Microglia is een weefsel^[1] dat bestaat uit kleine gliacellen (microgliacellen) die een belangrijke rol spelen in het afweersysteem van het centraal zenuwstelsel.^[2] Microgliacellen komen verspreid voor in de weefsels van de hersenen en het ruggenmerg.^[3] Microgliacellen worden beschouwd als weefselspecifieke macrofagen.^[4] Ze komen voor in zowel de witte als de grijze stof van het centraal zenuwstelsel en de hersenen.[2][3] Microglia wordt gedurende de embryonale ontwikkeling gevormd uit het hersenmesenchym.^[5]

Microgliacellen en andere gliacellen in de hersenen (zoals astrocyten) zijn van essentieel belang voor hersenonderhoud: ze tasten het centraal zenuwstelsel voortdurend af op plaques, beschadigde of ongewenste neuronen en synapsen en ziekteverwekkers.^[6] Microgliacellen zijn uiterst gevoelig voor de kleinste pathologische veranderingen in het centraal zenuwstelsel. Deze gevoeligheid komt gedeeltelijk tot stand door de aanwezigheid van bepaalde kaliumkanalen die reageren op kleine veranderingen in extracellulair kalium.^[6] Onderzoek toont aan dat microgliacellen ook een sleutelrol spelen bij het in stand houden van normale hersenfuncties onder gezonde omstandigheden.^[7] Microgliacellen monitoren ook voortdurend neuronale functies via direct somatisch contact via hun microgliale uitlopers en oefenen neuroprotectieve effecten uit wanneer nodig.^[8][9]

De hersenen en het ruggenmerg staan normaliter niet bloot aan pathogenen in de bloedsomloop vanwege de bloed-hersenbarrière. Wanneer ziekteverwekkers rechtstreeks in de hersenen worden geïntroduceerd of toch de bloed-hersenbarrière passeren, moet de microgliacel onmiddellijk reageren om ontstekingen te voorkomen en de pathogenen te vernietigen voordat ze het hersenweefsel beschadigen. Door het ontbreken van antilichamen uit de rest van het lichaam (weinig antilichamen zijn klein genoeg om de bloed-hersenbarrière te passeren), moeten microgliacellen zelf lichaamsvreemde stoffen kunnen herkennen en fungeren als antigeen-presenterende cellen die T-cellen activeren.^[6]

Microgliacellen zijn extreem plastisch en ondergaan een verscheidenheid aan structurele veranderingen op basis van locatie en systeembehoeften. Deze mate van plasticiteit is nodig om de grote verscheidenheid aan functies die microgliacellen uitvoeren te vervullen. Het vermogen tot transformatie onderscheidt microgliacellen van macrofagen, die regelmatig vervangen moeten worden, en stelt hen in staat het centrale zenuwstelsel op zeer korte termijn te verdedigen zonder immunologische verstoring te veroorzaken.^[6] Microgliacellen nemen een specifieke vorm, of fenotype, aan als reactie op de lokale omstandigheden en chemische signalen die ze hebben gedetecteerd.^[10] Er is ook aangetoond dat weefselbeschadigingsgerelateerde ATP-signalering een cruciale rol speelt in de fenotypische transformatie van microgliacellen.^[11]

Deze vorm van microgliacellen wordt vaak aangetroffen op specifieke locaties in de hersenen en het ruggenmerg, in afwezigheid van vreemd materiaal of stervende cellen. Deze "rustende" vorm van microgliacellen bestaat uit lange vertakkende uitlopers en een klein perikaryon. In tegenstelling tot de amoeboïde vormen van microgliacellen blijft het cellichaam van de vertakte vorm op zijn plaats, terwijl de vertakkingen constant bewegen en de omgeving aftasten. De vertakkingen zijn zeer gevoelig voor kleine veranderingen in de fysiologische toestand en vereisen zeer specifieke kweekomstandigheden om in vitro te kunnen worden waargenomen.^[10]

In tegenstelling tot geactiveerde of amoeboïde microgliacellen fagocyteren vertakte microgliacellen geen cellen en scheiden ze minder immunomoleculen af (waaronder de MHC klasse I/II-eiwitten). Microgliacellen in deze toestand zijn in staat om immuunbedreigingen op te sporen en te identificeren, terwijl ze de homeostase in het centrale zenuwstelsel handhaven.^[12][13][14] Hoewel dit als de rusttoestand wordt beschouwd, zijn microgliacellen in deze vorm nog steeds zeer actief in het chemisch aftasten van de omgeving. Vertakte microgliacellen kunnen op elk moment in de geactiveerde vorm worden omgezet als reactie op letsel of een bedreiging.^[10]

