PMC

Stwardnienie rozsiane (MS) dotyka obecnie ~2,5 miliona ludzi na całym świecie. SM jest zwykle diagnozowane u młodych dorosłych i zwykle nie jest śmiertelne, co oznacza, że ludzie żyją długo z SM. Osoby dotknięte chorobą zwykle cierpią na postępującą niepełnosprawność fizyczną i/lub poznawczą, często obejmującą zmęczenie (89,6%), depresję (53,9%), utratę pamięci (49,0%), dysfunkcję motoryczną lub sensoryczną (76,4%, 70,4%) oraz nietrzymanie moczu (50,8%). Niepełnosprawność ta obciąża pacjentów, ich bliskich i opiekunów oraz kosztuje gospodarkę miliardy dolarów każdego roku.

MS jest przewlekłą, postępującą, demielinizacyjną chorobą neurodegeneracyjną napędzaną przez nieprawidłowo działający układ odpornościowy, która wpływa na mózg i rdzeń kręgowy. Utrata neuronów i zanik mózgu, widoczne nawet we wczesnym okresie choroby, są uważane za główny mechanizm nieodwracalnej niepełnosprawności fizycznej i poznawczej w SM. Nadal brakuje skutecznych metod leczenia tych procesów, co w dużej mierze wynika z braku zrozumienia, co jest przyczyną neurodegeneracji. Co powoduje neurodegenerację w stwardnieniu rozsianym? Proces rozległej, postępującej neurodegeneracji wymaga czegoś więcej niż tylko powstawania ostrych zmian demielinizacyjnych napędzanych atakiem autoimmunologicznym. Inni proponowali, że wiek, akumulacja żelaza, przewlekła aktywacja mikrogleju, dysfunkcja mitochondriów i ekscytotoksyczność glutaminianu (wszystkie dobrze scharakteryzowane mechanizmy prowadzące do uszkodzenia neuronów) mogą być czynnikami przyczyniającymi się do śmierci komórek neuronalnych w MS. Ostatnio zasugerowano również, że może to być bezpośredni atak autoimmunologiczny przeciwko neuronom.

Zróbmy jednak na chwilę krok wstecz i zrozummy topograficzny rozkład patologii w SM. Ogniskowe zmiany aktywnej demielinizacji mogą być uwidocznione na MRI podczas nawrotu SM i pojawiają się w całym rdzeniu kręgowym i/lub mózgu jako zlokalizowane zmiany wzmacniające, które są zwykle związane z naczyniami krwionośnymi. Co ciekawe, inna wspólna strefa demielinizacji znajduje się w pobliżu obszaru periventricularnego zlokalizowanego w głębokiej istocie szarej i białej (Haider i in., 2014). Zmiany te zazwyczaj bezpośrednio przylegają do komór i typowo przebiegają po ich obwodzie, przylegając do płynu mózgowo-rdzeniowego (CSF). W najbardziej zaawansowanych stadiach MS, uderzające wzory powierzchownych zmian korowych stają się powszechne, gdzie obwód korowej istoty szarej wyściełającej bogatą w CSF przestrzeń podpajęczynówkową jest dotknięty (Haider i in., 2014).

Regiony powstawania zmian nie są ukierunkowane na istotę białą lub szarą, a raczej na bliskość bariery krew-mózg (BBB) lub bariery krew-płyn mózgowo-rdzeniowy (BCSFB), a z czasem na sąsiedztwo bogatej w CSF przestrzeni podpajęczynówkowej. Biorąc pod uwagę fakt, że komórki odpornościowe dostają się do ośrodkowego układu nerwowego (OUN) przez BBB i BCSFB, te obszary powstawania zmian nie są zaskoczeniem. Uważa się, że mechanizmem inicjującym jest infiltracja limfocytów T reagujących na mielinę. W tych regionach zapalenia dochodzi do uszkodzenia komórek glejowych i neuronów. Pobliskie oligodendrocyty i neurony ulegają uszkodzeniu i obumierają. Mikroglej i astrocyty również stają się reaktywne, przyczyniając się do procesów chorobowych. Mikroglej przyczynia się do stresu oksydacyjnego poprzez wybuch oksydacyjny, który jest uważany za główny sposób patologii w MS. Astrocyty natomiast przybierają charakterystyczne morfologie hipertroficzne i rozciągają się od aktywnych miejsc demielinizacji do normalnie wyglądającej istoty mózgowej, i prawdopodobnie odgrywają wczesną i aktywną rolę w MS. Inne komórki, takie jak komórki progenitorowe oligodendrocytów i neuronalnych komórek macierzystych, są w kolejce do przyczynienia się do regeneracji zdarzeń. Komórki progenitorowe oligodendrocytów są rekrutowane do miejsc demielinizacji, gdzie na drodze szeregu mechanizmów różnicują się w oligodendrocyty ulegające remielinizacji. Neuronalne komórki macierzyste posiadają niezwykłą zdolność do specjalizacji w neurony lub komórki glejowe i są uważane za cel terapii SM. Komórki śródbłonka mózgu tracą skuteczność jako komórki bariery ścisłego połączenia, tworząc drogę dla przedostawania się niepożądanych i neurotoksycznych substancji do OUN. Perycyty również zostały włączone do patologii MS, a zmiany fenotypowe odpowiadają ciężkości choroby.

