Cellule T e neuroni parlano tra loro / T Cells and Neurons Talk to Each Other
Cellule T e neuroni parlano tra loro / T Cells and Neurons Talk to Each Other
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
1) Lo strato più interno delle meningi, la pia madre, riveste il perimetro del cervello, separando il tessuto neurale dal fluido e dal tessuto circostante. Ma le lacune nel tessuto sottile e fibroso consentono ai vasi sanguigni di estendersi in profondità nel cervello. / The meninges’ innermost layer, the pia mater, lines the perimeter of the brain, separating neural tissue from the surrounding fluid and tissue. But gaps in the thin, fibrous tissue allow blood vessels to extend deep into the brain. | ||
 | Lungo i vasi sanguigni del cervello, uno strato compatto di cellule endoteliali, insieme alle proiezioni, o "piedi", degli astrociti costituiscono collettivamente la barriera emato-encefalica, che impedisce al sangue di entrare nell'organo. Ma il CSF che si trova nello spazio tra la pia madre e gli strati superiori delle meningi scorre verso il basso intorno ai vasi sanguigni rivestiti di endotelio. / Along blood vessels in the brain, a tightly packed layer of endothelial cells, along with projections, or “feet,” from astrocytes collectively make up the blood-brain barrier, which prevents blood from entering the organ. But CSF that sits in the space between the pia mater and upper layers of the meninges flows down around the endothelium-lined blood vessels. | |
 | Mentre le arterie pulsano ad ogni battito del cuore, il CSF spinge nei piedi degli astrociti attraverso i canali dell'acqua AQP4. Questo CSF può trasportare segnali dal sistema immunitario come le citochine IL-17, IL-4 e l'interferone gamma che possono anche parlare direttamente con i neuroni. / As arteries pulse with each beat from the heart, CSF pushes into the astrocyte feet through AQP4 water channels. This CSF can carry signals from the immune system such as cytokines IL-17, IL-4, and interferon gamma that may also talk directly with neurons. | |
 | Le citochine possono anche indurre gli astrociti a rilasciare molecole come il fattore neurotrofico derivato dal cervello (BDNF), influenzando l'apprendimento, la memoria e la socialità. / Cytokines can also trigger astrocytes to release molecules such as brain-derived neurotrophic factor (BDNF), influencing learning, memory, and sociality. | |
 | Una volta nel cervello, il liquido cerebrospinale si mescola con il fluido extracellulare dal tessuto neuronale, spazzando via i rifiuti cellulari escreti insieme a qualsiasi tossina, antigeni derivati da patogeni e detriti formati come parte del normale ricablaggio neurale. Questo fluido viene quindi spinto fuori dal cervello attraverso i piedi degli astrociti nello spazio perivascolare, dove può interagire con le cellule T gamma delta. Quelle cellule T possono quindi rispondere rilasciando citochine come IL-17 che possono tornare direttamente nel cervello, anche se questo deve ancora essere dimostrato. / Once in the brain, the CSF mixes with extracellular fluid from neuronal tissue, sweeping up cellular waste excreted along with any toxins, pathogen-derived antigens, and debris formed as part of normal neural rewiring. This fluid is then pushed out of the brain through astrocyte feet into the perivascular space, where it can interact with gamma delta T cells. Those T cells may then respond by releasing cytokines such as IL-17 that can move right back into the brain, although this has yet to be shown. | |
 | Il liquido cerebrospinale viene quindi incanalato ai vasi linfatici nelle meningi e arrossato ai linfonodi del collo, dove più cellule T sono in attesa di scansionare il fluido e rispondere. / The CSF is then channeled to the lymphatic vessels in the meninges and flushed to lymph nodes in the neck, where more T cells are waiting to scan the fluid and respond. | |
Rivolgersi al sistema immunitario potrebbe essere la chiave per trattare alcune forme di compromissione cognitiva.
Crosstalk immuno-neurale
Esistono diversi percorsi per la comunicazione tra cellule immunitarie e neuroni, anche se le cellule T raramente entrano in contatto diretto con il tessuto neurale. Questa comunicazione può avvenire quando il liquido cerebrospinale (CSF) fluisce dallo spazio che circonda i vasi sanguigni in profondità nel cervello nel tessuto neurale e poi di nuovo fuori. Quando un animale apprende nuove informazioni, il cambiamento dei circuiti neurali può rilasciare segnali a cui il sistema immunitario risponde. Il sistema immunitario delle meningi, le membrane spugnose che separano il tessuto neurale dal cranio, controlla anche il liquido cerebrospinale proveniente dal cervello per segni di infezione o lesione.
Le conversazioni tra il sistema immunitario e il sistema nervoso centrale si stanno dimostrando essenziali per il comportamento sociale, l'apprendimento e la memoria sani.