Hoewel historisch gezien vaak gebruikt, zou de term "geactiveerde" microgliacellen vervangen moeten worden door "reactieve" microgliacellen.^[15] Schijnbaar rustende microgliacellen zijn immers niet verstoken van actieve functies en de term "activering" is misleidend, omdat deze de indruk wekt van een "alles of niets"-polarisatie van celreactiviteit. De marker Iba1, die verhoogd tot expressie komt in reactieve microgliacellen, wordt vaak gebruikt om deze cellen te visualiseren.^[16]

Deze toestand maakt eigenlijk deel uit van een trapsgewijze respons waarbij microgliacellen overgaan van hun vertakte vorm naar hun volledig actieve fagocytische vorm. Microgliacellen kunnen geactiveerd worden door verschillende factoren, waaronder: pro-inflammatoire cytokines, celnecrosefactoren, lipopolysaccharide en veranderingen in extracellulair kalium (indicatief voor kapotte cellen). Eenmaal geactiveerd ondergaan de cellen verschillende belangrijke morfologische veranderingen, waaronder de verdikking en het terugtrekken van vertakkingen, de opname van MHC klasse I/II-eiwitten, de expressie van immunomoleculen, de secretie van cytotoxische factoren, de secretie van rekruteringsmoleculen en de secretie van pro-inflammatoire signaalmoleculen (wat resulteert in een pro-inflammatoire signaalcascade). Geactiveerde niet-fagocyterende microgliacellen verschijnen over het algemeen als "struikvormig", "staafvormig" of als kleine amoeboïden, afhankelijk van hoe ver ze zich bevinden op het continuüm van vertakte tot volledig fagocyterende transformatie. Daarnaast ondergaan de microgliacellen ook een snelle proliferatie om hun aantal te vergroten. Vanuit een strikt morfologisch perspectief is de variatie in microgliale vorm langs het continuüm geassocieerd met veranderende morfologische complexiteit en kan deze worden gekwantificeerd met behulp van de methoden van fractale analyse, die gevoelig zijn gebleken voor zelfs subtiele, visueel ondetecteerbare veranderingen die verband houden met verschillende morfologische vormen in verschillende pathologische toestanden.^{[6][12][13][17]}

Geactiveerde fagocytische microgliacellen zijn de meest immuunresponsieve vorm van microgliacellen. Deze cellen hebben over het algemeen een grote, amoeboïde vorm, hoewel er enige variatie is waargenomen. Naast de antigeenpresenterende, cytotoxische en ontstekingsbevorderende signalering van geactiveerde niet-fagocytische microgliacellen, zijn ze ook in staat om vreemd materiaal te fagocyteren en de resulterende immunomoleculen te presenteren voor T-celactivering. Fagocytische microgliacellen migreren naar de plaats van de verwonding, omsluiten het schadelijke materiaal en scheiden pro-inflammatoire factoren af om de proliferatie van meer cellen te bevorderen en hetzelfde te laten doen. Geactiveerde fagocytische microgliacellen werken ook samen met astrocyten en zenuwcellen om infecties of ontstekingen zo snel mogelijk te bestrijden met minimale schade aan gezonde hersencellen.^[6][12]

Wanneer microgliacellen "geactiveerd" zijn, veranderen ze hun morfologie (normaal gesproken vertakt) en krijgen ze een amoeboïde uiterlijk door de vorming van lamellipodiën (uitlopers). Deze vorm maakt vrije beweging van de microgliacellen door het neurale weefsel mogelijk, waardoor ze hun rol als opruimcel kunnen vervullen. Amoeboïde microgliacellen kunnen celresten fagocyteren, maar vervullen niet dezelfde antigeenpresenterende en ontstekingsfuncties als geactiveerde microgliacellen. Amoeboïde microgliacellen komen vooral veel voor tijdens de ontwikkeling van de hersenen en het vernieuwen van de verbindingen in de hersenen, wanneer er grote hoeveelheden extracellulaire celresten en apoptotische cellen moeten worden verwijderd. Deze vorm van de microgliacel wordt voornamelijk aangetroffen in de perinatale witte stofgebieden in het corpus callosum, bekend als de "fonteinen van microglia".^[6][13][18]

In tegenstelling tot de andere hierboven genoemde typen microgliacellen, verwijst "perivasculaire" microgliacel naar de locatie van de cel, en niet naar de vorm/functie ervan. Perivasculaire microgliacellen worden echter vaak verward met perivasculaire macrofagen (PVM's),^[19] die ingekapseld zijn in de wanden van het basaal membraan. Daarom moet zorgvuldig worden vastgesteld naar welke van deze twee celtypen de auteurs van publicaties verwijzen. PVM's worden, in tegenstelling tot normale microgliacellen, regelmatig vervangen door uit het beenmerg afkomstige voorlopercellen en brengen MHC-II-antigenen tot expressie, ongeacht hun omgeving.^[6]

Microgliacellen vervullen een verscheidenheid aan taken binnen het centrale zenuwstelsel, voornamelijk gerelateerd aan zowel de immuunrespons als het handhaven van de homeostase. Hieronder volgen enkele van de belangrijkste bekende functies die door deze cellen worden uitgevoerd.

