Alle vil pludselig lege med hjernens kedeligste celle

Blod-hjerne-barrieren etableres prænatalt for at forhindre tilstrømning af immunceller på et senere tidspunkt. Således er hjernen vært for sit eget immunsystem med en nøgleaktør kaldet mikroglia. Derudover spiller mikroglia en central rolle i både overvågning og forsvar af hjernen og opretholdelse af dens normale funktioner. I begyndelsen af ​​sin karriere blev Marco Prinz fascineret af disse celler, som dengang i midt-1990'erne stort set ikke fik nogen opmærksomhed og nærmest primært blev anset for at være hjernens affaldssamlere.

"De fleste mennesker fandt dem kedelige, fordi de ganske enkelt skulle fjerne affald under sygdom. Vores forskning har vist, at deres funktion strækker sig langt ud over denne rolle, og at udviklingen af ​​mikrogliae celler går tilbage til en bemærkelsesværdig kort periode under fosterudvikling. Mikroglia er nøglen til at opretholde hjernens normale funktion, og deres svigt kan derfor også føre til flere meget alvorlige hjernesygdomme," forklarer professor Dr. Marco Prinz, direktør ved Institute of Neuropathology, Medical Center, University of Freiburg, Tyskland.

Eksotisk forskning

Mikroglia stod heller ikke øverst på Marco Prinz ønskeseddel, da han i 1996 afsluttede sine medicinske studier fra Humboldt-University Charité i Berlin. Hjernen havde altid fascineret ham, men med de ret primitive forhold i øst, var mulighederne for at forske meget begrænsede på det tidspunkt. Han fik dog chancen for at studere farvninger af hjerneceller for at studere neuronvækst hos børn med Downs Syndrom.

"Vi brugte meget gammeldags sølvfarvningsteknikker, men mine studier hos neuroanatomen Eveline Schulz gav mig lyst til at udforske hjernen mere og gjorde udslaget for, at jeg valgte forskervejen fremfor lægevejen," fortæller Marco Prinz.

Dette var lige efter, at Berlinmuren faldt, og i et forsøg på at integrere det østlige og vestlige Tyskland blev det besluttet at opføre nye forskningsinstitutter i det østlige Tyskland. Den ene var Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC) i Berlin.

"Jeg gik hen og spurgte lidt rundt: Hvad er dit forskningsområde. Den ene arbejdede med slagtilfælde og den anden arbejdede med hjerneinflammation. Og den her fyr, der arbejder på hjernebetændelse, sagde så, at han gør det i samarbejde med en anden, så jeg tænkte: Ok, jeg prøver at tage derhen. Og lad os se, hvad laver han i laboratoriet," husker Marco Prinz.

De fleste mennesker, der arbejdede med hjernen, arbejdede med neuroner og signalerne mellem dem, men det gjorde biokemikeren Uwe Karsten Hanisch ikke. Han mente, at hjernebetændelse først og fremmest medieres af en speciel type celler kaldet mikroglia.

"De var dengang betragtet som værende en slags hjernens skraldemænd, der blot skulle tage sig af at rydde op efter infektioner i hjernen. Der var meget få mennesker, der arbejdede med de her helt specielle immunceller i hjernen. Det var et virkelig eksotisk forskningsfelt. Ja, på det tidspunkt var mikroglia formentlig den kedeligste celle i hjernen," siger Marco Prinz.

Den udløsende trigger

Trods Marco Prinz' lægebaggrund og manglende uddannelse fra den traditionelle forskerverden tog Uwe Karsten Hanisch Marco Prinz under sine vinger som postdoc. Det viste sig at være et godt valg for både Hanisch og Prinz, for en lind strøm af artikler om mikroglia og immunsystemets små signalmolekyler, interleukiner, begyndte i løbet af kort tid at tikke ind – uden at det dog for alvor rykkede ved hjerneforskeres interesse. Her var fokus andre steder.

I 1997 modtager den amerikanske forsker Stanley Prusiner Nobelprisen for sin forklaring på årsagen til kogalskab og den menneskelig pendant Creutzfeldt-Jakob sygdom. Han opfandt udtrykket prion fra ordene ”proteinaceous” (proteinholdig ) og ”infectious” (smitsom) for at forklare den infektion, man så i sygdomme på grund af misfoldning af proteiner. Adriano Aguzzi fra Universitetshospitalet i Zürich, der tog Prinz ind som sin postdoc, var også en af ​​verdens førende eksperter inden for prionsygdomme på den tid.

"De mennesker, jeg mødte her, var fremragende forskere og lærere: Adriano Aguzzi, en naturlig og drevet neuropatolog. Charles Weissmann, der var banebrydende for molekylær genetik, klonede type I-interferoner og  også var en af ​​grundlæggerne af Biogen, arbejdede i et nærliggende laboratorium. Og så var der Rolf Zinkernagel, der faktisk havde vundet Nobelprisen i fysiologi eller medicin bare et par år før. De var virkelig krævende og geniale forskere, som jeg lærte min grundlæggende forståelse af molekylær medicin fra," fortæller Marco Prinz.