Tiroyaone Brombacher sedeva nel suo laboratorio dell'Università di Città del Capo a guardare un video di un topo albino che nuotava intorno a una vasca larga un metro piena d'acqua. L'animale, a cui mancava una proteina immunitaria chiamata interleuchina 13 (IL-13), stava cercando un posto dove riposare ma non riusciva a trovare il supporto in plexiglass trasparente che si trovava a un'estremità della piscina, appena sotto la superficie dell'acqua. Invece, nuotò e nuotò, attraversando la vasca più volte prima di trovare finalmente la piattaforma su cui stare. Più e più volte, in ripetute prove, il topo non è riuscito a capire dove si trovava la piattaforma. Nel frattempo, i topi di tipo selvatico hanno imparato abbastanza velocemente e hanno nuotato ripetutamente fino alla piattaforma. "Quando hai eliminato l'IL-13, [i topi] non potevano imparare", dice Brombacher, che studia l'intersezione tra psicologia, neuroscienze e immunologia.
Incuriosito da quello che stava succedendo, Brombacher decise di sezionare il cervello dei topi e le membrane spugnose, chiamate meningi, che separano il tessuto neurale dal cranio. Voleva sapere se il sistema nervoso e il sistema immunitario stavano comunicando usando proteine come IL-13. Mentre i topi knockout non avevano IL-13, nel 2017 ha riferito che le meningi dei topi di tipo selvatico erano piene zeppe di citochine. Seduta appena fuori dal cervello, la proteina immunitaria, infatti, sembrava giocare un ruolo fondamentale nell'apprendimento e nella memoria, hanno concluso Brombacher ed i suoi colleghi .
Già nel 2004, studi sui roditori hanno suggerito che i neuroni e le loro cellule di supporto rilasciano segnali che consentono al sistema immunitario di monitorare passivamente il cervello per agenti patogeni, tossine e detriti che potrebbero formarsi durante l'apprendimento e la formazione della memoria, e che, in risposta , le molecole del sistema immunitario potrebbero comunicare con i neuroni per influenzare l'apprendimento, la memoria ed il comportamento sociale. Insieme alla ricerca sulle cellule immunitarie residenti nel cervello, chiamate microglia, il lavoro ha ribaltato un dogma, sostenuto sin dagli anni Quaranta, secondo cui il cervello era "immunitario privilegiato", completamente escluso dal sistema immunitario.
Brombacher ed altri stanno ora iniziando a identificare come avviene la comunicazione tra il sistema nervoso ed il sistema immunitario. Nel 2012, l'imaging molecolare ha rivelato che le proteine marcate in modo fluorescente potevano fluire attraverso uno strato di proiezioni, o "piedi", di cellule di supporto neuronale chiamate astrociti. Gli astrociti sono cellule a forma di stella che si trovano al confine dei tessuti neurali e meningei e lungo i vasi sanguigni del cervello; il loro strato del piede è la barriera che separa il liquido cerebrospinale (CSF), il liquido acquoso che avvolge il cervello ed il midollo spinale, dai neuroni del sistema nervoso centrale. Se quelle molecole etichettate in modo fluorescente potessero attraversare lo strato degli astrociti e spostarsi dentro e fuori il cervello, così potrebbero le proteine del sistema immunitario basate sul CSF, che sono più piccole, hanno calcolato gli scienziati.
Gli esperimenti hanno anche dimostrato che le citochine nel sangue possono attraversare la barriera emato-encefalica (BBB - che, oltre alla parete dei piedi degli astrociti, include uno strato stretto di cellule endoteliali che circondano il sistema vascolare del cervello - e possono influenzare i neuroni. della comunicazione, osserva Brombacher, avviene attraverso le interazioni delle citochine immunitarie con gli astrociti stessi: sembra che le molecole di segnalazione non debbano assolutamente penetrare nel tessuto neurale per influenzare il cervello. Il suo lavoro mostra, ad esempio, come le citochine come IL- 13 stimolano gli astrociti a rilasciare il fattore neurotrofico derivato dal cervello (BDNF) e altre proteine che rafforzano lo sviluppo neurale e influenzano l'apprendimento e la memoria.
Questa linea di lavoro ha portato a rapidi sviluppi nella neuroimmunologia, un campo di ricerca in crescita che si concentra sulla comprensione dei modi in cui il sistema nervoso attinge alle cellule immunitarie durante il normale funzionamento e come tale interazione gioca un ruolo nell'apprendimento, nella memoria e nel comportamento, così come malattie neurologiche. Alcuni ricercatori propongono persino che il sistema immunitario potrebbe essere la chiave per il trattamento di alcune forme di cognizione compromessa.
Citochine che influenzano la cognizione
Una delle prime squadre a stabilire la connessione tra il sistema immunitario e la funzione cerebrale includeva Jonathan Kipnis, ora alla Washington University School of Medicine di St. Louis. Nel 2004, Kipnis e colleghi hanno dimostrato che i topi senza cellule immunitarie adattive come le cellule T avevano difficoltà a ricordare la posizione di una piattaforma sommersa mentre nuotavano. Alcuni anni dopo, il gruppo si è concentrato su una citochina delle cellule T chiamata interleuchina-4 (IL-4), che ha aiutato i topi con sistemi immunitari funzionali a formare ricordi a lungo termine sulla posizione della piattaforma. L'IL-4 è secreta dalle cellule T del corpo che possono migrare verso le meningi ed in qualche modo ha influenzato il cervello.
