Az egyéni megfigyeléstől a közös munkán át a felfedezésig

2019. december 13.

Mindjárt itt az év vége, küszöbön 2020, ami olimpiai év, erről pedig eszünkbe juthatnak az ókori görögök, akik az olimpiai versenyeket is kitalálták. Az olimpia hagyományát 1896-ban ugyan felújították, de sajnos anélkül az ókori szabály nélkül, hogy legalább a játékok ideje alatt mindenféle harcok és háborúk szünetelnek. De mi a párhuzam Dénes Ádámék Science cikke és az olimpia között? Egy ilyen cikk igen nagy siker. Azt pedig, hogy egy akkora intézetből, mint a KOKI, három itt készült munkát is közöljenek a Science-ben, sőt, októberben Acsády Laci - és a közös pályázatban dolgozó, de nálunk már vendégkutató státuszú Mátyás Ferenc - révén egy negyedikben is közreműködők legyünk, talán csak a Helsinkiben /1952/ elért 16 olimpiai aranyhoz lehetne hasonlítani.
És ahogy minden aranyéremnek megvan a maga története, a nagy tudományos sikerekhez vezető út is különböző. Halljuk most ennek a történetét!

- A cikknek összesen harminc szerzője van, legtöbbjük természetesen a Te laborodból. Kezdjük most talán onnan, hogyan építetted fel azt a csapatot, amivel már eddig is több kiemelkedő eredményt értetek el?

- Amikor 2012/2013 fordulóján hazatértem Manchesterből, nagy lökést adott, hogy sorban elnyertem olyan pályázati támogatásokat (OTKA, Nemzeti Agykutatási Program, valamint a Lendület és az ERC támogatás), amelyek lehetővé tették, hogy felépíthessek egy labort, és találjak lelkes kollégákat, akikkel együtt tudunk alkotni, gondolkozni. Nagy szerencsém volt. Jó kis csapatunk van, és számos munkatársam, akikkel intellektuális értelemben is társak vagyunk ebben az alkotófolyamatban. Hálás vagyok a rengeteg munkáért, amit beletesznek abba, hogy menjünk előre a megálmodott úton. Remélem, a jövőben is tudunk majd forrásokat szerezni, izgalmas projekteket indítani. Ez állandó kihívást jelent, hiszen a labor témája a neuroimmunológia, pontosabban az agyi gyulladásos folyamatok vizsgálata, amely komplex, sokszor nehezen definiálható kutatási terület. Közben állandóan szembesülünk azzal, hogy az immunológia és idegtudomány összefüggéseit még alig-alig értjük. Ez azt is jelenti, hogy nincs rá célirányosan képzett szakember gárda, keverednek az immunológiai és idegtudományi metodikák, és a szükséges háttértudás irodalma is szerteágazó. Ezért nem is tudom eléggé tisztelni kollégáimat, akik helytállnak ebben a közegben!
Nagy segítségünkre volt, hogy a KOKI vezetése a kezdetektől támogatta a kutatásainkat, többek között azzal is, hogy 2017-ben meg tudtuk csinálni az in vivo laborunkat. Nem volt egyszerű feladat, mivel kutatási irányvonalunk az intézetben is egyedinek számít, hiszen témánk nem kapcsolódik szorosan a korábbi iskolateremtők munkájához. Lénárt Nikolett pótolhatatlan volt a laborépítésben (az ő keze munkáját dicsérik a cikkhez szükséges stroke kísérletek is), és természetesen a többiek is rengeteget segítettek. Kicsit több mint három éve keresett meg Cserép Csaba, egy kiemelkedő képességű fiatal kutató, az anatómiai módszerek szakértője, hogy szívesen dolgozna velem a mikroglia-idegsejt interakciók területén. Sokat tett azért, hogy laborunk is alkalmazni tudja a nagy-felbontású anatómiai és elektronmikroszkópos módszereket. Emellett remekül tudjuk használni a KOKI-ban rendelkezésre álló műszerarzenált és a szakértelmet együttműködések formájában is, ami a határterületen egyensúlyozó kutatásoknak kifejezetten jót szokott tenni.

- És mi volt megjelent munkátok tudományos kiindulópontja?