I løbet af denne periode opnåede Marco Prinz sine første store videnskabelige præstationer, der bidrog til forståelsen af en mekanisme til prionoverførsel fra immunforsvaret til nervesystemet. Opdagelser, der blev offentliggjort i store tidsskrifter som PNAS i 2002 og Nature i 2003 sammen med andre fremragende publikationer.

"Set i bakspejlet er det helt klart, at jeg var nødt til at være der for at komme videre, men det var en virkelig intens tid. Det var vigtigt at lære, hvordan man laver eksperimenter, og hvordan man tænker på videnskab. Dette var noget af det, som jeg virkelig lærte sammen med de her virkelig seriøse folk.

Selv om Prinz, mens han var i Zürich, måtte lægge mikrogliacellerne på hylden, så dukker de alligevel op igen. Voksende beviser viste nemlig, at mikrogliaceller spiller en central rolle ikke bare som en primitiv immuncelle, der rydder op efter infektioner, men også både i forbindelse med hjerneskader generelt og med en række andre sygdomme i centralnervesystemet.

"Det viste sig, at akkumulering af de her mikroglia faktisk var et meget almindeligt træk ved de fleste af de såkaldte scrapie-sygdomme som kogalskab og tilsvarende hos får og geder. Så mikrogliacellerne var altså tæt beslægtet med prionerne, og det blev endda foreslået, at mikroglia endda være den udløsende trigger af de her neurodegenerative prionsygdomme," forklarer Marco Prinz.

En langt mere central rolle

Mikrogliacellerne var måske alligevel ikke så kedelige, som man gik rundt og troede. Efter fire år i Zürich tog Prinz nu tilbage til Tyskland og blev gruppeleder ved Institute of Neuropathology, University of Göttingen. Fremtiden syntes lys, men det var dog svært at overbevise potentielle donatorer og forskningsråd om, at det var vigtigt at studere inflammation af hjernen.

"De sagde: Han lavede noget god forskning, men det, han vil gøre nu, har han intet bevis for. Så jeg fik positive tilbagemeldinger, men de blev afvist, afvist og atter afvist. Inden for forskning gælder det virkelig om at være på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt," siger Marco Prinz.

2005 viste sig at være det tidspunkt. Her oplevede neurovidenskab en slags renæssance. Med nye billeddannelsesteknikker via laserskanning, såkaldte konfokalmikroskop, og nye teknikker til at studere hjernen i mus ved hjælp af grønne fluorescerende proteiner, som Roger Tsien fik Nobelprisen for 2008, eksploderede muligheder for at undersøge hjernens celler i stor detalje.

Nu kunne vi på den måde pludselig følge selve udviklingen af cellerne og dermed også se, hvilke faktorer der trigger udviklingen af mikroglia i fosteret, og det blev på den måde mere og mere tydeligt for os, at mikroglia ikke blot udgør den første vigtige immunologiske barriere mod patogener og miljømæssige forandringer. De så ud til at have en langt mere central rolle i hjernen.

Marco Prinz er direktør ved Institute of Neuropathology, Medical Center, University of Freiburg, Tyskland. © Britt Schilling

Kobling til konkrete sygdomme

I 2007 opdager Marco Prinz og hans kollegaer i Göttingen, at immunceller, der udtrykker høje niveauer af den såkaldte CCR2-kemokinreceptor, udvikler sig, når der opstår inflammation i hjernens mikroglialignende celler, fx ved den autoimmune sygdom encephalomyelitis – dyrenes pendant til ​​multipel sklerose.

"Mikrogliacellerne gik pludselig fra at være de kedeligste til de mest spændende nærmest overnight, og det gav mig et kæmpeforspring i forhold til mange andre forskere, at jeg havde arbejdet med de her celler i mere end 10 år," fortæller Marco Prinz.

I 2008 bliver Marco Prinz tilbudt et professorat ved Universitetet i Freiburg, hvor han bliver direktør for Institute of Neuropathology på dette meget tidlige stadium i sin karriere. Han får samtidig ansvaret for neuropatologisk diagnostik ved universitets medicinske center og de omkringliggende hospitaler.

"Det gjorde det muligt for os bedre at lave koblingen til konkrete sygdomme, Parkinsons, Alzheimers, Huntingtons sygdom og sklerose, og det blev klart ret hurtigt, at mikroglia har mange funktioner i hjernen – både under udvikling og modning og i forbindelse med regenerering af hjerneceller," siger han.