In seguito a quel lavoro, l'allora postdoc di Kipnis Anthony Filiano, ora assistente professore di neurochirurgia alla Duke University, ha scoperto che i topi privi di cellule T non socializzavano con gli altri come facevano i topi normali. Se i topi immunodepressi ricevevano un'infusione di cellule immunitarie a circa quattro settimane di età, diventavano molto più socievoli, imitando i comportamenti dei topi normali poche settimane dopo la loro integrazione immunitaria. Un'analisi dei dati di espressione genica raccolti da entrambi i gruppi di topi ha rivelato che l'interferone gamma, una citochina essenziale per la difesa del corpo contro i patogeni virali e batterici, era associato alla socialità.
Per vedere se l'interferone gamma ha un effetto diretto sul cervello, Filiano ed i suoi collaboratori hanno eliminato il gene per il recettore delle citochine nei neuroni della corteccia prefrontale del topo, una regione importante per il comportamento sociale. Ciò ha fatto sì che i topi trascorressero meno tempo a interagire con altri topi, segno che si sentivano meno socievoli; il risultato ha offerto prove per suggerire che l'interferone gamma dei linfociti T nelle meningi agisse direttamente sui neuroni corticali.
Ispirati dal lavoro di Kipnis e Filiano, Brombacher e colleghi hanno deciso di organizzare un esperimento simile. Il gruppo ha prima testato topi inattivati per IL-4 contro topi di tipo selvatico in un labirinto acquatico e ha replicato con successo i risultati originali di Kipnis: i topi immunodeficienti avevano problemi di apprendimento. Quindi, Brombacher ha provato l'esperimento con topi privi di IL-13, che è strettamente correlato a IL-4, e ha ottenuto i risultati più drammatici: "l'apprendimento è stato abrogato", dice. Entrambe le citochine hanno chiaramente influenzato l'apprendimento, ma l'IL-13 sembrava giocare un ruolo più significativo dell'IL-4, forse a causa di alcune biochimiche sottostanti: IL-13 e IL-4 condividono un recettore sulla superficie delle cellule chiamato recettore IL-4 alfa , ma IL-13 può anche trasmettere il suo segnale utilizzando un altro recettore.
Aumentano anche le prove del coinvolgimento dell'interleuchina 17 nell'apprendimento e nella socialità. Nel 2016, Gloria Choi del McGovern Institute for Brain Research del MIT e colleghi hanno collegato la citochina a segni nei cuccioli di topo simili ai sintomi del disturbo dello spettro autistico (ASD) negli esseri umani. In particolare, gli animali che hanno sviluppato infezioni durante la gravidanza hanno dato alla luce bambini che mostravano tratti comportamentali simili all'ASD. L'interleuchina 17 (IL-17) era tra i segnali immunitari secreti per aiutare a combattere l'agente patogeno, i ricercatori hanno scoperto che i topi nati da mamme di topo con infezioni avevano un'abbondanza maggiore di recettori IL-17 sulle loro cellule cerebrali rispetto ai topi nati da non mamme infette. Il blocco di quei recettori IL-17 con farmaci durante la gestazione proteggeva i cuccioli dagli effetti di una IL-17 materna più alta; i cuccioli sono nati senza i problemi comportamentali tipici associati all'ASD. Stimolare il rilascio di IL-17 o somministrare direttamente le citochine sembrava anche attenuare i sintomi simili all'ASD nei topi adulti giovani ed anziani che erano stati esposti a livelli elevati di IL-17 in utero, suggerendo che l'esposizione a livelli elevati di IL-17 materna durante lo sviluppo paradossalmente "prepara" anche il sistema immunitario al salvataggio da parte delle citochine nella maturità.
L'anno scorso, la neuroimmunologa Julie Ribot dell'Università di Lisbona ed i suoi colleghi hanno aggiunto alla storia di IL-17 quando hanno scoperto che i topi privi di un certo tipo di cellula T o la citochina avevano problemi a creare ricordi a breve termine quando esplori un labirinto a forma di Y. Ciò è in contrasto con gli effetti sulla formazione della memoria a lungo termine che i ricercatori hanno scoperto per IL-4 e IL-13 nel labirinto d'acqua. I diversi effetti delle interleuchine, dice Ribot, potrebbero avere qualcosa a che fare con il fatto che le cellule T gamma delta che producono IL-17 risiedono nelle meningi, dove potrebbero agire in pochi secondi durante la formazione della memoria a breve termine. Le cellule T che producono IL-4 e IL-13, d'altra parte, devono essere reclutate nelle meningi da altre parti del corpo, il che richiede tempo, suggerendo che supportano la creazione di ricordi che impiegano più tempo a formarsi, osserva.
