1. dio: Povezivanje neurobiologije razvojne ozljede mozga: neuronska arborizacija kao regulator disfunkcije i potencijalni terapeutski cilj
Mar 21, 2022
ali.ma@wecistanche.com
Kliknite zaCistancheherba protiv Alzheimerove bolesti
Ane Goikolea-Vives i Helen B. Stolp *
Odjel za komparativne biomedicinske znanosti, Royal Veterinary College, London NW1 0TU, UK; agoikoleavive18@rvc.ac.uk
* Dopisivanje: hstolp@rvc.ac.uk
Sažetak: Neurorazvojni poremećaji mogu proizaći iz složene kombinacije genetskih varijacija i pritisaka okoline na ključne razvojne procese. Unatoč ovoj složenoj etiologiji i jednako složenom nizu sindroma i stanja dijagnosticiranih pod naslovom neurorazvojnih poremećaja, postoje paralele u neuropatologiji ovih stanja koje sugeriraju preklapajuće mehanizme stanične ozljede i disfunkcije.neuronskiarborizacija je proces produženja dendrita i aksona koji je neophodan za povezanost između neurona koja je temelj normalne funkcije mozga. Poremećena arborizacija i formiranje sinapsi često su prijavljeni kod neurorazvojnih poremećaja. Ovdje sažimamo dokaze za poremećenu neuronsku arborističku provjeru za Citat: Goikolea-Vives, A.; Stolp, HB Povezivanje neurobiologije razvojne ozljede mozga:neuronskiArborizacija kao regulator disfunkcije i potencijalni terapeutski cilj. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 8220. https://doi.org/ 10.3390/ijms22158220
Akademski urednik:
Giuseppe Lazzarino
Primljeno: 2. srpnja 2021
Prihvaćeno: 28. srpnja 2021
Objavljeno: 30. srpnja 2021
Napomena izdavača: MDPI ostaje neutralan u pogledu tvrdnji o nadležnosti u objavljenim kartama i institucionalnim vezama.
Autorska prava: © 2021 autori. Vlasnik licence MDPI, Basel, Švicarska. Ovaj članak je članak otvorenog pristupa koji se distribuira pod uvjetima i
uvjetima Creative Commonsa
Licenca za atribuciju (CC BY) (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/).
u tim uvjetima, usredotočujući se prvenstveno na korteks i hipokampus. Osim toga, istražujemo razvojno specifične mehanizme pomoću kojihneuronskiuređena je arborizacija. Na kraju, raspravljamo o ključnim regulatorimaneuronskiarborizacija koja bi mogla biti povezana s neurorazvojnom bolešću i potencijal za farmakološku modifikaciju arborizacije i formiranje sinaptičkih veza koje bi mogle pružiti terapijsku korist u budućnosti.
Ključne riječi: dendritična arborizacija; dendritična kralježnica; formiranje sinapsi; neurorazvojni poremećaj; perinatalna ozljeda mozga
1. Uvod
Dendritičke osovine, zajedno s dendritskim bodljama u bodljikavim neuronima, temeljne su u regulaciji informacija koje prima neuron i načina na koji se te informacije obrađuju i na koje se djeluje. Kao rezultat toga, promjene u dendritičkoj arborizaciji, ili formiranju dendritičkih bodlji, imaju dramatičan učinak na funkciju mozga. To je dokazano velikim brojem istraživanja koja povezuju promjene u dendritima i dendritskim bodljama s ozbiljnošću kognitivnih simptoma i simptoma ponašanja neurorazvojnih, neuropsihijatrijskih i neurodegenerativnih poremećaja.