Komórki nabłonkowe w MS: Komórki nabłonkowe są rodzajem komórek glejowych występujących w OUN, których rola w MS jest krytycznie słabo zbadana. Są to proste komórki nabłonka rzęskowego o promienistym pochodzeniu glejowym, które pokrywają całą powierzchnię komory OUN i kanał centralny rdzenia kręgowego (Del Bigio, 2010). Jako takie, komórki ependymalne są najbardziej dominującym typem komórek związanych z płynem mózgowo-rdzeniowym. Co ważne, są one jedynym typem komórek, które leżą pomiędzy CSF a głębokimi zmianami periventricularnymi istoty białej i szarej w MS. Komórki ependymalne stanowią zarówno barierę immunologiczną, jak i częściową barierę regulującą dwukierunkowy transport cząsteczek pomiędzy komorowym płynem mózgowo-rdzeniowym a płynem śródmiąższowym. Komórki ependymalne odgrywają integralną rolę w oczyszczaniu mózgu z toksycznych metabolitów, rozpoznawaniu składników odżywczych i regulacji metabolizmu. Zawierają one pierwotne cilium, które wyczuwa krążące w płynie mózgowo-rdzeniowym cząsteczki oraz kępki ruchliwych rzęsek, które utrzymują laminarny przepływ płynu mózgowo-rdzeniowego na powierzchni komory. Komórki ependymalne są również wyposażone w połączenia szczelinowe, połączenia adherencyjne i wyspecjalizowane transportery, które umożliwiają selektywny transport cząsteczek (Del Bigio, 2010).

Badacze dostarczyli dowodów sugerujących, że komórki ependymalne są wrażliwe na stan zapalny i stają się patologiczne w stwardnieniu rozsianym (Nathoo i in., 2016; Lisanti i in., 2005; Schubert i in., 2019). Wykorzystując technologię MRI, Lisanti i wsp. (2005) odkryli unikalny wzór związany z ependymą pacjentów z MS, który określili jako „ependymalny znak 'Dot-Dash'”. Na obrazach z płynnym wzmocnieniem inwersyjnym opisali oni „Kropkę” jako okrągłą hiperintensywną nieregularność na spodniej powierzchni naskórka o średnicy większej niż grubość sąsiadującej z nią „Kreski”. Znak „Kropka-Kreska” jest specyficzny i czuły w wykrywaniu SM, szczególnie u młodszych pacjentów (wiek < 50; specyficzność 71,9%, czułość 95,7%) (Lisanti i wsp., 2005). Prace własne sugerują, że komórki te są szczególnie podatne na śmierć komórkową; dorosłe komórki ependymalne nie są w stanie przetrwać dłużej niż kilka godzin w warunkach in vitro, nawet w warunkach wspomagających (Shah i wsp., 2018). W przypadku chorób neurodegeneracyjnych, w tym choroby Alzheimera i stwardnienia rozsianego, nasza wstępna praca sugeruje, że komórki te są podatne na nieprawidłową morfologię w patologicznych mózgach. Stwierdziliśmy, że duże porcje warstwy ependymalnej zostały utracone (poza normalnym starzeniem się); a wiele komórek ependymalnych, które pozostały, nie rzutowało już procesów do miąższu (niepublikowane obserwacje).

Jak wspomniano, komórki ependymalne są zaangażowane w krążenie płynu mózgowo-rdzeniowego, a komórki te wydają się stawać patologiczne w stwardnieniu rozsianym (Lisanti i in., 2005). Schubert i wsp. (2019) śledzili przepływ CSF u osób z MS i stwierdzili, że tempo krążenia CSF u pacjentów z MS było znacznie zmniejszone w porównaniu ze zdrowymi osobami. CSF jest główną drogą przemieszczania miąższowych produktów ubocznych, w tym odpadów komórkowych, które gromadzą się w płynie śródmiąższowym, w przygotowaniu do wydalenia. Płyn mózgowo-rdzeniowy przepływa z jam komorowych, wzdłuż przestrzeni podpajęczynówkowej, na zewnątrz mózgu i do drenujących węzłów chłonnych. Przepływ ten odbywa się z dużą szybkością – u przeciętnego człowieka CSF krąży 2-3 razy na 24 godziny. Podobnie jak w przypadku MS, starzenie się powoduje zmiany w ependymie (Todd et al., 2018). Ale, w przeciwieństwie do MS, dysfunkcja komórek ependymalnych została stosunkowo dobrze zbadana w starzeniu się. W starzeniu się, warstwa ependymalna znacznie przerzedza się, ponieważ astrocyty jednocześnie tworzą połączenia z rezydentnymi komórkami ependymalnymi. Ponadto, dochodzi do wyraźnego zmniejszenia gęstości ruchliwych rzęsek na apikalnej powierzchni komórek ependymalnych oraz do akumulacji lipidów. W konsekwencji w starzejącym się mózgu prawdopodobnie gromadzą się odpady metaboliczne pochodzące z mózgu. Co najważniejsze, uszkodzenie komórek ependymalnych i anomalie periventricularne zostały skorelowane z pogorszeniem neurokognitywnym (Todd i in., 2018). To, czy dysfunkcja komórek ependymalnych powoduje pogorszenie funkcji poznawczych, które obserwuje się u pacjentów z MS, nie zostało jeszcze zbadane (Chiaravalloti i DeLuca, 2008). W badaniach knock-out genów związanych z komórkami ependymalnymi, zwierzęta doświadczalne często prezentują atrofię mózgu, neurozapalenie, demielinizację okołowszczepową i powiększenie komór, które są cechami patologii MS (Liu i in., 2014; Juurlink, 2015). To, czy dysfunkcja komórek ependymalnych przyczynia się do którejkolwiek z tych cech patologicznych obserwowanych u pacjentów z MS, nie zostało zbadane.