Tuttavia, il ruolo delle cellule T gamma delta e dell'IL-17 nella cognizione non si esaurisce con i legami con la memoria e l'autismo. Le cellule e le loro citochine possono svolgere un ruolo nell'ansia, secondo gli ultimi esperimenti di Kipnis. Il suo gruppo ha recentemente dimostrato che il rilascio di IL-17 dalle cellule T gamma delta è correlato al comportamento ansioso nei topi e che l'eliminazione del recettore IL-17 dai neuroni glutamatergici nelle regioni corticali coinvolte nella percezione della minaccia e nella risposta ha ridotto i comportamenti ansiosi . Il risultato principale di ciascuno di questi documenti IL-17 è lo stesso, afferma Kipnis. "Stiamo dimostrando che hai una popolazione di cellule immunitarie che si trovano al di fuori del cervello che hanno un impatto sui neuroni al suo interno".
Parallelamente a questi studi che dimostrano la capacità delle citochine di influenzare l'apprendimento e la memoria, l'ansia e il comportamento sociale, i ricercatori stanno iniziando a tirare indietro il sipario sui canali di comunicazione che le cellule T usano per parlare con i neuroni. Sebbene non sia ancora chiaro esattamente come interagiscono fisicamente i due sistemi, sono state identificate diverse possibilità, inclusi i messaggi diretti dai linfociti T inviati tramite citochine che interagiscono con i neuroni e segnali indiretti generati attraverso l'interazione delle citochine con gli astrociti.
Linee di comunicazione tra cellule immunitarie e neuroni
Alcuni neuroscienziati rimangono fermamente convinti che, ad eccezione di alcuni farmaci, la maggior parte delle molecole non riesce a superare le barriere che separano il cervello dal resto del corpo a meno che non ci sia una rottura degli strati limite destinati a isolare il sistema nervoso centrale. Ma la ricerca di diversi gruppi ora sfida questa idea. Uno studio chiave per smentire l'ipotesi di lunga data che il cervello abbia privilegi immunitari è venuto dal laboratorio del neuroscienziato Maiken Nedergaard del Centro medico dell'Università di Rochester. Nel 2012, lei ed i suoi colleghi hanno visto traccianti fluorescenti e radiomarcati fluire dal liquido cerebrospinale al cervello di topi anestetizzati.
Nello specifico, il gruppo di Nedergaard ha registrato il movimento dei traccianti dentro e fuori la corteccia cerebrale degli animali, lo strato esterno del cervello di materia grigia piegata, essenziale per la coscienza, l'attenzione e la creazione di ricordi. I ricercatori hanno scoperto che il CSF che trasporta citochine ed altre molecole di segnalazione fluisce dalle meningi nello spazio che circonda il sistema vascolare del cervello. Quando le arterie pulsano a ogni battito del cuore di un animale, i vasi sanguigni si espandono ed il liquido cerebrospinale viene spinto attraverso i canali dell'acqua nei piedi degli astrociti e poi nel cervello. Ha luogo anche il flusso inverso: il liquido cerebrospinale che è entrato nel cervello e si è mescolato con il fluido extracellulare, o interstiziale, e che ora trasporta le proteine di scarto pronte per l'eliminazione, viene premuto indietro attraverso gli astrociti nello spazio circostante i vasi sanguigni. "Maiken lo ha mostrato in modo molto, molto elegante", dice Kipnis. Ha completamente rovesciato il dogma secondo cui il cervello è immunitario privilegiato, dice.
All'inizio di quest'anno, Andrew Yang della Stanford University e colleghi hanno esteso questa scoperta per mostrare in modo specifico che le citochine rilasciate dalle cellule T nel sangue possono raggiungere anche il cervello dei topi. I ricercatori hanno estratto il sangue dagli animali, hanno separato le proteine plasmatiche, le hanno etichettate con un'etichetta fluorescente, quindi le hanno iniettate nuovamente nel flusso sanguigno dei topi da cui provenivano. In topi giovani adulti sani, molte delle proteine marcate con fluorescenza hanno attraversato il BBB per entrare nel liquido interstiziale nel cervello. "Questa scoperta suggerisce che un'ampia varietà di funzioni neurali. . . potrebbe essere modulato da segnali proteici sistemici ", hanno scritto Roeben Munji e Richard Daneman dell'Università della California, San Diego, in un commento che accompagna lo studio di Yang.
Le citochine nelle meningi o forse anche nel sangue potrebbero non dover entrare affatto nel cervello per influenzare il sistema nervoso centrale, secondo gli studi di Brombacher. IL-13 ed altre molecole di segnalazione cellulare nel liquido cerebrospinale o nel sangue potrebbero interagire con gli astrociti nel BBB o nel perimetro del cervello. Negli astrociti in coltura, il trattamento con IL-13 ha stimolato la produzione di BDNF ed attivato la produzione della proteina acida fibrillare gliale (GFAP), un'indicazione che le connessioni neurali sono in fase di ricablaggio. Lo studio di Ribot su IL-17 ha anche dimostrato che la citochina potrebbe spingere gli astrociti dei topi a rilasciare BDNF nel cervello. Sia BDNF che GFAP, che potenziano il ricablaggio sinaptico, sono associati all'apprendimento ed alla memoria.
