اپتوژنتیک و آستروسیتها

طی چند دهه اخیر مشخص شده‌است آستروگلیاها نه تنها با فراهم کردن انرژی و پاکسازی مواد زاید، بلکه با ادغام، تقویت و تنظیم سیگنالهای عصبی، نقشی اساسی در انتقال پیام در سیستم عصبی ایفا می‌کنند. آستروسیتها با فعالیت عصبی موضعی مرتبط هستند، بدلیل اینکه این سلولها از توانایی بیان گیرنده‌های متنوع برای نوروترنسمیترها و آزادسازی گلیوترنسمیترها در پاسخ به تحریک برخوردار می‌باشند. بدین ترتیب، برای شناسایی مشارکت پیچیده‌ی آستروسیتها در عملکرد مغزی، دستکاری انتخابی آنها ضروری خواهد بود.

مطالعه بیشتر: اپتوژنتیک در مطالعات حیوانی

اخیرا توانایی رویکردهای اپتوژنتیکی در مطالعه نقش آستروسیتها، آشکار شده‌است. بدلیل اینکه باور بر این است تغییرات پتانسیل غشا نقشی اساسی در انتقال پیام عصبی توسط آستروسیتها ایفا نمی‌کنند، استراتژی اپتوژنتیکی بر تنظیم انواع طبیعی سیگنالینگ این سلولها متمرکز است. بنظر می‌رسد محرک‌هایی که سطح یون کلسیم درون سلولی، cAMP یا لاکتات را تغییر می‌دهند، از اهمیت بیشتری در این مطالعات برخوردار هستند.

اثرات اتوکرین آستروسیتها با واسطه‌ی ATP و امواج کلسیمی

صرف نظر از ابزارهای اپتوژنتیکی مورد استفاده، یکی از ویژگی‌های اساسی فعالسازی آستروسیتها، پاسخ کلسیمی درون سلولی است که معمولا در میان جمعیت آستروسیتها، حتی در صورتی که سلولها توسط اتصالات شکافدار (gap junctions) با یکدیگر متصل نباشند، گسترش می‌یابد. بسیاری از مطالعات نشان داده‌است پاسخ ابتدایی به هر تحریک آستروسیتها، آزادسازی گلیوترنسمیترها، خصوصا ATP یا گلوتامات، است که می‌تواند به یک موج پارا-/اتوکرین منجر شود که در شبکه‌ی آستروسیتی گسترش می‌یابد. بهمین دلیل بنظر می‌رسد سیگنالینگ پورینرژیک مثبت یک جزء اصلی در هر فعالسازی تجربی یا فیزیولوژیک آستروسیتی باشد و این مورد باید در زمان تفسیر مکانیسمهای فعالسازی آستروسیتی، مدنظر قرار گیرد.

عملکرد آستروسیتی که توسط تحریک اپتوژنتیکی آشکار شده‌است

بهره گیری از رویکردهای اپتوژنتیکی، مسیر را برای شناسایی اعمال اساسی سیگنالینگ آستروسیتی در نواحی مختلف سیستم عصبی مرکزی روشن ساخته است. تحریک آستروسیتها، توسط ChR2 (در بسیاری از موارد)، LiGluR یا opto-AR، باعث آزادسازی انواع متخلفی از ترکیبات، خصوصا ATP، گلوتامات، لاکتات، با عملکرد پیام رسانی می‌گردد. این ترکیبات بعنوان گلیوترنسمیترها هم باعث گسترش امواج فعالیت در شبکه‌ی آستروسیتی و هم باعث تنظیم مدارهای عصبی مخصوصی می‌گردد.

• آستروسیت‌ها و تنظیم تنفس

آستروسیتها از اجزای تعامل عروقی-نورونی هستند، و بهمین دلیل بعنوان گزینه مناسبی برای عمل بعنوان گیرنده‌های شیمیایی اولیه در سنجش pH خون و فشار نسبی اکسیژن و CO_۲ مطرح می‌باشند. تجمع CO_۲ در خون (هایپرکاپنیا)، محرک اصلی تنفس است. فارغ از گیرنده‌های شیمیایی محیطی، باور قدیمی بر این است که سطح شکمی بصل النخاع یک منطقه حساس مرکزی نسبت به CO_۲ می‌باشد.

هایپرکاپنیا باعث اسیدی شدن خون می‌گردد و با بهره گیری از اپتوژنتیک آشکار شده‌است که جمعیت آستروسیتی در این ناحیه (جمعیت آستروسیتی پیش تنفسی) بصورت نسبتا زیادی به کاهش‌های جزئی pH خون حساس هستند. این جمعیت با کمک یک سیگنال کلسیمی درون سلولی، که از طریق تحریک پورینرژیک اتوکرین و حمل در شبکه آستروسیتی موضعی جریان می‌یابد، به وضعیت موجود واکنش نشان می‌دهد. نورونهای متعلق به شبکه تنفسی که از محیط خون فاصله بیشتری دارند، این سیگنال تقویت شده را دریافت کرده و رفتار تنفس را تحریک می‌کنند.

