Onderzoek naar de rol van macrofagen in neurodegeneratie bij veroudering

Macrofagen staan bekend om hun rol in de verdediging van de gastheer en het opruimen van ziekteverwekkers, maar pas de laatste jaren zijn we gaan inzien dat deze cellen zich functioneel kunnen specialiseren op verrassend veel manieren, waardoor ze weefsel-specifieke functies vervullen in het orgaan waarin ze verblijven. De richtlijnen voor deze specialisatie worden grotendeels gegeven via signalen van omringende cellen, de zogenaamde macrofagen-niche. Dankzij de signalen uit de omringende niche kunnen macrofagen specifieke transcripties en functies aannemen, en weefsel-specifieke functies vervullen, zoals het recycleren van surfactant in de longen, de regulering van elektrische signalen in het hart, en de regulering van de arteriële stijfheid in de aorta.

In de darm zijn macrofagen te vinden in alle lagen, van het lumen tot de serosa, waar zij functies vervullen die specifiek zijn voor hun niche. Onder de epitheelcellen en in de nabijheid van het darmlumen nemen de macrofagen deel aan de verdediging van de gastheer door het opruimen van binnendringende ziekteverwekkers; dieper in het weefsel en dicht bij de bloedvaten houden bloedvat-geassocieerde macrofagen de vasculaire integriteit in stand; tot slot, de macrofagen dicht bij de neuronen van de myenterische plexus houden de gezondheid van de zenuwcellen in stand en regelen de peristaltiek van de darm. Neuron-geassocieerde macrofagen zijn dus essentieel voor de goede werking van het maag-darmstelsel en voor de ondersteuning en overleving van de lokale zenuwcellen (enterische neuronen).

Het enterisch zenuwstelsel (EZS) ontstaat uit cellen die het darmkanaal koloniseren vóór de geboorte, en blijft ontwikkelen tijdens het vroege postnatale leven. De spontane contracties die over de hele lengte van de darm optreden en die nodig zijn om de darminhoud voort te stuwen, zijn pas na de borstvoeding volledig ontwikkeld. Deze ontwikkeling verloopt in lijn met de behoeften van de darm, die zich moet aanpassen aan de overgang van een vloeibaar naar een vast dieet na de borstvoeding. In hoofdstuk 3 tonen wij aan dat, in de eerste levensfasen, de macrofagen in de buitenste spierlaag van de darm deelnemen aan de verfijning van het zenuwstelsel, en dat de afwezigheid hiervan leidt tot versnelde darmtransit en neuronale hyperplasie. Op het moment van spenen gaat deze groep van macrofagen door een transcriptionele en functionele transitie, met als gevolg een vermindering van de fagocytische Lyve1+ macrofagen, en de uitbreiding van een subset van neuron-geassocieerde macrofagen. Het fenotype van de neuron-geassocieerde macrofagen bleek te worden bepaald door het groei-eiwit, TGFβ, dat door het EZS zelf wordt geproduceerd. Verlies van TGFβ-signalering leidde tot een vermindering van neuron-geassocieerde macrofagen, verlies van enterische neuronen en vertraging van de darmtransit. Al deze bevindingen wijzen op de kneedbaarheid van macrofagen, en werpen een licht op hoe neuronen een lokale, neuro-ondersteunende macrofaagpopulatie kunnen beïnvloeden.

Zodra de neuron-geassocieerde macrofagen zijn ontwikkeld, bieden deze macrofagen steun en bescherming aan de zenuwcellen in de darm gedurende het hele leven. Gezien hun vitale rol in de overleving van neuronen, is het van groot belang te onderzoeken welke rol deze cellen kunnen spelen bij neurodegeneratieve ziekten van het maag-darmstelsel. Bij veroudering is er een progressief verlies vastgesteld van enterische neuronen, wat een verklaring kan zijn voor leeftijdsgebonden gastro-intestinale klachten, waaronder constipatie. In hoofdstuk 4 tonen we aan dat vrouwelijke muizen een vertraging in darmtransit en neurodegeneratie vertonen bij veroudering, terwijl mannelijke muizen beschermd zijn tegen deze leeftijdsgebonden aftakeling.

Om te onderzoeken of verlies of malfunctie van macrofagen verantwoordelijk is voor de  aftakeling van het EZS op oudere leeftijd, hebben we single-cell RNA sequencing uitgevoerd op de macrofagen van jonge en oude, mannelijke en vrouwelijke muizen. De resultaten wezen op een belangrijke verschuiving in genexpressie tussen jonge en oude vrouwelijke muizen, terwijl de genexpressie in macrofagen van mannelijke muizen min of meer hetzelfde bleef, ongeacht de leeftijd van de muizen. Verder ontdekten we een significant verlies van neuron-geassocieerde macrofagen in ouder wordende vrouwtjesmuizen, wat een mogelijke verklaring is voor de geobserveerde aftakeling van het ENS bij deze muizen. Het is belangrijk op te merken dat de neuron-geassocieerde macrofagen behouden bleven bij ouder wordende mannelijke muizen, een waarneming die in verband werd gebracht met een toename in neuron-geassocieerde macrofagen die homeostatische genen upreguleren, hetgeen steun kan bieden aan neuronale regeneratie in ouder wordende mannelijke muizen. Tenslotte ontdekten wij een vermindering van fagocytose door macrofagen van oudere vrouwtjesmuizen, gekoppeld aan een vermindering in genexpressie van enkele belangrijke genen zoals Itgb5. In hoeverre dit betrokken kan zijn bij het opruimen van neuronale brokstukken en onoplosbare eiwitaggregaten moet nog worden onderzocht, maar in initiële experimenten konden we reeds accumulatie van dergelijke aggregaten waarnemen in de buitenste spierlaag van de darm in de ouder wordende muizen. Hoewel verdere studies nodig zijn om deze bevindingen te valideren, suggereren onze resultaten dat malfunctie of het verlies van macrofagen in deze buitenste spierlaag een kritische rol kan spelen bij neurodegeneratie en constipatie in de ouder wordende vrouwelijke populatie.

De bevindingen in dit proefschrift benadrukken de uitzonderlijke plasticiteit van macrofagen in de darm, die zich gedurende het hele leven aanpassen aan de veranderende behoeften van het weefsel. Verder onthullen we een tot nu toe onbekende rol van deze macrofagen bij de vorming van het EZS tijdens de ontwikkeling, en werpen we licht op de instructie van neuro-ondersteunende macrofagen op volwassen leeftijd. Deze bevindingen helpen ons om het therapeutisch potentieel van deze macrofagen te benutten, en kunnen in de toekomst de wetenschappelijke gemeenschap in staat stellen neurodegeneratieve ziekten aan te pakken die het darmkanaal aantasten en waarvoor momenteel geen effectieve behandelingen bestaan.