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Nel cervello umano, le microglia sono le principali cellule immunitarie innate1. Lo sviluppo cerebrale è regolato dalla microglia attraverso due vie: il rilascio di fattori diffusibili e la fagocitosi1. I fattori diffusibili derivati dalla microglia aiutano a sostenere la mielinizzazione, la neurogenesi, la formazione sinaptica, la maturazione, la morte cellulare e la sopravvivenza cellulare1. Le microglia fagocitano anche vari elementi nelle sinapsi cerebrali, negli assoni e nelle cellule vive e morte 2,3,4,5,6,7,8. I recettori della microglia riconoscono tag come calreticulina, ATP e acido sialico e regolano la fagocitosi cellulare 9,10. Nell'ippocampo, le microglia mantengono l'omeostasi della neurogenesi attraverso il loro ruolo fagocitario11.
È stato dimostrato che la fagocitosi sinaptica nel nucleo genicolato dorsolaterale (dLGN) del cervello del roditore è regolata dalla microglia1. Nei roditori, è stato dimostrato che ci sono due periodi durante lo sviluppo in cui si osserva un'intensa fagocitosi sinaptica microgliale. Il primo periodo si verifica durante la formazione iniziale delle sinapsi e il secondo periodo si verifica quando le connessioni vengono messe a punto e potate12. Altri fattori coinvolti nella potatura sinaptica sono le proteine infiammatorie e il complesso maggiore di istocompatibilità di Classe I (MHC1, H2-Kb e Db)13,14. E' stato suggerito che il C1q (componente del complemento 1q) sulla microglia colocalizzi con MHC1, innescando la potatura sinaptica15. Inoltre, studi sui topi dimostrano che l'interleuchina-33 (IL-33) secreta dagli astrociti regola l'omeostasi delle sinapsi nel talamo e nel midollo spinale attraverso i suoi effetti sulla microglia, anche se questo deve ancora essere studiato nell'uomo13. Le microglia secernono una varietà di citochine che aiutano a mantenere la salute neuronale, come il fattore di necrosi tumorale α (TNFα), IL-1β, IL-6, IL-10 e l'interferone-γ (IFN-γ) e queste citochine possono modulare la formazione della spina dendritica e delle sinapsi 16,17,18. Ci sono lacune significative nella nostra conoscenza delle interazioni neurone-microglia durante lo sviluppo del cervello umano. La maggior parte delle nostre conoscenze proviene da studi su modelli di roditori, mentre c'è una scarsità di informazioni sugli aspetti temporali e meccanicistici della potatura sinaptica nella corteccia umana. Le microglia supportano la sopravvivenza neuronale nella neocorteccia e anche altri tipi di cellule contribuiscono1. Non è chiaro in che modo le microglia contribuiscano a questa conservazione e quale sia l'interazione tra le microglia e gli altri tipi di cellule. Le microglia rilasciano diverse citochine che influenzano lo sviluppo neuronale e sinaptico, ma le basi meccanicistiche dei loro effetti di queste citochine nei neuroni sono in gran parte sconosciute19,20. Al fine di sviluppare una comprensione più completa della funzione della microglia nel cervello umano, è fondamentale esplorare le sue interazioni con i diversi tipi di cellule presenti nel cervello umano. Questo rapporto descrive un metodo per la co-coltura di neuroni e microglia umani derivati da iPSC generati dallo stesso individuo. L'adozione di questa metodologia consentirà indagini ben definite per interrogare la natura delle interazioni microglia-neuroni e per sviluppare robusti modelli cellulari in vitro per studiare la disfunzione neuroimmune nel contesto di diversi disturbi dello sviluppo neurologico e neuropsichiatrico.
Il ruolo della microglia nella schizofrenia
La potatura sinaptica è un importante processo di sviluppo neurologico che avviene nel cervello dell'adolescente 21,22. Molteplici linee di evidenza suggeriscono che la potatura sinaptica durante questo periodo critico è anormale nella schizofrenia (SCZ)23,24,25,26. La SCZ è un disturbo psichiatrico cronico e debilitante caratterizzato da allucinazioni, deliri, processi di pensiero disordinati e deficit cognitivi23,24. Le microglia, i macrofagi residenti nel cervello, svolgono un ruolo centrale nella potatura sinaptica 25,26. Gli studi post-mortem e di tomografia a emissione di positroni (PET) mostrano evidenza di attività microgliale disfunzionale in SCZ 25,26,27,28,29,30,31,32. I cervelli SCZ post-mortem mostrano differenze ben replicate ma sottili nel cervello: i neuroni piramidali nello strato corticale III mostrano una diminuzione della densità della spina dendritica e un minor numero di sinapsi 33,34,35. La potatura sinaptica è un processo mediante il quale le connessioni sinaptiche eccitatorie superflue vengono eliminate dalla microglia durante l'adolescenza, quando i pazienti con SCZ di solito hanno la loro prima rottura psicotica22,36. Studi post-mortem mostrano un'associazione tra SCZ e attivazione microgliale, con un aumento della densità della microglia nei cervelli SCZ, nonché con un aumento dell'espressione dei geni proinfiammatori27. Inoltre, gli studi PET su cervelli umani che utilizzano radioligandi per l'attivazione microgliale mostrano un aumento dei livelli di microglia attivata nella corteccia 25,26,27,28. Recenti studi di associazione genome-wide (GWAS) mostrano che l'associazione genetica più forte per SCZ risiede nel locus del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC) e questa associazione deriva dagli alleli dei geni del componente del complemento 4 (C4) che sono coinvolti nella mediazione della potatura sinaptica postnatale nei roditori37. Questa associazione ha fornito ulteriore supporto all'ipotesi che la potatura aberrante da parte della microglia possa provocare la diminuzione della densità della spina dendritica osservata nei cervelli post-mortem SCZ. Le indagini sul coinvolgimento della microglia nella potatura sinaptica nella SCZ sono state finora limitate a studi indiretti con imaging PET o inferenze da indagini su cervelli post mortem.
Generazione di microglia umane in laboratorio
Le microglia primarie di topo in coltura sono state frequentemente utilizzate nello studio delle microglia, sebbene ci siano diverse indicazioni che le microglia dei roditori potrebbero non essere rappresentative dell'anatomia della microglia umana e dell'espressione genica (Tabella 1)38. Diversi studi hanno anche differenziato le microglia direttamente dai monociti del sangue attraverso la transdifferenziazione 39,40,41,42. Le cellule simili alle microglia derivate dai monociti del sangue mostrano importanti differenze rispetto alle microglia umane nelle risposte pro-infiammatorie del profilo di espressione genica e proteica e sembrano essere più simili ai macrofagi nella loro biologia43. I recenti progressi metodologici consentono ora la generazione di microglia da iPSC umane, che offrono l'opportunità di studiare microglia vive che assomigliano più accuratamente alla biologia delle microglia presenti nel cervello umano (Tabella 2). È stato dimostrato che queste cellule microgliali derivate da iPSC ricapitolano il fenotipo, i profili di espressione genica e le proprietà funzionali delle microglia umane primarie 44,45,46,47,48. Questo articolo fornisce un metodo per la co-coltura di neuroni e microglia umani derivati da iPSC generati dallo stesso individuo al fine di sviluppare modelli personalizzati in vitro di interazioni neurone-microglia. Per questo modello di co-coltura in vitro, un protocollo di differenziazione microgliale del gruppo Fossati è stato adattato (Tabella 3) e combinato con una versione adattata di un protocollo di generazione neuronale corticale del gruppo Livesey (Tabella 4)49,50.