Linfonodi hanno la possibilità di controllare il CSF per potenziali minacce come i patogeni, dice. Tracciare quel sistema linfatico nel cervello delle persone è molto più difficile, ma Kipnis dice che ci sono alcune prove che ciò che gli scienziati stanno trovando nei roditori si traduce nella biologia umana. Nel 2017, lui ed i suoi collaboratori presso l'Istituto nazionale di disturbi neurologici ed ictus hanno utilizzato la risonanza magnetica per confermare in modo non invasivo l'esistenza di vasi linfatici meningei negli esseri umani e nei primati non umani .
Comprendere la diafonia cellula immunitaria-neurone, sia il modo in cui le cellule T rispondono a ciò che è nel liquido cerebrospinale proveniente dal sistema nervoso centrale, sia come inviano segnali al cervello, potrebbe essere importante per comprendere i disturbi neurologici, come il morbo di Alzheimer, l'autismo, la schizofrenia ed anche il declino cognitivo associato all'invecchiamento. "Con molti di questi disturbi neurologici, ci sono state segnalazioni che c'è una sorta di disregolazione del sistema immunitario", dice Filiano. L'identificazione di segnali difettosi dai neuroni nel fluido che lascia il cervello potrebbe portare a strumenti diagnostici per i disturbi neurologici, osserva. E dato che il CSF può trasportare citochine ed altre proteine ai neuroni, Kipnis afferma di sospettare che "mettere terapie [a base immunitaria] in quel fluido sarà probabilmente un percorso molto, molto efficiente per il trattamento dei pazienti".
Trattare i disturbi cerebrali con le citochine
Lo sviluppo di molecole da infondere nel sangue o nel liquido cerebrospinale per comunicare con il cervello richiede una migliore comprensione di come le citochine influenzano i neuroni, gli astrociti e la micro-glia nel corso della vita. L'interferone gamma, ad esempio, sembra avere due facce quando si tratta di influenzare i circuiti neuronali. Negli studi di Kipnis sui giovani topi, la citochina era essenziale affinché gli animali fossero sociali. Ma un'analisi del cervello di vecchi topi mostra che la stessa citochina potrebbe essere dannosa per la creazione di nuovi neuroni nei topi anziani. Dando ai vecchi topi un anticorpo che neutralizza la neurogenesi ripristinata dalle citochine immunitarie nel cervello degli animali, un gruppo di ricercatori ha riferito nel 2019.
Una tattica simile potrebbe fornire un nuovo modo per trattare vari disturbi neuropsichiatrici come la schizofrenia. Le analisi delle cellule immunitarie nel sangue dei pazienti schizofrenici mostrano che questi individui hanno livelli più elevati di una varietà di citochine, tra cui IL-13 e interferone gamma, rispetto agli individui sani. Le persone con schizofrenia trattate con farmaci anti-infiammatori ed antipsicotici tendono anche ad avere meno problemi cognitivi rispetto agli individui trattati solo con antipsicotici, suggerendo che la riduzione dei livelli di citochine potrebbe migliorare i sintomi dei pazienti. Mentre i cambiamenti neuronali che causano la schizofrenia sono tutt'altro che chiari, gli studi suggeriscono che quando alcuni neuroni producono livelli di dopamina inferiori al previsto, avvisano le cellule T di un problema e le cellule T rispondono rilasciando citochine che provocano deficit legati alla malattia nella memoria, nell'apprendimento, nel comportamento sociale e nella resilienza allo stress.
Filiano e Kipnis hanno trovato prove che un approccio simile potrebbe funzionare per aiutare le persone con autismo. In esperimenti con topi privi di cellule T, i ricercatori hanno scoperto che gli animali non solo avevano deficit sociali, ma mostravano anche iperattività nei circuiti neurali che spesso hanno un'attività anormale nel cervello delle persone con autismo. Non solo il comportamento sociale è migliorato quando il gruppo ha infuso i topi con cellule immunitarie, ma anche l'attività neurale anormale degli animali si è attenuata. Modificare meticolosamente il sistema immunitario potrebbe invertire i deficit cognitivi e sociali del disturbo, suggeriscono gli esperimenti.
Per ora i risultati lasciano Filiano con la voglia di saperne di più. Spiega: "Siamo davvero interessati a come queste cellule immunitarie parlano al cervello, come questi segnali arrivano dalle cellule immunitarie a questi circuiti neurali, come avviene la comunicazione nella salute e nella malattia".
ENGLISH
Turning to the immune system might be key to treating some forms of impaired cognition.
Because we know that cerebrospinal fluid does go into the brain, putting therapies into that fluid will probably be a very, very efficient route for treating patients.
Immune-Neural Crosstalk
Several routes exist for immune cells and neurons to communicate, though T cells rarely come in direct contact with neural tissue. This communication can happen as cerebrospinal fluid (CSF) flows from the space surrounding blood vessels deep in the brain into neural tissue and back out again. As an animal learns new information, changing neural circuits can release signals to which the immune system responds. The immune system in the meninges, the spongy membranes that separate neural tissue from the skull, also monitors CSF coming from the brain for signs of infection or injury.