با در نظر گرفتن موارد فوق، بررسی این ناحیه در مواردی مانند آپنه خواب و دیگر اختلالات مرتبط با سیستم قلبی-عروقی، می‌تواند در یافتن علت و درمان صحیح، یاری رسان باشد.

• آستروسیت‌ها و کنترل تخلیه سمپاتیک

آستروسیتها در ناحیه‌ی روسترال جانبی-شکمی بصل النخاع (RVLM)، اجسام سلولی نورونهای پیش سمپاتیک (جمعیت مخلوطی از نورونها با فیبرهای نخاعی نورآدرنژیک و گلوتاماترژیک) را احاطه می‌کنند. RVLM بعنوان منطقه تحریکی اصلی برای نورونهای پیش گانگلیونی واقع در طناب نخاعی محسوب می‌شود. باور بر این است تحریک اضافی سمپاتیکی، یکی از مکانیسمهای دخیل در ایجاد پرفشازی عصبی است. پرفشاری عصبی، یکی از دلایل عمده‌‌ی مرگ در کشورهای جهان اول است. برخلاف مطالعات متعدد طی سالیان بسیار، هنوز محرک اصلی سیستم قلبی-عروقی برای تنظیم فشار در درجه‌ای بالاتر مشخص نیست. یکی از دلایل مطرح برای این وضعیت، تغذیه خونی اندک مراکز بصل النخاعی مسئول در کنترل فشار خون می‌باشد.

فعالیت بیش از حد سمپاتیکی همچنین بعنوان علامت نارسایی قلبی، یکی از اختلالات قلبی-عروقی شایع، محسوب می‌شود. باور بر این است قلب نارسا باعث خون رسانی ناکافی به بافتهای مختلف، از جمله مغز، شده و این مورد می‌تواند بعنوان دلیلی برای فعالیت جبرانی تحریک سمپاتیکی قلب باشد. با این حال، تحریک سمپاتیکی شدید بعنوان یک فاکتور پاتوژنیک عمده در نارسایی قلبی محسوب شده و با پیش آگهی وخیم مرتبط است.

با توجه به اینکه آستروسیتها حساسیت بالایی نسبت به غلظت پایین اکسیژن (هایپوکسی) دارند، می‌توانند در تحریک مراکز ساقه مغز برای کنترل خروجی سمپاتیکی، دخیل باشند. با بهره گیری از ابزارهای اپتوژنتیکی، محققان در مطالعات in vitro آشکار ساخته‌اند تحریک نوری آستروسیتهای پیش تنفسی، باعث آزادسازی ATP و تحریک نورونهای آدرنرژیک واقع در RVLM می‌گردد. همچنین نتایج مطالعات in vivo نشان می‌دهد تحریک نوری این جمعیت آستروسیتی باعث افزایش فعالیت اعصاب سمپاتیکی، فشار خون شریانی و ضربان قلب می‌شود. این نتایج نشان می‌دهد آستروسیتهای ساقه مغز ممکن است در افزایش خروجی سمپاتیک در زمانیکه اکسیژن رسانی به ساقه مغز افت می‌کند، دخیل باشند. این مکانیسم می‌تواند در ایجاد پرفشاری خون اولیه (essential hypertension) و تحریک سمپاتیکی بدخیم که پس از انفارکتوس میوکارد مشاهده می‌شود، دخیل باشد. بهمین دلیل، جلوگیری از تحریک آستروسیتهای پورینرژیک واقع در RVLM می‌تواند بعنوان استراتژی درمانی بیماری‌های قلبی-عروقی مطرح شود.

• آستروسیت‌ها بعنوان تنظیم کننده‌های انعطاف پذیری سیناپسی (synaptic plasticity)

مطالعات متعددی بر روی آستروسیتها با بهره گیری از اپتوژنتیک، اهمیت سیگنالینگ گلوتامات در ارتباطات بین آستروسیتی و آستروسیتی-نورونی در قشر مخ را برجسته ساخته‌است. از مدتها پیش توانایی آستروسیتها برای حذف گلوتامات رها شده در حین انتقال سیناپسی، شناخته شده‌است. با انجام این وظیفه، آستروسیتها بعنوان جزء ضروری در کاهش تون تحریکی و کمک به بازیافت ذخایر گلوتامات نورونی محسوب می‌شوند.