Formiranje dendrita je relativno kasni i produljeni razvojni događaj, nakon produljenog razdoblja proliferacije, koji slijedi široko stereotipni obrazac za sve neurone. Pokreće ga kombinacija intrinzičnih genetski reguliranih procesa, osobito važnih tijekom ranih faza ekstenzije neurita, na koje tada dinamički utječe mnoštvo vanjskih znakova, uključujući regulaciju ovisnu o aktivnosti [1-3]. Za identifikaciju potencijalnih terapija za ispravljanje poremećene arborizacije i povezanosti u neurorazvojnim poremećajima, potrebno je razumjeti posljedice genetskih i okolišnih događaja na dendritsku arborizaciju, vremensku ovisnost ovih poremećaja i sposobnost strukturne ili funkcionalne kompenzacije kao dio normalnog razvoja. Iako je postignut napredak u našem razumijevanju mnogih od ovih područja, još uvijek nedostaje pregled i integracija informacija potrebnih za postizanje potrebnog napretka u terapeutskom otkriću. Kako bismo olakšali ovaj napredak, pregledat ćemo veze između neurorazvojnih poremećaja i poremećenog razvoja dendrita, uzimajući u obzir potencijalne posljedice poremećaja za funkcioniranje neuronskih mreža. Istraživat će se mehanizmi koji leže u pozadini promjena dendritičke i sinaptičke gustoće u neurorazvojnim poremećajima, s posebnim naglaskom na one mehanizme koji obećavaju terapijsku intervenciju.
2. Poremećena neuronska arborizacija u neurorazvojnim poremećajima
neuronskimorfologija je glavna odrednicaneuronskipovezanost i normalna funkcija mozga [4,5]. Uzorak grananja dendrita, kao i gustoća, veličina i morfologija dendritika i bodlji, određuju učinkovitost sinaptičkog ulaznog prijenosa, integracije i obrade [5,6]. Mnoge neurorazvojne patologije pokazuju abnormalnosti dendrita i kralježnice, sažeto na slici 1 [7-10]. Na primjer, post-mortem studije mozga pacijenata s autizmom izvijestile su o smanjenoj kompleksnosti grananja dendrita u CA1 i CA4 regijama hipokampusa [11], smanjenju broja dendrita u dorzolateralnom prefrontalnom korteksu [12] i povećanoj gustoći kralježnice u kortikalnoj piramidi neuroni [13]. Abnormalnosti dendrita temeljna su značajka sindroma kao što su Downov sindrom, Rettov sindrom, fragilni X sindrom i fenilketonurija; pacijenti su pokazali smanjeni broj i duljinu dendritičnih bodlji kao i abnormalnu morfologiju i broj dendritičnih bodlji u cerebralnom korteksu (pregled u [14]). Poremećaji kao što su epilepsija i traumatske ozljede mozga (TBI), u koje je uključena ekscitotoksičnost, također su povezani s aberantnom dendritičnom strukturom kralježnice i distribucijom [15]. Post mortem izvješća pacijenata s epilepsijom pokazala su smanjenu kompleksnost grananja dendrita, manje grana, kao i smanjenu gustoću kralježnice i oticanje dendrita u sloju III kortikalnih piramidalnih neurona [16]. U hipokampusu ovih pacijenata uočeni su dendritični varikoziteti i gubitak dendritičnih bodlji [17]. Perinatalna hipoksična/ishemijska ozljeda mozga može rezultirati dugotrajnim neurološkim defektima ili smrću novorođenčeta (pregled u [18]). Studije na životinjama pokazale su da hipoksijsko-ishemijski događaji dovode do gubitka dendritičnih bodlji, pojave dendritičkih varikoziteta, smanjene duljine dendritika i grananja dendrita u kortikalnim piramidalnim neuronima štakora [19,20] i kortikalnim i subkortikalnim neuronima ovaca [21-24] .
Slika 1. Shematski dijagram koji sažima promjene povezane s bolešću u arborizaciji dendrita i formiranju bodlji. Neurotipični neuron razrađuje složeno grananje i duge i brojne dendrite. Također razvija relativno stabilne i zrele bodlje. Pojedinci s ASD-om često pokazuju smanjenu kompleksnost grananja dendrita i povećanu prisutnost nezrelih/bodljikavih bodlji i povećanu gustoću bodlji. Utvrđeno je da neuroni pacijenata s krhkim X i Rettovim sindromom pokazuju kraće i manje obilne dendrite te abnormalno duge i tanke bodlje povećane gustoće. U pacijenata s epilepsijom, uočeno je da neuroni formiraju kraće i manje razgranate izbočine koje često pokazuju varikozitete i iskrivljene bodlje, a gustoća bodlji također je smanjena. Neuroni shizofrenih osoba pokazuju smanjenu veličinu kralježnice i abnormalne vratove kralježnice, manje some i smanjeni broj dendrita. U ispitanika s hipoksijom/ishemijom ili TBI, neuroni su razvili manje i kraće dendrite, s varikozitetima i suženjima, te su pokazali smanjenu gustoću kralježnice i prisutnost abnormalnih bodlji. Smanjena duljina i grananje dendrita kao i gubitak kralježnice primijećeni su u neuronima pacijenata s AD i PD. AD—Alzheimerova bolest, ASD—poremećaj iz spektra autizma, PD—Parkinsonova bolest, TBI—traumatska ozljeda mozga.