Conversations between the immune and central nervous systems are proving to be essential for the healthy social behavior, learning, and memory.
Tiroyaone Brombacher sat in her lab at the University of Cape Town watching a video of an albino mouse swimming around a meter-wide tub filled with water. The animal, which lacked an immune protein called interleukin 13 (IL-13), was searching for a place to rest but couldn’t find the clear plexiglass stand that sat at one end of the pool, just beneath the water’s surface. Instead, it swam and swam, crisscrossing the tub several times before finally finding the platform on which to stand. Over and over, in repeated trials, the mouse failed to learn where the platform was located. Meanwhile, wildtype mice learned fairly quickly and repeatedly swam right to the platform. “When you took out IL-13, [the mice] just could not learn,” says Brombacher, who studies the intersection of psychology, neuroscience, and immunology.
Curious as to what was going on, Brombacher decided to dissect the mice’s brains and the spongy membranes, called the meninges, that separate neural tissue from the skull. She wanted to know if the nervous system and the immune system were communicating using proteins such as IL-13. While the knockout mice had no IL-13, she reported in 2017 that the meninges of wildtype mice were chock full of the cytokine. Sitting just outside the brain, the immune protein did, in fact, seem to be playing a critical role in learning and memory, Brombacher and her colleagues concluded.
As far back as 2004, studies in rodents suggested that neurons and their support cells release signals that allow the immune system to passively monitor the brain for pathogens, toxins, and debris that might form during learning and memory-making, and that, in response, molecules of the immune system could communicate with neurons to influence learning, memory, and social behavior. Together with research on the brain’s resident immune cells, called microglia, the work overturned a dogma, held since the 1940s, that the brain was “immune privileged,” cut off from the immune system entirely.
Brombacher and others are now starting to identify how communication between the nervous system and the immune system happens. In 2012, molecular imaging revealed that fluorescently labeled proteins could flow through a layer of projections, or “feet,” of neuronal support cells called astrocytes. Astrocytes are star-shaped cells that sit at the border of neural and meningeal tissues and along the blood vessels of the brain; their foot layer is the barrier that separates cerebrospinal fluid (CSF), the watery liquid that envelops the brain and spinal cord, from the neurons of the central nervous system. If those fluorescently labeled molecules could cross the astrocyte layer and move into and out of the brain, so could CSF-based immune-system proteins, which are smaller, scientists figured.
Experiments have also shown that cytokines in the blood can cross the blood-brain barrier (BBB—which, in addition to the wall of astrocyte feet, includes a tight layer of endothelial cells surrounding the brain’s vasculature—and may influence neurons. A third mode of communication, Brombacher notes, is through immune cytokines’ interactions with astrocytes themselves: it seems that the signaling molecules don’t have to penetrate neural tissue at all to influence the brain. Her work shows, for example, how cytokines such as IL-13 spur astrocytes to release brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and other proteins that bolster neural development and influence learning and memory.
This line of work has led to rapid developments in neuroimmunology, a growing field of research that focuses on understanding the ways in which the nervous system draws on immune cells during normal function, and how that interaction plays a role in learning, memory, and social behavior, as well as neurological disease. Some researchers even propose that the immune system might be key to treating some forms of impaired cognition.
Cytokines that influence cognition
One of the first teams to make the connection between the immune system and brain function included Jonathan Kipnis, now at the Washington University School of Medicine in St. Louis. In 2004, Kipnis and colleagues showed that mice without adaptive immune cells such as T cells had trouble remembering the location of a submerged platform while they were swimming. A few years later, the group focused in on a T cell cytokine called interleukin-4 (IL-4), which helped mice with functional immune systems form long-term memories about the platform’s location. IL-4 is secreted by T cells in the body that can migrate to the meninges, and was somehow affecting the brain.
Following up on that work, Kipnis’s then-postdoc Anthony Filiano, now an assistant professor of neurosurgery at Duke University, found that mice lacking T cells didn’t socialize with others the way normal mice did. If the immune-deficient mice got an infusion of immune cells at around four weeks of age, they became much more social, mimicking the behaviors of normal mice just a few weeks after their immune supplementation. An analysis of gene expression data collected from both sets of mice revealed that interferon gamma, a cytokine essential for the body’s defense against viral and bacterial pathogens, was associated with sociality.
To see if interferon gamma had a direct effect on the brain, Filiano and his collaborators knocked out the gene for the cytokine receptor in neurons in the mouse prefrontal cortex, a region important for social behavior. This caused mice to spend less time interacting with other mice, a sign that they were feeling less social; the result offered evidence to suggest that interferon gamma from T cells in the meninges was acting directly on the cortical neurons.