Naast hun grote gevoeligheid voor kleine veranderingen in hun omgeving, controleren microgliacellen ook regelmatig hun domein. Deze actie wordt uitgevoerd in de ameboïde en rusttoestand via zeer beweeglijke microgliale uitlopers.^[9] Als een microgliacel tijdens het bewegen door zijn gebied vreemd materiaal, beschadigde cellen, apoptotische cellen, neurofibrillaire klopen, DNA-fragmenten of plaques aantreft, zal hij het materiaal of de cel activeren en fagocyteren. Op deze manier fungeren microgliacellen ook als "huismeesters" die willekeurig celafval opruimen.^[12] Tijdens de prenatale ontwikkeling van de hersenen spelen microgliacellen een rol bij het reguleren van het aantal neurale voorlopercellen^[20] en het verwijderen van apoptotische neuronen. Er is ook bewijs dat microgliacellen de synaptische circuits kunnen verfijnen door synapsen te omhullen en te elimineren.^[21] Na de ontwikkeling wordt het merendeel van de dode of apoptotische cellen aangetroffen in de hersenschors en de subcorticale witte stof. Dit kan verklaren waarom het merendeel van de ameboïde microgliacellen zich in de "fonteinen van microglia" in de hersenschors bevindt.^[18]

De belangrijkste rol van microgliacellen, fagocytose, omvat het omsluiten van verschillende materialen. In de niet-ontstoken toestand bestaan de omsloten materialen over het algemeen uit celresten, lipiden en apoptotische cellen, en in de ontstoken toestand uit binnendringende virussen, bacteriën, schimmels of andere vreemde materialen. Zodra de microgliacel "vol" is, stopt de fagocytische activiteit en verandert deze in een relatief niet-reactieve microgliacel (gittercel).^[22]

Een groot deel van de rol van microgliacellen in de hersenen is het handhaven van homeostase in niet-geïnfecteerde gebieden en het bevorderen van ontsteking in geïnfecteerd of beschadigd weefsel. Microgliacellen bereiken dit door middel van een uiterst complexe reeks extracellulaire signaalmoleculen waarmee ze kunnen communiceren met andere microgliacellen, astrocyten, neuronen, T-cellen en myeloïde voorlopercellen. Zoals hierboven vermeld, kan het IFN-γ worden gebruikt om microgliacellen te activeren. Bovendien scheiden microgliacellen, nadat ze geactiveerd zijn met IFN-γ, ook meer IFN-γ af in de extracellulaire ruimte. Dit activeert meer microgliacellen en zet een door cytokinen geïnduceerde activeringscascade in gang die alle nabijgelegen microgliacellen snel activeert. Door microgliacellen geproduceerd TNF-α zorgt ervoor dat zenuwweefsel apoptose ondergaat en de ontsteking toeneemt. IL-8 bevordert de groei en differentiatie van B-cellen, waardoor deze microgliacellen kunnen helpen bij het bestrijden van infecties. Een andere cytokine, IL-1, remt de cytokinen IL-10 en TGF-β, die de antigeenpresentatie en pro-inflammatoire signalering downreguleren. Extra dendritische cellen en T-cellen worden naar de plaats van de verwonding gerekruteerd door de productie van chemotactische moleculen zoals CCL22, IL-8 en MIP-3β door microgliacellen. Ten slotte voorkomen PGE2 en andere prostanoiden chronische ontsteking door de pro-inflammatoire respons van microgliacellen te remmen en de Th1-respons (T-helpercelrespons) te downreguleren.^[12]