3. Neuronska arborizacija i formiranje sinapsi kao dio formiranja kortikalnog kruga
Najraniji kortikalni krugovi kod ljudi formiraju se u prelatu do 5. tjedna trudnoće [25-28]. Neuroni unutar prelata stvaraju primitivne i privremene sinaptičke veze sa susjednim stanicama koje djeluju kao privremene mete dok migrirajući neuroni ne stignu da stvore stabilnije veze. Ovi prepločasti neuroni također su prvi neuroni koji se projiciraju izvan cerebralnog korteksa. Kako se kortikalne lamine razvijaju, neuroni stvaraju veze na kratkim i velikim udaljenostima kako bi stvorili lokalne i globalno povezane neuronske mreže. Razvojni procesi nakon migracije i diferencijacije u početku rezultiraju prekomjernimneuronskiarborizacija i sinaptička povezanost. Oni zahtijevaju usavršavanje, najprije spontanom aktivnošću, a kasnije ekstrinzičnom aktivnošću ovisnom o podražajima, kako bi se formirali i uspostavili zreli neuronski krugovi [29]. Spontanoneuronskiaktivnost je nužna za početni razvoj povezanosti, a do moždane kore stiže talamokortikalnim putem, čak i prije nego što je dovršena radijalna migracija kortikalnih neurona [30]. Seminalne studije provedene na vizualnom sustavu prenatalnih mačaka pokazale su da je blokada spontanog aktiviranja akcijskih potencijala prije otvaranja oka poremetila normalno terminalno grananje aksona ganglijskih stanica retine [31] i neurona talamokortikalnog puta, što je dovelo do nenormalnog stvaranja očne dominacije stupci u primarnom vidnom korteksu [32]. U somatosenzornom korteksu miša u razvoju, prije nego što se mogu primiti bilo kakvi osjetilni podražaji, odsutnost spontane aktivnosti koja potječe iz talamusa rezultira kortikalnim hiperekscitabilnim krugovima i nenormalnim razvojem funkcionalnih stupčastih struktura [33].
Kako mozak sazrijeva i počinje primati senzorne podatke, broj, vrsta i snaga sinapsi variraju kao rezultatneuronskiaktivnost. Ova neuronska aktivnost ne samo da omogućuje dodavanje jedinstvenih informacija neuronskim obrascima, već također potiče pročišćavanje sklopova i ključna je u razvoju zrelog sklopa. Nakon rođenja, morfogeneza dendrita posebno je osjetljiva na unose koji ovise o aktivnosti, te je ključno odreditineuronskidendritsku strukturu i vrstu veza koje treba uspostaviti [34]. Osim toga, dendritične grane mogu se preoblikovati kao odgovor na oštećenje uzrokovano ozljedom ili bolešću. Sposobnost preoblikovanja i prilagodbe promjenama naziva se plastičnost, a pokazalo se da je prisutna tijekom cijelog odraslog života [35,36].
Tijekom prvih 18 mjeseci života, stopa dendritičke morfogeneze i sinaptogeneze se povećava, a razvojni procesi kao što su remodeliranje sinapsi i podrezivanje ovisno o iskustvu približavaju se kritičnom razdoblju u kojem se smatra da netočno vrijeme i brzina dovode do razvoja nekoliko neurorazvojnih poremećaji [26,37,38]. Dendritičko i sinaptičko obrezivanje pokreće međuigra neurona, mikroglije i astrocita [39]. Obrezivanje se odvija u dvije faze: neposredno nakon rođenja - rano djetinjstvo - kako bi se osiguralo ispravno formiranje osjetilnih krugova; i tijekom prijelaza iz djetinjstva, adolescencije i odrasle dobi za remodeliranje krugova uključenih u više kognitivne funkcije uključujući samoregulaciju [39,40]. Abnormalno obrezivanje dovodi do nenormalne dendritične arborizacije i sinaptičke funkcije.