Hjernevævets egne affaldssamlere

Overbevist om mikrogliacellernes centrale rolle besluttede Marco Prinz nu at fokusere sin forskning på deres oprindelse og den måde, cellernes udviklede sig. Det blev på det tidspunkt antaget, at knoglemarv-afledte immunceller, såkaldte monocytter – immunsystemets "skraldemænd", som optager og tilintetgør fremmede organismer og døde celler – cirkulerer i kroppens blod og trænger ind i kroppens forskellige væv, og at de adskiller sig fra vævenes egne skraldemænd.

"Det var en fascinerende tankegang, og hvis det passede, kunne det revolutionere sygdomsbehandling, for på den måde ville man, blot ved at manipulere med knoglemarven, kunne styrke bekæmpelsen af sygdomme i forskellige af kroppens væv," siger Marco Prinz.

Imidlertid diskonterede Marco Prinz og hans kolleger denne teori og viste i en banebrydende undersøgelse, at både hjernevævets egne affaldssamlere – mikroglia og cellerne i perivaskulært væv, stedene omkring blodkar – stammer fra lignende stamceller i føtal æggeblommesæk.

10 % af hjernecellerne er immunceller af plast

Hjernens immunsystem er derfor uden grænser. Mikroglia og hjernens andre immunceller opstår i fostertilstanden, og når en baby fødes, lukkes tilstrømningen af ​​immunceller fra periferien til hjernen, ligesom til andre centrale organer.

"Hjernen er på en eller anden måde beskyttet. Vi siger, at den immuno-privilegeret. Immunsystemets udvikling er forskellige fra hudens og fx nyrens. Du kan leve uden en nyre, men det er vigtigt, at nogle organer på en eller anden måde er immunbeskyttet, så evolutionen har fundet en metode til at beskytte de her centrale organer, som fx testiklerne hos mænd, æggestokke hos kvinder og altså hjernen,” forklarer Marco Prinz.

For at helbrede mange af de mange forskellige hjernesygdomme er det derfor ifølge Marco Prinz nødvendigt at lære hjernens eget immunsystem bedre at kende og især lære at forstå mikrogliacellernes oprindelse, funktion og ikke mindst, hvordan man kan manipulere med dem.

"I de fleste af hjernens milliarder af celler er neuronerne er ikke så plastiske, men de 10 % af hjernecellerne, som mikrogliaceller er meget plastiske, og de sidste par år har vi fundet frem til, at måske halvdelen af alle risikogener ved hjernesygdomme findes på netop disse celler, så måske kan vi ved at manipulere dem helbrede sygdomme. Det er dog et stort puslespil, vi er ved at lægge, og selv om hvert stykke giver noget nyt, så er der lang vej endnu," siger Marco Prinz.

IMARIS-based three-dimensional reconstruction of a microglia cell (from Goldmann, Wieghofer et al. 2013).

Tarm koblet til hjernen

I 2015 lagde Marco Prinz og hans kollegaer en dengang noget overraskende brik i hjernens store puslespil, da de viste, at mikroorganismerne i menneskerts tarmsystem er afgørende for reguleringen af ​​mikrogliacellernes modning og aktivering under sundhed og sygdom.

"Det tyder på, at miljømæssige faktorer faktisk kan kontrollere mikroglia og kan vise sig at være nøgleelementer til forståelse og styring af hjernens sundhed. Det er især værd at bemærke, at mikroglia synes at være særlig påvirket, at en utilstrækkelig diversitet og kompleksitet i mikrobiomsammensætning kan føre til defekter i modning, differentiering og funktion af mikrogliaceller," siger Marco Prinz.

Studiet pegede på en nøglerolle for kommunikationen mellem tarm og hjerne i den normale og i den syge hjerne. At sygdom kan blive det ultimative resultat af en fejlregulering, viste forskerne i et senere studie, hvor de koblede mikrobiomsammensætningen med aktivering af særlige gener på mikrogliacellerne.

"Det er gener, der kan kobles direkte til udviklingen af Alzheimers sygdom. Siden har vi udført lignende studier i Parkinsons og multipel sklerose, der viser det samme, så vi forsøger i første omgang at forstå, hvordan mikrobiomet er ændret hos den syge, så vi kan lære, hvad det er for faktorer i tarm-mikroglia-forbindelsen, der gør os syge, og ultimativt, hvordan mikrobiomet kan ændres, så vi kan påvirke og helbrede sygdommen," forklarer Marco Prinz.

Hjernekonfetti 

I deres bestræbelser på at forstå mikrogliacellernes diverse rolle i hjernen er Marco Prinz og hans gruppe de senere år blevet mere og mere bevidste om, at cellerne udover at være lokale skraldemænd i hjernen også er med til at skabe plasticitet og struktur i hjernen. Ved at kombinere enkelt-celle-RNA-sekventering og massespektrometri lykkedes det at skabe et gennembrud i forståelsen af den normale og syge hjerne.