Inspired by Kipnis and Filiano’s work, Brombacher and colleagues decided to set up a similar experiment. The team first tested IL-4 knockout mice against wildtype mice in a water maze and successfully replicated Kipnis’s original results—the immunodeficient mice were learning impaired. Then, Brombacher tried the experiment with mice lacking IL-13, which is closely related to IL-4, and got the more dramatic results: “learning was abrogated,” she says. Both cytokines clearly affected learning, but IL-13 appeared to play a more significant role than IL-4, perhaps because of some underlying biochemistry: IL-13 and IL-4 share a receptor on the surface of cells called IL-4 receptor alpha, but IL-13 can also transmit its signal using another receptor. Brombacher is now setting up experiments to remove the cell receptors and see what happens to the mice’s performance in the water maze.
Evidence is also mounting for interleukin 17’s involvement in learning and sociality. In 2016, Gloria Choi of MIT’s McGovern Institute for Brain Research and colleagues linked the cytokine to signs in mouse pups similar to symptoms of autism spectrum disorder (ASD) in humans. Specifically, animals that developed infections while pregnant gave birth to babies that exhibited ASD-like behavioral traits. Interleukin 17 (IL-17) was among the immune signals secreted to help combat the pathogen, the researchers found, and baby mice born to mouse moms with infections had a higher abundance of IL-17 receptors on their brain cells than mice born to uninfected moms. Blocking those IL-17 receptors with drugs during gestation protected pups against the effects of higher maternal IL-17; the pups were born without the signature behavioral issues associated with ASD. Stimulating the release of IL-17 or administering the cytokine directly also appeared to attenuate ASD-like symptoms in young and old adult mice that had been exposed to the high IL-17 levels in utero, suggesting that exposure to elevated maternal IL-17 during development also paradoxically “primes” the immune system for rescue by the cytokine in maturity.
Last year, neuroimmunologist Julie Ribot of the University of Lisbon and her colleagues added to the IL-17 story when they discovered that mice lacking a certain type of T cell or the cytokine had trouble making short-term memories when exploring a Y-shaped maze. This is in contrast to the effects on long-term memory formation that researchers have uncovered for IL-4 and IL-13 in the water maze. The different effects of the interleukins, Ribot says, could have something to do with the fact that the gamma delta T cells that produce IL-17 reside in the meninges, where they could act within seconds during short-term memory formation. T cells that produce IL-4 and IL-13, on the other hand, have to be recruited to the meninges from elsewhere in the body, which takes time, suggesting they support the creation of memories that take longer to form, she notes.
The role of gamma delta T cells and IL-17 in cognition doesn’t end with links to memory and autism, though. The cells and their cytokine may play a role in anxiety, according to Kipnis’s latest experiments. His team recently showed that the release of IL-17 from gamma delta T cells correlates with anxiety-like behavior in mice, and that deleting the IL-17 receptor from glutamatergic neurons in cortical regions involved in threat perception and response reduced anxiety-like behaviors. The major takeaway from each of these IL-17 papers is the same, Kipnis says. “We’re showing that you have a population of immune cells sitting outside the brain that impact neurons inside it.”
In parallel with these studies demonstrating the capacity of cytokines to affect learning and memory, anxiety, and social behavior, researchers are beginning to pull back the curtain on the communication channels that T cells use to talk with neurons. Although it is still unclear exactly how the two systems physically interact, several possibilities have been identified, including direct messages from T cells sent via cytokines interacting with neurons and indirect signals generated through the interaction of cytokines with astrocytes.
Communication lines between immune cells and neurons
Some neuroscientists remain adamant that, with the exception of some drugs, most molecules do not get through the barriers that separate the brain from the rest of the body unless there’s a rupture to the boundary layers intended to cordon off the central nervous system. But research from several groups now challenges this idea. A key study in disproving the long-held assumption that the brain is immune privileged came from the lab of neuroscientist Maiken Nedergaard of the University of Rochester Medical Center. In 2012, she and her colleagues watched fluorescent and radiolabeled tracers flow from the CSF into the brains of anesthetized mice.
Specifically, Nedergaard’s team recorded the movement of the tracers into and out of the animals’ cerebral cortex, the brain’s outer layer of folded gray matter, which is essential for consciousness, attention, and making memories. The researchers learned that CSF carrying cytokines and other signaling molecules flows from the meninges into the space surrounding the brain’s vasculature. As the arteries pulse with each beat of an animal’s heart, the blood vessels expand, and the CSF is pushed through water channels in the astrocyte feet and then into the brain. The reverse flow also takes place: CSF that has entered the brain and mixed with the extracellular, or interstitial, fluid—and that now carries waste proteins ready for clearance—is pressed back through astrocytes into the space surrounding the blood vessels. “Maiken showed this very, very elegantly,” Kipnis says. It completely overthrew the dogma that the brain is immune privileged, he says.
Earlier this year, Andrew Yang of Stanford University and colleagues extended this finding to specifically show that cytokines released from T cells in the blood can also reach the brains of mice. The researchers extracted blood from the animals, separated out plasma proteins, labeled them with a fluorescent tag, then injected them back into the bloodstreams of the mice they came from. In healthy young adult mice, lots of the fluorescently tagged proteins crossed the BBB to enter the interstitial fluid in the brain. “This finding suggests that a wide variety of neural functions . . . could be modulated by systemic protein signals,” Roeben Munji and Richard Daneman of the University of California, San Diego, wrote in a commentary accompanying Yang’s study.
