 in HT (p = 0.030) relative to controls. Other microglial markers, including P2RY12, CX3CR1, ITGAM, and PROS1, did not show significant differences across groups.
Discussion
In this study, the authors generated and characterized human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived microglia (iMGLs) from monozygotic twins discordant for schizophrenia (SCZ). The differentiation protocol yielded iMGLs that exhibited distinct gene expression profiles compared to hiPSC-derived macrophages, aligning more closely with fetal and adult microglia. Notably, the study revealed that iMGLs from affected twins (ST) displayed aberrant expression of inflammatory genes, including a significant reduction in interleukin-6 (IL6) response to IL1β, indicating a diminished responsiveness to pro-inflammatory signals. Additionally, the expression of Toll-like receptor 2 (TLR2) was downregulated in ST iMGLs, suggesting impaired pathogen recognition capabilities.
The authors also explored the effects of various drug treatments on iMGLs, finding that the ST iMGLs exhibited a heterogeneous response to clozapine, minocycline, and sulforaphane, with significant differences in gene expression changes compared to healthy controls. While clozapine and sulforaphane showed some efficacy in modulating gene expression in control iMGLs, the ST iMGLs did not exhibit similar responsiveness, highlighting a potential underlying mechanism for the treatment-resistant nature of SCZ in these patients. Overall, the findings underscore the genetic and functional dysregulation of microglia in SCZ, suggesting that these cells may play a critical role in the pathophysiology of the disorder.
Limitations
The study acknowledges several limitations that may affect the interpretation of its findings regarding microglial behavior. Notably, microglia exhibit rapid adaptation to environmental changes, and ex vivo microglia demonstrate altered gene expression profiles compared to their in vivo counterparts. Although human microglial states are conserved across various experimental models, including human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived microglia, some key homeostatic genes show reduced expression levels. Furthermore, in vitro microglia tend to be more activated and secrete higher levels of cytokines than those in vivo, potentially obscuring the true inflammatory responses.
Additionally, the study faced challenges related to sample exclusion, primarily due to spontaneous activation of microglia during differentiation, which led to cell apoptosis. This issue appeared to be more related to batch variability rather than disease status. The authors suggest that the observed differences between experimental groups, while notable, were not statistically significant, indicating that a larger sample size, particularly with additional twin pairs discordant for schizophrenia (SCZ), could enhance the statistical power of the findings. Consequently, further research with larger patient cohorts is recommended to validate the results.