"Det gjorde det muligt for os at identificere og karakterisere genudtrykket i cellerne og sammenholde det med fx udviklingen af kræfttumorer, og det vi kan se er, at mikrogliacellernes genudtryk og plasticitet spiller en særlig rolle i udviklingen. Om det er ændrede genudtryk, der er årsagen, og om det ændrer sig grundet udviklingen af tumoren, er endnu for tidligt at sige," lyder det fra Marco Prinz.

Også i forbindelse med den store – vidensmæssige – sorte boks, der kaldes neuropsykiatriske lidelser, har forskerne kastet deres opmærksomhed efter mikrogliacellerne. Man ved nemlig i dag, at de neurale netværk ændres ved både autisme og skizofreni, og igen falder mistanken på den tidligere så kedelige celle.

"Vi har udviklet et såkaldt konfetti-system, hvor vi i mus kan farve mikrogliacellerne røde, gule, grønne og blå – alt efter om de er i gang med at udvide sig ved at skabe dattercellerne, trække sig sammen eller forblive det samme. På den måde kan vi følge cellernes udvikling i normaltilstanden og under udviklingen af forskellige sygdomme," fortæller Marco Prinz.

En ægte guldmine

25 år efter Marco Prinz kastede sig over verdens kedeligste hjernecelle, betragtes mikrogliaceller i dag som nøgleregulatorer af det centrale nervesystem – såvel ved sundhed som ved sygdom.

"I enhver form for hjernens patologi ser de ud til at være involveret. Ved neurodegeneration som Alzheimers, ALS og Parkinsons. Ved neuroinflammatoriske sygdomme som meningitis og multipel sklerose. Ved neuropsykiatriske lidelser som autisme og skizofreni, og selv i patologiske tilstande antages det, at de er involverede," forklarer Marco Prinz.

Mikrogliacellerne er altså ikke kun immunceller, der rydder op efter infektioner, og som kan skade hjernen, hvor immunsystemet angriber sig selv ved autoimmune sygdomme som Parkinsons. Cellerne bygger og former også omgivelserne i de neurale netværk. I takt med at Marco Prinz samler og får mere og mere information om cellerne, viser de sig mere og mere som en veritabel guldmine.

"Mange virksomheder forsøger at målrette behandling mod disse celler. I dag ved man, at selvom Parkinsons, Alzheimers, Huntingtons sygdom og sklerose er multifaktorielle og komplicerede sygdomme med mere end 200 forskellige genetiske mutationer og risikofaktorer for hver sygdom, så findes et flertal af de genetiske risikofaktorer på mikrogliacellerne,” siger han.

Selvom Marco Prinz og hans kollegaer drømmer om at bruge deres viden om cellerne til at forstå sygdommene og måske helbrede, er det vigtigt, at vi forstår, at det er en kompliceret situation, man står over for.

"Hjernen er formentlig den mest komplekse ting, vi har i universet. Derfor kan udviklingen af nye former for terapi sagtens vise sig at være langt mere kompliceret, end vi regner med, så vores vision er i første omgang at bruge den nye viden til at udvikle bedre diagnostik, mens nye mikrogliabaserede terapier formentlig ligger lidt længere ude i fremtiden," vurderer Marco Prinz.

Et diagnostisk vækkeur

En diagnostisk metode baseret på mikrogliaceller kan ifølge Marco Prinz til gengæld blive en realitet i en ikke så fjern fremtid. Normalt diagnosticeres mange hjernesygdomme ved hjælp af små biopsier fra den menneskelige hjerne.

"Når der tages en biopsi, har folk allerede sygdommen, ofte allerede i et avanceret stadium. Mikroglia er i sidste ende den første celle, der reagerer under næsten enhver hjernesygdom. Identifikation af nogle molekyler, gener eller markører, der virkelig er typiske for mikroglia-specifik sygdom, gør det muligt for os at identificere en sygdom meget tidligere og måske intervenere med en behandling, før de bliver for avancerede," siger Marco Prinz.

Mikroglia udviser en cellespecifik molekylær signatur, og således kan Marco Prinz forestille sig at basere en diagnostisk metode på afvigelser fra denne signatur. Mikroglia uden for balance kan indikere tidlig sygdom, da mange hjernesygdomme er år eller endda årtier om at udvikle sig.

"Når symptomerne dukker op, er det ofte for sent. Man kunne forestille sig ved hjælp af for eksempel MRI- eller PET-hjerneskanninger at kunne se de her ændringer hos levende patienter i risikogrupper. Som en slags vækkeur i hjernen, der fortæller os, at hos denne patient er mikrogliaceller i en bestemt region aktiveret, og det kan så guide os i vores diagnostik og måske endda på sigt vores behandling," slutter Marco Prinz.