W MS wczesna dominacja zmian periventricularnych, które przylegają do CSF, w połączeniu z ostatecznym nagromadzeniem zmian przylegających do CSF w przestrzeni podpajęczynówkowej, czyni wysoce prawdopodobnym, że obecność i postępujące nagromadzenie czynników związanych z CSF przyczynia się do choroby. Biorąc pod uwagę, że komórki ependymalne są głównym typem komórek, które wchodzą w interakcję z CSF i są głównym typem komórek barierowych, które znajdują się pomiędzy CSF a zmianami okołokomorowymi MS, jest wysoce prawdopodobne, że na te komórki wpływają czynniki związane z CSF w MS. Istnieje kilka cytokin i komórek zapalnych, a także pozostałości, które krążą w CSF pacjentów z MS; w tym czynniki prozapalne, takie jak, interferon-gamma (INFγ), Cxcl12, czynnik martwicy nowotworów, interleukina-2 i interleukina-22 (Magliozzi i in., 2018). To, czy akumulacja czynników związanych z CSF w MS jest napędzana przez dysfunkcję komórek ependymalnych, jest nieznane, a to, czy dysfunkcja komórek ependymalnych bezpośrednio przyczynia się do patogenezy mózgu MS i objawów MS, czy jest wtórną konsekwencją, pozostaje niejasne.

Prawdopodobnie istnieje wiele mechanizmów, które napędzają dysfunkcję i śmierć komórek ependymalnych w stanach patologicznych (Figura 1). W szczególności, komórki ependymalne są wrażliwe na niektóre cytokiny, w tym Cxcl12 i INFγ (Shah i in., 2018). Co ciekawe, wykazano już, że INFγ jest związany ze starzeniem się i spadkiem poznawczym, związanym z progresją MS. Fragmenty mieliny, które dostają się do płynu mózgowo-rdzeniowego pacjentów z MS, prawdopodobnie powodują również uszkodzenie komórek ependymalnych (Laabich i in., 1991). Dodatkowo, komórki T-helper w MS prawdopodobnie oddziałują bezpośrednio z komórkami ependymalnymi poprzez wiązanie Fas-FasL, i mogą również przyczyniać się do dysfunkcji lub śmierci komórek ependymalnych (Shah et al., 2018).

Proponowane mechanizmy molekularnych interakcji pomiędzy czynnikami związanymi z CSF a komórkami ependymalnymi w MS.

Cytokiny, takie jak INFγ i Cxcl12, a także resztki mieliny krążą w CSF pacjentów z MS. Komórki ependymalne są wyposażone w receptory, które mają powinowactwo wiązania dla INFγ i Cxcl12, a także okazały się wrażliwe na uszkodzenia wywołane przez mielinę. Ponadto, komórki T-helper w MS prawdopodobnie oddziałują bezpośrednio z komórkami ependymalnymi poprzez wiązanie Fas-FasL i mogą przyczyniać się do dysfunkcji lub śmierci komórek ependymalnych. Stworzony przy użyciu BioRender.com. CSF: płyn mózgowo-rdzeniowy; INF: interferon; MS: stwardnienie rozsiane.

Wniosek: Jeśli uszkodzenie komórek ependymalnych, bezpośrednio lub pośrednio, powoduje dysfunkcję w jakimkolwiek punkcie w obrębie zawiłego układu krążenia mózgowego, możliwe jest, że usuwanie odpadów komórkowych jest nieodpowiednie i może powodować nagromadzenie toksycznych, szkodliwych czynników. Nawet jeśli istnieją dowody na to, że komórki ependymalne są podatne na dysfunkcję w chorobie, badanie biologii komórek ependymalnych w kontekście MS i zapalenia jest krytycznie niedostatecznie zbadane. Rozszyfrowanie dokładnej roli komórek nabłonkowych w MS pozwoli na odkrycie nowych celów terapeutycznych, które pozwolą na skuteczne leczenie osób z tą chorobą.