Zanimljivo je da se čini da su sazrijevanje dendrita i ekspresija simptoma ponašanja nekih neurorazvojnih poremećaja vremenski povezani [41]. Na primjer, početak poremećaja iz autističnog spektra (ASD) podudara se s rastom i arborizacijom dendrita koji se javljaju tijekom ranog djetinjstva [42], a izraz simptoma poremećaja pažnje i hiperaktivnosti (ADHD) u srednjem i kasnom djetinjstvu i shizofrenije tijekom kasne adolescencije s dendritičko i sinaptičko obrezivanje [40,41]. Patologija ASD-a povezana je s poremećenom ekscitacijsko/inhibitornom ravnotežom i abnormalnom povezanošću asocijacijskih područja višeg reda [43]. Budući da je ASD često popraćen povećanom veličinom mozga tijekom prve 3 godine života, pretpostavljeno je da bi mogao biti posljedica prekomjernog rasta dendrita ili nedostatka u rezanju i održavanju normalnog broja stanica [42]. ADHD i Tourettov sindrom pojavljuju se kasno u djetinjstvu i karakterizirani su nedostatkom povezanosti u neuralnim krugovima povezanim sa samoregulacijom i inhibicijskim kapacitetom. Također se pokazalo da pacijenti s ADHD-om postižu vršnu kortikalnu debljinu kasnije od svojih neurotipičnih kolega [44]. Tipičan početak shizofrenije javlja se tijekom adolescencije ili mlade odrasle dobi. U shizofrenih pacijenata, tijekom puberteta, kortikalno stanjivanje se događa bržim tempom i širi se na susjedne regije u usporedbi s kontrolnom skupinom iste dobi [45]. Pretpostavlja se da je razlog prekomjernog stanjivanja ili smanjeno grananje dendrita i smanjeni broj stanica, ili češće zbog prekomjernog sinaptičkog rezanja ili nepravilnog sinaptičkog preoblikovanja [46,47]. Iz ove informacije možemo zaključiti da neuspjeh u održavanju ispravnog sazrijevanja dendrita dovodi do abnormalnostineuronskifunkcija i uspostavljanje kruga, što u konačnici rezultira razvojem atipičnih simptoma ponašanja povezanih s neurorazvojnim poremećajima. U ovom kontekstu, važno je sada razmotriti specifično vrijeme događaja sazrijevanja dendrita i mehanizme signalizacije koji ih podupiru.
4. Razvojna vremenska crta i regulacija neuronske arborizacije i formiranja sinapsi
Morfologiju zrelih neurona karakterizira mnoštvo visoko razgranatih procesa koji se protežu od tijela stanice. Ti se neuriti u početku šire na sličan način, prije specijalizacije, u aksone i dendrite, s formiranjem kralježnice dijelom kasne dendritičke specijalizacije u bodljikavim neuronima [2,3,8]. Faze arborizacije dendrita mogu se sažeti kao (i) rast (karakteriziran početnom sporom fazom i kasnijom brzom elongacijom), nakon čega slijedi (ii) dinamičko produženje i povlačenje, što dovodi do konačnog razdoblja (iii) stabilizacije dendrita (Slika 2). ) [2]. Pored ovihneuronski-ovisni o procesima, postoji produženo razdoblje rezidbe koje je posebno ovisno o okolišnim znakovima (pregled u [1]). Stoga postoji stereotipni element dendritične arborizacije, iako postoje varijacije u vremenskom rasporedu događaja između pojedinih vrsta stanica, regija mozga i vrsta.
Slika 2. Shematski dijagram koji sažima usporedni vremenski okvir u kojem se događaju ključni događaji u arborizaciji dendrita. Dendritičko grananje počinje formiranjem primarne grane, odmah nakon toganeuronskimigracija na svoju konačnu poziciju. Zatim se javljaju procesi grananja da bi se formirale sekundarne i tercijarne grane, kao i produljenje grana. Tijekom tog razdoblja, početno je formiranje dendritičnih bodlji, a potom i sinapsi. Reorganizacija i stabilizacija dendritičkih grana, bodlji i sinapsi događa se relativno kasno u razvojnim procesima. Usporedni vremenski okvir ovih događaja prikazan je za miševe, ovce, neljudske primate i ljudski mozak. E—embrionalni dan, GW—gestacijski tjedan, P—postnatalni dan.