Zoals hierboven vermeld, fungeren residente, niet-geactiveerde microgliacellen als zwakke antigeenpresenterende cellen vanwege hun gebrek aan MHCI/II-eiwitten. Na activering brengen ze snel MHC-I/II-eiwitten tot expressie en worden ze snel efficiënte antigeenpresentatoren. In sommige gevallen kunnen microgliacellen ook door IFN-γ worden geactiveerd om antigenen te presenteren, maar functioneren ze niet zo effectief als wanneer ze MHC klasse I/II-eiwitten zouden hebben opgenomen. Tijdens ontstekingen passeren T-cellen de bloed-hersenbarrière dankzij gespecialiseerde oppervlaktemarkers en binden ze zich vervolgens rechtstreeks aan microgliacellen voor het verkrijgen van antigenen. Nadat ze antigenen hebben verkregen, vervullen T-cellen verschillende rollen, waaronder pro-inflammatoire rekrutering, de vorming van immuungeheugen, de secretie van cytotoxische stoffen en directe aanvallen op de celmembranen van vreemde cellen.^[6][12]

Naast het vermogen om infectieuze organismen te vernietigen door middel van cel-tot-celcontact via fagocytose, kunnen microgliacellen ook een verscheidenheid aan cytotoxische stoffen vrijgeven.^[23] Microgliacellen in kweek scheiden grote hoeveelheden waterstofperoxide en stikstofmonoxide af in een proces dat bekend staat als 'respiratoire burst'. Beide chemicaliën kunnen cellen rechtstreeks beschadigen en leiden tot de dood van zenuwcellen. Proteasen die door microgliacellen worden afgescheiden, kataboliseren specifieke eiwitten die directe cellulaire schade veroorzaken, terwijl cytokinen zoals IL-1 de demyelinisatie van axonen bevorderen. Ten slotte kunnen microgliacellen zenuwcellen beschadigen via NMDA-receptor-gemedieerde processen door glutamaat, aspartaat en chinolinezuur af te scheiden. Cytotoxische secretie is gericht op het vernietigen van geïnfecteerde zenuwcellen, virussen en bacteriën, maar kan ook grote hoeveelheden nevenschade aan het zenuwstelsel veroorzaken. Als gevolg hiervan kan een chronische ontstekingsreactie leiden tot grootschalige schade aan het zenuwstelsel, doordat de microgliacellen in de hersenen een ravage aanrichten in een poging de binnendringende infectie te vernietigen.^[6] Edaravone, een radicalenvanger, voorkomt oxidatieve neurotoxiciteit die wordt veroorzaakt door geactiveerde microgliacellen.^[24]

In een fenomeen dat voor het eerst werd opgemerkt bij ruggenmergletsels door Blinzinger en Kreutzberg in 1968, verwijderen post-inflammatoire microgliacellen de vertakkingen van zenuwen in de buurt van beschadigd weefsel. Dit helpt de hergroei en herprogrammering van beschadigde neurale netwerken te bevorderen.[8] Er is ook aangetoond dat microgliacellen betrokken zijn bij het proces van synaptische snoei tijdens de hersenontwikkeling.^[25]

Na een ontsteking ondergaan microgliacellen verschillende stappen om de hergroei van zenuwweefsel te bevorderen. Deze omvatten synaptische snoei, de afscheiding van ontstekingsremmende cytokinen, de rekrutering van zenuwcellen en astrocyten naar het beschadigde gebied en de vorming van gittercellen. Zonder microgliacellen zouden hergroei en herindeling aanzienlijk trager verlopen in de residentiële gebieden van het centrale zenuwstelsel en bijna onmogelijk zijn in veel van de vasculaire systemen rond de hersenen en ogen.^[6][26] Onderzoek heeft bevestigd dat microgliale processen de neuronale functies voortdurend monitoren via gespecialiseerde somatische verbindingen en het 'welzijn' van zenuwcellen waarnemen. Via deze intercellulaire communicatieroute zijn microgliacellen in staat robuuste zenuwbeschermende effecten uit te oefenen en aanzienlijk bij te dragen aan herstel na hersenletsel.^[8] Er is ook aangetoond dat microgliacellen bijdragen aan een goede hersenontwikkeling door contact te maken met onrijpe, zich ontwikkelende zenuwcellen.^[27]

Lange tijd werd gedacht dat microgliacellen differentiëren in het beenmerg uit hematopoëtische stamcellen, de voorlopers van alle bloedcellen. Recente studies tonen echter aan dat microgliacellen ontstaan in de dooierzak gedurende een opmerkelijk korte embryonale periode en het hersenparenchym bevolken onder leiding van een nauwkeurig georkestreerd moleculair proces.^[28] Voorlopercellen uit de dooierzak hebben de activerende colony stimulating factor 1 receptor (CSF1R) nodig voor migratie naar de hersenen en differentiatie tot microgliacellen.^[29] Bovendien is de grootste bijdrage aan de microgliale repopulatie gebaseerd op lokale zelfvernieuwing, zowel in een stabiele toestand als bij ziekte, terwijl circulerende monocyten ook in mindere mate kunnen bijdragen, vooral bij ziekte.^[28][30]