Cytokines in the meninges or possibly even in the blood might not have to enter the brain at all to affect the central nervous system, according to Brombacher’s studies. IL-13 and other cell signaling molecules in the CSF or blood could interact with astrocytes at the BBB or at the perimeter of the brain. In cultured astrocytes, treatment with IL-13 spurred the production of BDNF and triggered the production of glial fibrillary acidic protein (GFAP), an indication that neural connections are undergoing rewiring. Ribot’s study on IL-17 also showed that the cytokine could spur mice’s astrocytes to release BDNF into the brain. Both BDNF and GFAP, which boost synaptic rewiring, are associated with learning and memory.
Communication between the immune and nervous systems can also happen in the reverse direction, with signals from the brain reaching T cells of the spongy, membranous meninges and of the rest of the body. Until a few years ago, researchers agreed that the brain lacked a drainage, or lymphatic, system to clear away its waste and to transport immune cells. But to Kipnis, it just didn’t make sense that one of the most important organs in the body would not have that kind of plumbing. So he and his colleagues went looking for it, and in 2015, they found it—mice’s brains did, in fact, have lymphatic vessels that shipped waste and T cells from the meninges to deep cervical lymph nodes in the animals’ necks. “These structures are bona fide vessels—they express all the same markers as lymphatic vessels in every other tissue,” he told The Scientist at the time.
In mice, T cells residing in the meninges scan the CSF for the cellular waste generated as neuronal circuits undergo changes, whether in response to learning and memory formation or in the case of dysfunction. Then, T cells in the lymph nodes get a chance to check the CSF for potential threats such as pathogens, he says. Tracking that lymphatic system in people’s brains is much harder, but Kipnis says there’s some evidence that what scientists are finding in rodents does translate to human biology. In 2017, he and collaborators at the National Institute of Neurological Disorders and Stroke used MRI to noninvasively confirm the existence of meningeal lymphatic vessels in humans and nonhuman primates.
Understanding immune cell–neuron crosstalk—both the way T cells respond to what’s in CSF coming from the central nervous system and how they send signals into the brain—could be important for understanding neurological disorders, such as Alzheimer’s disease, autism, schizophrenia, and even the cognitive decline associated with aging. “With many of these neurological disorders, there’s been reports that there’s some kind of dysregulation of the immune system,” Filiano says. Identifying faulty signals from neurons in the fluid leaving the brain could lead to diagnostic tools for neurological disorders, he notes. And given that CSF can carry cytokines and other proteins to neurons, Kipnis says he suspects that “putting [immune-based] therapies into that fluid will probably be a very, very efficient route for treating patients.”
Treating brain disorders with cytokines
Developing molecules to infuse into the blood or CSF to communicate with the brain requires a better understanding of how cytokines affect neurons, astrocytes, and micro-glia over the course of a lifetime. Interferon gamma, for example, appears to have two faces when it comes to influencing neuronal circuits. In Kipnis’s studies of young mice, the cytokine was essential for the animals to be social. But an analysis of the brains of old mice shows that the same cytokine might be detrimental to making new neurons in aged mice. Giving the old mice an antibody that neutralizes the immune cytokine restored neurogenesis in the animals’ brains, a team of researchers reported in 2019.
A similar tactic might provide a novel way to treat various neuropsychiatric disorders such as schizophrenia. Analyses of immune cells in the blood of schizophrenia patients show that these individuals have higher levels of a variety of cytokines, including IL-13 and interferon gamma, than healthy individuals do. People with schizophrenia treated with anti-inflammatory and antipsychotic drugs also tend to have fewer cognitive problems than individuals treated with only antipsychotics, hinting that reducing cytokine levels could improve patients’ symptoms. While the neuronal changes that cause schizophrenia are far from clear, studies suggest that when certain neurons produce lower-than-expected levels of dopamine, they alert T cells to a problem, and the T cells respond by releasing cytokines that prompt disease-related deficits in memory, learning, social behavior, and resilience to stress.
Filiano and Kipnis have found evidence that a similar approach might work for helping individuals with autism. In experiments with mice lacking T cells, the researchers found that the animals not only had social deficits but also showed hyperactivity in neural circuits that often have abnormal activity in the brains of people with autism. Not only did social behavior improve when the team infused the mice with immune cells, but the animals’ abnormal neural activity subsided too. Meticulously tweaking the immune system might reverse the cognitive and social deficits of the disorder, the experiments suggest.
For now, the results leave Filiano wanting to know more. He explains, “We’re really interested in how these immune cells talk to the brain, how these signals get from the immune cells to these neural circuits, how that communication happens in health and disease.”
Da:
https://www.the-scientist.com/features/t-cells-and-neurons-talk-to-each-other-67973?_ga=2.61098020.942721232.1609462371-424796909.1601336449
Commenti
Posta un commento