4.1. Progresija i vrijeme razvoja dendrita
Podaci prikupljeni od brojnih vrsta pokazuju opći obrazac širenja dendrita tijekom ranih godina života, gdje su produljenje dendritičnih grana i sve veća složenost grana u korelaciji sa sinaptičkim formiranjem. Ovaj se proces stabilizira prije razdoblja reorganizacije i sinaptičkog podrezivanja tijekom rane adolescencije kako se uspostavljaju obrasci arborizacije i sinaptičke povezanosti kod odraslih (vidi sliku2). Tipični obrasci ranog grananja, vizualizirani Golgijevim bojanjem, pokazuju jedan apikalni primarni dendrit zajedno s 3-9 bazalnih dendrita [48]. Oni se protežu nakon završetka migracije, pri čemu se smatra da vodeći migratorni rub prelazi iz primarnog apikalnog neurita u ovoj točki. Čini se da je prijelaz s migracije na produljenje dendrita, barem kod miševa, olakšan uklanjanjem inhibicije Sox11 u ranom postnatalnom korteksu [49]. Akson se općenito specijalizira iz bazalnog neurita, dok ostatak doprinosi dendritskom stablu. U ljudskom mozgu, prvo grananje dendrita zabilježeno je između 16-26 tjedana trudnoće, povećavajući se do 36 tjedana [50,51], a utvrđena, iako rudimentarna, dendritička struktura prisutna je u terminu, s kortikalnim neuronima 30-55 posto svoje najveće duljine [52]. Slično uspostavljena arborizacija opisana je u terminu za primate koji nisu ljudi [53]. U kortikalnim neuronima, čini se da bazalni dendriti uspostavljaju svoju složenost ranije nego apikalni dendriti, bez novih redova grana identificiranih u bazalnim dendritima nakon termina [52]. U mozgu miša, ti se koraci uglavnom događaju u prvom postnatalnom tjednu, s grananjem koje je općenito ekvivalentno ljudskom terminu, oko postnatalnog dana (P)7-10 (pogledajte usporedne podatke u [49,54–56] kao primjeri). Kod ovaca, još jedne uobičajene životinje za modeliranje razvojne ozljede mozga, dendritična arborizacija unutar korteksa počinje oko {{0}}.7-0.85 gestacije (vidi podatke u [21,23,24]).
Analiza sloja V neurona u ljudskom prefrontalnom korteksu sugerira da postoji brza faza širenja i grananja dendrita koja se nastavlja do 5. godine [57]. Nakon toga slijedi dugo razdoblje lokalne dinamičke reorganizacije dendritičkih grana. Većina podataka u vezi s ovim razdobljem dinamičke reorganizacije dolazi iz studija na glodavcima ili staničnih kultura koje istražuju molekularne mehanizme koji reguliraju ove faze dendritičke arborizacije (o kojima se raspravlja u nastavku). Također postoji značajan dio rada na ribicama zebricama, koji koriste sposobnost genetski poboljšanog snimanja s vremenskim odmakom kako bi se otkrili specifični razvojni događaji. Dok se ovaj pregled prvenstveno usredotočuje na nalaze iz mozga sisavaca, podaci o zebricama važan su dodatak ovom području i pregledani su u [58]. Podaci iz mozga miša jasno pokazuju formiranje primarnih grana do P10, s kontinuiranom razradom sekundarnih i tercijarnih grana do približno P40 [50]. Varijacije u arborizaciji dendrita između kortikalnih regija mogu se otkriti u neonatalnom ljudskom mozgu, pri čemu se čini da se prvi razvija primarni motorički korteks (na temelju identifikacije dužih dendrita i većeg broja dendritičnih bodlji) [59]. Čini se da se sinaptička gustoća u vizualnim i slušnim regijama također razvija relativno rano [60]. U obje mjere, čini se da prefrontalni korteks kasni u sazrijevanju, s manje složenim dendritskim granama [52] i smanjen broj sinapsi u ranom životu [60]. Podaci iz mozga čimpanze pokazuju sličan obrazac sazrijevanja: neuroni u prefrontalnom korteksu nastavljaju biti manje razrađeni sve do adolescentnog rezanja, iako u konačnici pokazuju složeniji obrazac grananja nego neuroni u drugim kortikalnim regijama [53].
