En el cerebro humano, las microglías son lasprincipales células inmunitarias innatas. El desarrollo del cerebro está regulado por la microglía a través de dos vías: la liberación de factores difusibles y la fagocitosis1. Los factores difusibles derivados de la microglía ayudan a apoyar la mielinización, la neurogénesis, la formación sináptica, la maduración, la muerte celular y la supervivencia celular1. La microglía también fagocita varios elementos en las sinapsis cerebrales, los axones y en las células vivas y muertas 2,3,4,5,6,7,8. Los receptores de la microglía reconocen marcas como la calreticulina, el ATP y el ácido siálico y regulan la fagocitosis celular 9,10. En el hipocampo, la microglía mantiene la homeostasis de la neurogénesis a través de su papel fagocítico11.
Se ha demostrado que la fagocitosis sináptica en el núcleo geniculado dorsolateral (dLGN) del cerebro de roedor está regulada por la microglía1. En roedores, se ha demostrado que hay dos períodos durante el desarrollo en los que se observa una intensa fagocitosis sináptica microglial. El primer período ocurre durante la formación inicial de sinapsis y el segundo período ocurre cuando las conexiones se están afinando y podando12. Otros factores que están involucrados en la poda sináptica son las proteínas inflamatorias y el complejo mayor de histocompatibilidad de clase I (MHC1, H2-K, b y Db)13,14. Se ha sugerido que C1q (componente del complemento 1q) en la microglía se colocaliza con MHC1, lo que desencadena la poda sináptica15. Además, los estudios en ratones muestran que la interleucina-33 (IL-33) secretada por los astrocitos regula la homeostasis de la sinapsis en el tálamo y la médula espinal a través de sus efectos sobre la microglía, aunque esto aún no se ha investigado en humanos13. La microglía segrega una variedad de citocinas que ayudan a mantener la salud neuronal, como el factor de necrosis tumoral α (TNFα), IL-1β, IL-6, IL-10 e interferón-γ (IFN-γ) y estas citocinas pueden modular la espina dendrítica y la formación de sinapsis 16,17,18. Existen lagunas significativas en nuestro conocimiento de las interacciones neurona-microglía durante el desarrollo del cerebro humano. La mayor parte de nuestro conocimiento proviene de estudios de modelos de roedores, mientras que hay una escasez de información sobre los aspectos temporales y mecánicos de la poda sináptica en la corteza humana. La microglía apoya la supervivencia neuronal en el neocórtex, y otros tipos de células también contribuyen1. No está claro cómo contribuye la microglía a esta preservación y cuál es la interacción entre la microglía y los otros tipos de células. La microglía libera varias citocinas que afectan el desarrollo neuronal y sináptico, pero las bases mecanicistas de sus efectos de estas citocinas en las neuronas son en gran parte desconocidas19,20. Para desarrollar una comprensión más completa de la función de la microglía en el cerebro humano, es fundamental explorar sus interacciones con los diferentes tipos de células que se encuentran en el cerebro humano. Este informe describe un método para el cocultivo de neuronas humanas derivadas de iPSC y microglía generadas a partir del mismo individuo. El establecimiento de esta metodología permitirá realizar investigaciones bien definidas para interrogar la naturaleza de las interacciones microglía-neuronas y desarrollar modelos celulares in vitro robustos para estudiar la disfunción neuroinmune en el contexto de diferentes trastornos neuropsiquiátricos y del neurodesarrollo.
El papel de la microglía en la esquizofrenia
La poda sináptica es un importante proceso del neurodesarrollo que tiene lugar en el cerebro adolescente21,22. Múltiples líneas de evidencia sugieren que la poda sináptica durante este período crítico es anormal en la esquizofrenia (SCZ)23,24,25,26. El SCZ es un trastorno psiquiátrico crónico y debilitante caracterizado por alucinaciones, delirios, procesos de pensamiento alterados y déficits cognitivos23,24. La microglía, los macrófagos residentes en el cerebro, juegan un papel central en la poda sináptica25,26. Los estudios postmortem y de tomografía por emisión de positrones (PET) muestran evidencia de actividad microglial disfuncional en SCZ 25,26,27,28,29,30,31,32. Los cerebros SCZ postmortem muestran diferencias bien replicadas pero sutiles en el cerebro: las neuronas piramidales en la capa cortical III muestran una disminución de la densidad de la espina dendrítica y menos sinapsis 33,34,35. La poda sináptica es un proceso mediante el cual las conexiones sinápticas excitatorias superfluas son eliminadas por la microglía durante la adolescencia, cuando los pacientes con SCZ suelen tener su primer brote psicótico22,36. Los estudios postmortem muestran una asociación entre la SCZ y la activación de la microglía, con un aumento de la densidad de la microglía en los cerebros de las SCZ, así como una mayor expresión de genes proinflamatorios27. Además, los estudios PET de cerebros humanos que utilizan radioligandos para la activación microglial muestran un aumento de los niveles de microglía activada en la corteza 25,26,27,28. Estudios recientes de asociación de genoma completo (GWAS) muestran que la asociación genética más fuerte para SCZ reside en el locus del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC), y esta asociación es el resultado de alelos de los genes del componente del complemento 4 (C4) que están involucrados en la mediación de la poda sináptica postnatal en roedores37. Esta asociación ha proporcionado apoyo adicional para la hipótesis de que la poda aberrante por microglía puede resultar en la disminución de la densidad de la espina dendrítica observada en los cerebros postmortem de SCZ. Las investigaciones de la participación microglial en la poda sináptica en SCZ se han limitado hasta ahora a estudios indirectos con imágenes PET o inferencias de investigaciones de cerebros postmortem.
Generación de microglía humana en el laboratorio
La microglía primaria de ratón cultivada se ha utilizado con frecuencia en el estudio de la microglía, aunque hay varios indicios de que la microglía de roedores puede no ser representativa de la anatomía de la microglía humana y la expresión génica (Tabla 1)38. Varios estudios también han diferenciado la microglía directamente de los monocitos sanguíneos a través de la transdiferenciación 39,40,41,42. Las células similares a la microglía derivadas de monocitos sanguíneos exhiben grandes diferencias con la microglía humana en las respuestas proinflamatorias del perfil de expresión de genes y proteínas, y parecen ser más parecidas a los macrófagos en su biología. Los avances metodológicos recientes permiten ahora la generación de microglía a partir de iPSC humanas, lo que brinda oportunidades para estudiar microglías vivas que se asemejan con mayor precisión a la biología de la microglía que se encuentra en el cerebro humano (Tabla 2). Se ha demostrado que estas células microgliales derivadas de iPSC recapitulan el fenotipo, los perfiles de expresión génica y las propiedades funcionales de la microglía humana primaria 44,45,46,47,48. Este artículo proporciona un método para el cocultivo de neuronas humanas derivadas de iPSC y microglía generadas a partir del mismo individuo con el fin de desarrollar modelos personalizados in vitro de las interacciones neurona-microglía. Para este modelo de cocultivo in vitro, se adaptó un protocolo de diferenciación microglial del grupo de Fossati (Tabla 3) y se combinó con una versión adaptada de un protocolo de generación de neuronas corticales del grupo de Livesey (Tabla 4)49,50.