مطالعات in vivo اخیر نشان داده‌است فعالسازی نوری آستروسیتهای بیان کننده ChR2 واقع در قشر بینایی باعث آزادسازی گلوتامات می‌گردد که افزایش انتقال سیناپسی از طریق گیرنده‌های گلوتاماتی پیش سیناپسی متابوتروپیک را منجر می‌شود. نکته قابل توجه اینکه در مطالعات اپتوژنتیکی in vivo، مهار و تحریک سیناپسی بصورت متفاوتی تنظیم می‌شوند، که این مورد آستروسیتها را قادر می‌سازد تا سطح عمومی تحریک قشری را افزایش داده و پردازش نورونی اطلاعات محرک بینایی را تغییر دهند.

در مخچه، سلولهای گلیال برگمن (Bergman) جایگزین آستروسیتها می‌شوند. تحریک اپتوژنتیکی گلیاهای برگمن با بهره گیری از ChR2، فعالسازی گیرنده‌های گلوتاماتی متابوتروپیک را تحت تاثیر قرار می‌دهد که باعث کاهش طولانی مدت انتقال سیناپسی در مطالعات in vitro می‌گردد. در مطالعات in vivo نیز تحریک این سلولها باعث دستکاری رفتار واکنشی اپتوکینتیک (رفتاری که وقوع آن به عملکرد مخچه وابسته است) می‌گردد.

این مطالعات نشان می‌دهد سلولهای گلیای برگمن با کمک کانالهای آنیونی، گلوتامات آزاد می‌کنند که در انعطاف پذیری سیناپسی دخیل است. با این حال، تحت شرایط ایسکمیک، بنظر می‌رسد سلولهای برگمن دچار اسیدوز داخل سلولی می‌گردند که به آزادسازی حجم زیادی از گلوتامات منجر می‌شود. این رویداد احتمالا باعث آسیب نورونی excitotoxic می‌گردد و اهمیت تعادل سلولهای گلیال در سلامت مغز را برجسته می‌سازد.

نکته قابل توجه اینکه در نواحی دیگر مغز آزادسازی ATP توسط آستروسیتها، نقشی با اهمیت بالا در تنظیم انتقال سیناپسی ایفا می‌کند. برای مثال، زمانیکه در مطالعات in vitro آستروسیتهای بیان کننده ChR2 واقع در لایه‌ی CA1 هیپوکامپ تحریک می‌شوند، کاهش طولانی مدت انتقال سیناپسی بدلیل آزادسازی ATP از آستروسیتها صورت می‌گیرد.

• آستروسیت‌ها بعنوان هماهنگ کننده‌های اتصال عروقی-عصبی مرکزی و تنظیم نورآدرنژیک

باور عمومی بر این است آستروسیتها بعنوان گیرنده‌های اولیه‌ی volume transmission نورآدرنژیک مرکزی عمل می‌کنند. این سلولها مجموعه‌ای از آدرنورسپتورها بیان کرده و توسط تحریک کلسیمی به تحریک نورآدرنژیک پاسخ می‌دهند، زیرا با انتهاهای عصبی نورآدرنرژیک مجاورت دارند.

اخیرا با استفاده از تحریک اپتوژنتیکی، یک مسیر سیگنالینگ جدید کشف شده‌است که در آن، آستروسیتها در جهت معکوس با آزادسازی لاکتات، با نورونهای نورآدرنژیک ارتباط برقرار می‌کنند.

تحریک نوری آستروسیتهای واقع در لوکوس سرولئوس، دپلاریزاسیونهایی در نورونهای نورآدرنرژیک محل ایجاد می‌کند که با کمک patch clamp قابل ثبت هستند. محققان همچنین با مهارکننده‌های متابولیسم گلیکوژن و تولید لاکتات، موفق به متوقف ساختن تحریک این نورونها شده‌اند.

مطالعات نشان می‌دهد لاکتات حاصل از تحریک آستروسیتها باعث تحریک نورونهای نورآدرنرژیک می‌گردد، زیرا آستروسیتها تنها سلولهای ذخیره کننده گلیکوژن در مغز محسوب شده و توانایی تولید لاکتات طی فعالیت را دارند.

محققان برای اثبات این فرضیه که لاکتات حاصل از آستروسیتها منجر به آزادسازی نورآدرنالین نورونی می‌شود، از تحریک اپتوژنتیکی با واسطه‌ی opto-AR بهره جسته‌اند. جزئیات دقیق مکانیسم ارتباط آستروسیتی-نورونی هنوز بطور کامل مشخص نیست، ولی بنظر می‌رسد گیرنده‌ای برای لاکتات بر روی نورونهای نورآدرنرژیک موجود باشد. این نتایج، نه تنها نشان می‌دهد آستروگلیاها بعنوان هماهنگ کننده‌ی اصلی در تنظیم نورآدرنرژیک در مغز ایفای نقش می‌کنند، بلکه ارتباط احتمالی میان سطح متابولیک بدن و برانگیختگی مرکزی و سیستم ضد آسیب را مطرح می‌سازد.