Monocyten kunnen in de perifere systemen ook differentiëren tot myeloïde dendritische cellen en macrofagen. Net als macrofagen in de rest van het lichaam gebruiken microgliacellen fagocytische en cytotoxische mechanismen om vreemde materialen te vernietigen. Zowel microgliacellen als macrofagen dragen bij aan de immuunrespons door te fungeren als antigeen-presenterende cellen, en bevorderen tevens ontstekings- en homeostatische mechanismen in het lichaam door cytokines en andere signaalmoleculen af te scheiden.^[31]

In hun gedownreguleerde vorm missen microgliacellen de MHC-I/MHC-II-eiwitten, IFN-γ-cytokines, CD45-antigenen en vele andere oppervlaktereceptoren die nodig zijn voor de antigeenpresenterende, fagocytische en cytotoxische rollen die normale macrofagen kenmerken. Microgliacellen verschillen ook van macrofagen doordat ze ruimtelijk en temporeel veel strakker gereguleerd zijn om een precieze immuunrespons te handhaven.^[12]

Een ander verschil tussen microgliacellen en andere cellen die differentiëren uit myeloïde voorlopercellen is de omzetsnelheid. Macrofagen en dendritische cellen worden constant verbruikt en vervangen door myeloïde voorlopercellen die differentiëren tot het benodigde type. Vanwege de bloed-hersenbarrière is het voor het lichaam vrij moeilijk om microgliacellen constant te vervangen. Daarom worden de microgliacellen niet voortdurend vervangen door myeloïde voorlopercellen, maar behouden ze hun status quo in hun rusttoestand. Wanneer ze geactiveerd worden, prolifereren ze snel om hun aantal op peil te houden. Onderzoek met botchimera's heeft echter aangetoond dat bij ernstige infecties de bloed-hersenbarrière verzwakt en de microgliacellen worden vervangen door hematogene, uit het beenmerg afkomstige cellen, namelijk myeloïde voorlopercellen en macrofagen. Zodra de infectie is afgenomen, wordt de ontkoppeling tussen perifere en centrale systemen hersteld en zijn alleen microgliacellen aanwezig voor de herstel- en hergroeiperiode.^[32]

Microgliacellen ondergaan een grote mitotische activiteit tijdens letsel; deze proliferatie wordt gevolgd door apoptose om het aantal cellen terug te brengen naar het basisniveau. Activering van microgliacellen legt een belasting op de anabole en katabole processen van de cellen, waardoor geactiveerde microgliacellen eerder afsterven dan niet-geactiveerde cellen. Om het verlies van microgliacellen in de loop van de tijd te compenseren, ondergaan microgliacellen mitose en migreren uit het beenmerg afkomstige voorlopercellen via de hersenvliezen en bloedvaten naar de hersenen.^[33]

De ophoping van kleine neuronale schades die optreden tijdens normale veroudering kan microgliacellen transformeren in vergrote en geactiveerde cellen.^[34] Deze chronische, leeftijdsgebonden toename van microgliale activatie en IL-1-expressie kan bijdragen aan een verhoogd risico op de ziekte van Alzheimer met toenemende leeftijd door de vorming van amyloïde plaques bij gevoelige patiënten te bevorderen. DNA-schade kan bijdragen aan leeftijdsgebonden microgliale activering. Een andere factor zou de accumulatie van glycosyleringseindproducten kunnen zijn, die zich ophopen met de leeftijd. Deze eiwitten zijn sterk resistent tegen proteolytische processen en bevorderen eiwitcrosslinking.^[34]

Onderzoek heeft dystrofische (ontwrichte) menselijke microgliacellen ontdekt. Deze cellen worden gekenmerkt door afwijkingen in hun cytoplasmatische structuur, zoals gedestratificeerde, atrofische, gefragmenteerde of ongewoon kronkelige uitlopers, vaak met bolvormige of bolvormige zwellingen. De incidentie van dystrofische microgliacellen neemt toe met de leeftijd. Microgliale degeneratie en dood zijn gerapporteerd in onderzoek naar prionziekten, schizofrenie en de ziekte van Alzheimer, wat erop wijst dat microgliale achteruitgang mogelijk een rol speelt bij neurodegeneratieve ziekten. Een complicatie van deze theorie is het feit dat het moeilijk is om onderscheid te maken tussen "geactiveerde" en "dystrofische" microgliacellen in de menselijke hersenen.^[33]

Bij muizen is aangetoond dat CD22-blokkade de homeostatische microgliale fagocytose in verouderende hersenen herstelt.^[35]

• Astrocyt
• Macrofaag