Signalisation calcique morphotype-spécifique dans les microglies humaines

Voici la traduction complète du rapport en français, en conservant le formatage Markdown original :

Étude des caractéristiques des signaux calciques spécifiques à la morphologie dans les cellules microgliales humaines

Contexte et objectif de recherche

Les cellules microgliales sont les principales cellules immunitaires du système nerveux central (SNC), impliquées dans presque tous les processus physiologiques et pathologiques, y compris le développement, la transmission synaptique, la plasticité neuronale, le sommeil, les traumatismes, le glioblastome et les maladies neurodégénératives. De plus, les cellules microgliales surveillent leur microenvironnement en détectant les motifs moléculaires associés aux dangers (DAMPs) et les motifs moléculaires associés aux pathogènes (PAMPs). Les cellules microgliales détectent les changements de concentration intracellulaire de calcium en exprimant un grand nombre de gènes codant pour différents récepteurs membranaires (appelés “sensoriome microglial”), déclenchant ainsi la production et la libération de cytokines et d’autres facteurs inflammatoires, ainsi que la prolifération, la différenciation, la migration et la phagocytose cellulaires. Dans les modèles murins, les signaux calciques transitoires des cellules microgliales sont étroitement liés à l’activité des réseaux neuronaux et présentent des caractéristiques de compartimentation spatiale distinctes. Cependant, les caractéristiques des signaux calciques des cellules microgliales humaines restent inconnues, et la plupart des études sont limitées aux cellules primaires cultivées ou aux cellules de type microglial dérivées de cellules souches pluripotentes induites (iPSC).

Source et auteurs de l’article

Cette étude a été réalisée par Sofia Nevelchuk et al., les auteurs provenant principalement du Département de Neurophysiologie de l’Institut de Physiologie de l’Université Eberhard Karls de Tübingen, de l’Institut Hertie pour la Recherche Clinique sur le Cerveau de l’Université de Tübingen, et de l’Institut Max-Planck d’Intelligence Biologique à Martinsried. L’article a été publié dans le Journal of Neuroinflammation en 2024.

Méthodes de recherche et flux de travail

Préparation et culture des échantillons de tissus

Les échantillons de l’étude ont été prélevés sur des tissus corticaux excisés lors de chirurgies de 6 patients, qui ont ensuite été utilisés pour préparer des tranches corticales organotypiques. Ces tranches ont été conservées dans du liquide céphalo-rachidien artificiel froid et transférées sur des membranes de culture dans un délai de 1 à 2 heures, puis cultivées avec du liquide céphalo-rachidien humain (hCSF). La culture a été réalisée avec un milieu de culture pour cellules souches neurales de 1,5 mm de longueur, et le hCSF a été changé tous les 3 jours. Pendant l’étude, les tranches ont été transduites avec des vecteurs lentiviraux exprimant trois protéines fluorescentes de couleurs différentes (mCherry, mVenus, mTurquoise2) et un nouvel indicateur calcique génétiquement encodé, mcyrfp1-caneon, pour marquer et analyser les signaux calciques des cellules microgliales.

Développement et évaluation des performances du nouvel indicateur calcique

Pour surveiller les signaux calciques dans les cellules microgliales humaines, l’équipe de recherche a développé un nouvel indicateur calcique ratiométrique génétiquement encodé, mcyrfp1-caneon. Cet indicateur combine la protéine fluorescente jaune-verte mNeonGreen et la protéine fluorescente rouge mcyrfp1, permettant l’imagerie calcique en mode mono-photon et bi-photon. Par rapport aux GCaMPs populaires actuels, caneon a une luminosité plus élevée et seulement deux sites de liaison au calcium, offrant une meilleure linéarité et une charge tampon calcique réduite.

Détection des signaux calciques et analyse des données

L’étude a utilisé le cadre Begonia de MATLAB pour la détection et l’analyse des pixels actifs des signaux calciques. Les valeurs de fluorescence de chaque pixel ont été converties en séries temporelles binaires, les pixels actifs ont été identifiés à l’aide d’un seuil déterminé empiriquement, et ces pixels ont été regroupés pour définir des régions d’activité (ROA). Les valeurs moyennes de fluorescence de caneon et mcyrfp1 ont ensuite été calculées à chaque point temporel, puis le rapport des changements transitoires de calcium (δR/R) a été calculé et analysé.

Principaux résultats de recherche

Caractéristiques des signaux calciques dans les cellules microgliales de différentes morphologies

Cette étude a révélé des caractéristiques de compartimentation significatives des signaux calciques dans les cellules microgliales humaines, avec des caractéristiques distinctes pour les cellules de différentes morphologies. L’étude a décrit en détail les caractéristiques des signaux calciques sous les aspects suivants :

1. Niveau de calcium basal : L’étude a montré que dans les cellules microgliales humaines, le niveau de calcium basal diffère significativement entre les cellules de morphologies différentes. Les cellules microgliales ramifiées présentent le niveau de calcium basal le plus bas, tandis que les cellules microgliales amiboïdes montrent une augmentation significative du niveau de calcium basal.