• آستروسیتها بعنوان واسطه‌های تعامل عروقی-عصبی و سیگنالهای تصویربرداری کنتراستی بر پایه‌ی سطح اکسیژن خون

فعالسازی نورونها به تغییرات موضعی در تغذیه خونی مغز منجر می‌‌شود که خون را مستقیما به نواحی فعال شده هدایت می‌کند. در حقیقت، جریان خون اکسیژنه به اندازه‌ای بالا است که بدلیل فرم اکسیژنه‌ی هموگلوبین (super-compensation)، شکافی میان هموگلوبین داکسیژنه و اکسیژنه وجود دارد. این پدیده، اساس تصویر برداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) است. آستروسیتها نه تنها با یکدیگر و با نورونها ارتباط برقرار می‌کنند، بلکه در ایجاد سطح تعاملی میان مغز و عروق نقشی اساسی دارند. بهمین دلیل، منطقی است آستروسیتها را در برقراری تعامل عروقی-عصبی دخیل بدانیم.

اکنون، مطالعات in vivo با استفاده از تحریک ChR2 آستروسیتهای قشر مخ برای بررسی سیگنالینگ گلیال-عروقی در حال انجام است. تحریک لیزری موضعی آستروسیتهای بیان کننده‌ی ChR2 بصورت in vivo، به افزایش جریان خون موضعی در طی چند ثانیه منجر می‌شود. این افزایش جریان خون موضعی، نسبت به مهار فعالیت نورونی غیر حساس بوده ولی بصورت نسبی توسط یونهای باریوم، مهار می‌شود. این نتایج، امکان دخیل بودن پیام‌رسان‌های قابل انتشار، به احتمال زیاد یونهای پتاسیم، را در پاسخ پرخونی به افزایش فعالیت نورونی، مطرح می‌سازد.

نکته قابل توجه اینکه ChR2 اخیرا برای تحریک دو سلول تحریک ناپذیر دیگر مغزی، یعنی سلولهای عضله صاف عروقی و پری‌سیت‌ها، مورد استفاده قرار گرفته‌است. نتایج این مطالعات نشان می‌دهد تنها سلولهای عضله صاف، از توانایی انقباض برخوردارند.

بصورت همزمان یادآوری این نکته نیز ضروری است که fMRI بصورت فوق‌العاده‌ای به آرتیفکت‌های ایجاد شده توسط نور بهنگام انجام مطالعات اپتوژنتیکی، حساس است. حقیقتا، زمانیکه تحریک نوری قابل توجهی در قشر مخ موش صورت می‌گیرد، یک سیگنال “مثبت” ممکن است در حیوانات مرده ثبت شود. بهمین دلیل، دقت بسیار بالایی در هنگام ترکیب fMRI و فعالسازی اپتوژنتیکی مورد نیاز است. در ضمن اخیرا نقش سیگنالینگ پورینرژیک در تولید پاسخهای fMRI، با استفاده از بیان موضعی یک آنزیم تجزیه‌کننده ATP در قشر مخ موش، اثبات شده‌است. این رویکرد بصورت قابل توجهی باعث کاهش شدت سیگنالهای ناحیه‌ای می‌شود که در آن سیگنالینگ با واسطه‌ی ATP غیرفعال شده‌است و به نقش مهم آستروسیتها در این فرآیند اشاره دارد.

تاکنون، اطلاعات اندکی در مورد نقش آستروسیتها در تنظیم عروقی مغز بدست آمده‌است و نیازی ضروری برای مطالعات بیشتر بمنظور تفهیم بهتر مکانیسم تنظیم جریان جون مغزی و جلوگیری از ایسکمی وجود دارد.

بعنوان جمع بندی، در سالیان اخیر، رویکردهای اپتوژنتیکی باعث تسهیل پیشرفتهای مهم در تفهیم نقشها و مکانیسمهای سیگنالینگ آستروسیت‌ها شده‌اند. محققان اکنون بدنبال پاسخ پرسش‌هایی چون چگونگی حساسیت جمعیتهای آستروسیتی در نقاط مختلف مغز به محیط اطراف خود، مسیرهای سیگنالینگ درون سلولی آنها، مجموعه گلیوترنسمیتری و مکانیسم آزادسازی آنها و واسطه‌های ارتباطی آنها با نورونها و دیگر سلولهای مغزی، می‌باشند. موفقیت ابتدایی ابزارهای اپتوژنتیکی در مطالعه آستروسیتها برای هدایت این مطالعات، ادامه خواهد یافت و در نهایت می‌تواند به توسعه کاربردهای درمانی با هدف قرار دادن آستروسیتها منجر شود.