Dokazi za spolne razlike u arborizaciji dendrita počinju rasti, iz mješavine in vivo i in vitro studija. Ove studije pokazuju jasno povećanu složenost unutar dendritičnih stabljika neurona hipokampusa u muških miševa na P28, u usporedbi s njihovim ženskim parnjacima [61]. Ovaj rezultat je ponovljen u primarnojneuronsko-glijalnikulture iz P0 tkiva hipokampusa u istom soju miševa i čini se da je barem djelomično ovisan o estrogenu [61]. Ove razlike u formiranju dendritičnih lukova između muškaraca i žena mogu pomoći u objašnjenju dobro poznatih spolnih razlika u prezentaciji i dijagnozi neurorazvojnih poremećaja. Dok studija Keila i sur. (2017) povezuju ove spolne razlike s aktivacijom estrogenskog receptora [61], studija Beyera i Karolczah (2000.) o primarnoj dopaminergici srednjeg mozga mišaneuronskikulture sugerira da estrogen također može stimulirati rast neurona neovisno o
estrogenski receptor, umjesto da ovisi o fosforilaciji CREB-a izvedenoj iz cAMP-a i PKA [62]. Osim toga, postoje neki dokazi iz studija na miševima koji sugeriraju da spolne razlike u razvoju mikroglije (urođene i nakon upale) mogu doprinijeti uočenim razlikama uneuronskiarborizacija i broj sinapsi [63].
4.2. Dendritičke bodlje i sinaptički razvoj
Dendritičke bodlje su mikroskopske membranske izbočine koje se sastoje od receptivnog postsinaptičkog odjeljka sinapsi u mozgu [15]. Bodlje sadrže neurotransmitere, neuropeptide, receptore, signalne molekule, ionske kanale i druge proteine koji sudjeluju u sinaptičkom prijenosu. Novonastalim dendritima nedostaju sinapse i bodlje. Tijekom spinogeneze, tanke dinamičke izbočine nalik na prste nazvane filopodije izlaze iz dendritičkog otvora. Ovi filopodiji mogu formirati nezrele sinapse u kontaktu s aksonima; sinapse se mogu pojaviti duž cijele duljine filopodija i na njegovoj bazi i mogu primiti višestruke sinapse [64]. Kako spinogeneza napreduje, duljina i učestalost filopodija se smanjuje, a dendriti počinju proizvoditi tanke, zdepaste i zrele bodlje u obliku gljive iz uvučenih filopodija [65].
Formiranje dendritičke bodlje na bodljikavim neuronima slijedi dendritsko grananje nakon prirodnog kašnjenja, s nezrelim bodljama koje se mogu otkriti na neuronima u ljudskom hipokampusu do 36. tjedna trudnoće, vrijeme kada je prisutno više dendritičnih ogranaka [50]. Formiranje kralježnice vjerojatno će se dogoditi čak i ranije u korteksu, budući da se sinapse mogu detektirati već u dobi od 27 tjedana nakon začeća, u rasponu od 3-10 sinapsi/100 um ovisno o kortikalnoj regiji [60]. Sinaptička gustoća raste do vrhunca (~60 sinapsi/100 um) u dobi od oko 4 godine, a zatim opada tijekom adolescencije do gustoće kod odraslih od približno 35 sinapsi/100 um [60]. U korteksu miša, bodlje su jasno prisutne u nezrelim stanjima prije P10 i vidljivo zrele do P20 [54]. Sinapse se mogu otkriti od P5, brzo rastu do velikog stabilnog broja između P10-17 [66]. Obrasci formiranja sinapsi variraju u cijelom mozgu, počevši ranije u unutarnjim kortikalnim slojevima (V, VI) u usporedbi s vanjskim (II, III), nakon razvoja korteksa iznutra prema van [60].