2. Distribution et fréquence des signaux calciques : Les signaux calciques sont principalement limités aux régions des processus cellulaires dans les cellules ramifiées, tandis que dans les cellules amiboïdes, la plupart des signaux calciques sont distribués dans le corps cellulaire. Une analyse plus approfondie a révélé que les transitoires calciques des processus des cellules ramifiées ont des caractéristiques d’amplitude élevée et de courte durée, tandis que les transitoires calciques des cellules amiboïdes ont des caractéristiques d’amplitude élevée mais de longue durée.

3. Caractéristiques des régions d’activité (ROAs) : Dans les cellules ramifiées, les régions d’activité calcique sont plus petites et principalement concentrées dans les processus cellulaires ; dans les cellules amiboïdes, les régions d’activité sont plus grandes et principalement situées dans le corps cellulaire. Les amplitudes et l’AUC des transitoires calciques diffèrent dans les trois morphologies cellulaires, en particulier entre les cellules ramifiées et amiboïdes.

Caractéristiques dynamiques des signaux calciques

1. Fréquence et comportement oscillatoire : Dans les cellules ramifiées et hypertrophiques, la fréquence des signaux calciques est relativement faible, tandis que dans les cellules amiboïdes, on observe fréquemment des phénomènes d’oscillation calcique, avec une fréquence d’environ 12,33×10^-3 s^-1.
2. Association entre mouvement et transitoires calciques : De nombreuses cellules ramifiées et hypertrophiques montrent des mouvements significatifs des processus, avec des transitoires calciques locaux dans les régions correspondantes ; bien qu’aucun déplacement du corps cellulaire n’ait été observé au cours de la période d’enregistrement de 15 minutes.

Conclusions et valeur de l’étude

Cette étude, utilisant un nouvel indicateur calcique génétiquement encodé et des techniques avancées de détection et d’analyse des signaux calciques, a analysé en profondeur les caractéristiques des signaux calciques des cellules microgliales humaines (y compris les morphologies ramifiées, hypertrophiques et amiboïdes) dans leur environnement natif. Les caractéristiques de compartimentation distinctes des signaux calciques découvertes dans cette étude fournissent des indices importants pour comprendre les fonctions spécifiques des cellules microgliales dans les processus physiologiques et pathologiques, et ont une importance significative pour les futures recherches sur les maladies du système nerveux. De plus, les nouvelles approches techniques, telles que la méthode de marquage RGB et le nouvel indicateur calcique mcyrfp1-caneon, fournissent des outils puissants pour poursuivre l’étude des cellules microgliales humaines. Cette recherche comble une lacune dans la compréhension de la dynamique des signaux calciques des cellules microgliales humaines et démontre leur hétérogénéité fonctionnelle sous différentes morphologies.

Points forts de l’étude

1. Nouvel indicateur calcique génétiquement encodé : Développement d’un nouvel indicateur calcique ratiométrique mcyrfp1-caneon adapté à l’imagerie calcique mono-photon et bi-photon, avec une luminosité élevée et une bonne linéarité, constituant un outil important pour la recherche actuelle sur l’imagerie calcique des cellules microgliales humaines.

2. Caractéristiques de compartimentation des signaux calciques : Révélation de caractéristiques de compartimentation significatives des signaux calciques dans les cellules microgliales humaines et des différences entre les signaux calciques de différentes morphologies, contribuant à la compréhension des réponses fonctionnelles des cellules microgliales dans différents environnements.

3. Échantillons de tissus et techniques de culture : Utilisation de tissus corticaux humains frais post-opératoires, combinée à une culture organotypique avec du liquide céphalo-rachidien humain, permettant de préserver avec succès les trois principales morphologies des cellules microgliales, fournissant un modèle d’étude in vitro important.

Limites de l’étude

Bien que cette étude ait réalisé des progrès importants dans l’analyse des signaux calciques des cellules microgliales humaines, elle présente certaines limitations. Les échantillons de tissus provenant de chirurgies pour l’épilepsie ou des tumeurs ne peuvent pas représenter complètement les tissus sains normaux. De plus, l’expression d’indicateurs calciques génétiquement encodés nécessite une culture organotypique des tranches, ce qui pourrait modifier les caractéristiques fonctionnelles des cellules.

Cette étude a réalisé des percées importantes en termes de techniques et de méthodes, fournissant des données et un support méthodologique précieux pour les futures recherches fonctionnelles sur les cellules microgliales humaines.