- Az a gondolat, hogy a szomatikus mikroglia-idegsejt kapcsolat döntőbíró lehet az idegsejtek sorsát tekintve akkor kezdett foglalkoztatni, amikor több mint 15 évvel ezelőtt megfigyeltem, ahogy az agyban a mikroglia nyúlványok felkúsznak a vírussal fertőzött, haldokló idegsejtek szómájára /sejttestjére/, majd ezeket a mikroglia bekebelezi és eltünteti az agyszövetből. Sokévnyi stroke és mikroglia kutatás után, külföldről hazatérve aztán végre lett egy olyan módszerünk is, amellyel különösebb mellékhatások nélkül el tudtuk távolítani a mikrogliát az agyból, és megmutattuk, hogy ez kísérletes stroke-ot követően nagyobb idegsejt károsodással jár. Azt is megfigyeltük, hogy sérült agyban a mikroglia aktivitásfüggő módon monitorozza az idegsejtek sejttestjét, és eltávolítása teljesen átalakítja a hálózati aktivitást. Lénárt Nikolett és Martinecz Bernadett kolléganőimnek kiemelkedő szerepe volt ebben a felfedezésben. Orsolits Barbara szuperrezolúciós mikroszkópiával vizsgálta a mikroglia-idegsejt kapcsolatokat, Szalay Gergely pedig, Rózsa Balázs kutatócsoportjának tagja, nagyon sokat segített a két-foton mikroszkópiás mérésekben.
Miután Csaba beállította az immunarany jelölést a mikrogliális P2Y12R kimutatására, transzmissziós elektronmikroszkópiát követően elektron tomográfiás felvételt is készített, hogy pontos képet kapjunk a mikroglia-idegsejt kapcsolatról. Az első háromdimenziós rekonstrukció igazolta a konfokális és szuperrezolúciós mikroszkópiás felvételek alapján levont következtetéseinket, és nyilvánvalóvá lett, hogy itt valami nagyon egyedi jelenségre akadtunk.

- Ezeknek az eredményeknek, melyek egy része megjelent a 2016-os Nature Communications és a 2018-as Acta Neuropathologica cikketekben, lett tehát a folytatása a most a Science-ben elfogadott munka!

- Ez részben így van, de a jelenlegi felfedezés kibontásához és közléséhez ennél jóval több kellett nem csak mennyiségi, hanem intellektuális értelemben is. Nem beszélve a jó adag szerencséről. Csaba után hamarosan tanítványa, Pósfai Balázs is csatlakozott hozzánk, aki a kezdetektől korát meghazudtoló érettséggel és lelkesedéssel használta a modern anatómiai módszereket a mikroglia-neuron kapcsolatok vizsgálatára. Fontos megemlíteni, hogy Csaba és Balázs nem csupán manuálisan végzett el több embernyi munkát, de mindketten állandó beszélgetőtársaim is voltak, aktív, intellektuális közreműködői ennek a projektnek, akikkel folyamatosan alakítottuk az újabb és újabb kísérleteket és az ezekhez szükséges módszereket. Komoly segítséget kaptam tőlük a részfeladatok koordinálásában és a külső együttműködő partnerekkel való kapcsolattartásban is, ami igazán jó volt ebben a szerteágazó projektben.
A labor minden tagja teljes erőbedobással dolgozott, és külön öröm, hogy a fiúk tehetséges TDK-hallgatói (Schwarcz Dóra Anett és Ujvári Katinka) is komoly kísérletes munka és analízis elvégzésével tudtak hozzájárulni az anyaghoz.

A beküldött cikk revíziójához aztán újra szükség lett szinte az egész labor összehangolt munkájára. Lénárt Nikolett és Fekete Rebeka az in vivo kísérletekben vállalt oroszlánrészt, Környei Zsuzsa és Tóth Krisztina az in vitro vizsgálatokat végezte. Zsuzsa sok mérést a semmiből állított be: többek között először sikerült videóra vennünk az idegsejtek szómájából aktivitás hatására felszabaduló ATP-t! Szabadits Eszter feladata lett a revízióhoz szükséges fény- és elektronmikroszkópos vizsgálatok nagy részének elvégzése.

- A közreműködők közt vannak, akik más csoportokban, más intézetekben, sőt, külföldön dolgoznak!

- Igen, és mindegyiknek nagy köszönettel tartozom, hiszen nélkülük nem jöhetett volna létre ez az eredmény. Tamás Gábor és Molnár Gábor (Szegedi Tudományegyetem) agyszeleteken NADH méréssel bizonyították, hogy a mikroglia nyúlványok és idegsejtek közötti érintkezés együtt jár az idegsejtek mitokondriális aktivitásának megváltozásával. Lele Zsolt és László Zsófia Katona István kutatócsoportjából in utero elektroporációs kísérletekkel segítettek, Baranyi Mária pedig Sperlágh Beáta csoportjából nagy pontosságú HPLC mérésekkel mutatta ki az idegsejtek által termelt ATP-t.
Müncheni Arthur Liesz kollégám és hallgatója, Steffanie Heindl, egy általuk kifejlesztett wide - field kálcium detekciós rendszert alkalmazva, velünk együtt dolgoztak több napon át tartó maratoni kísérletekben, hogy feltárjuk a mikrogliális P2Y12R gátlásának hatását az idegsejtek patológiás aktivitásváltozásaira. Michael Tamkun (US) olyan új plazmidokat bocsátott rendelkezésünkre, amelyekkel gátolni tudtuk a Kv2.1 csatornák membránban történő kifejeződését, és így bizonyítani, hogy a mikroglia nyúlványok nem neuronális eredetű sejtek esetén is felismerik a sejtmembránon a fokozott exocitózist mutató területeket. Kaptunk poszt-mortem humán szöveteket és sok tanácsot is Hortobágyi Tibortól, Csiba Lászlótól és Maglóczky Zsófitól, a különleges egértörzsekért pedig Erdélyi Ferinek és Szabó Gábornak tartozunk köszönettel. Nagy örömömre, az együttműködő laboratóriumok vezetői komoly intellektuális segítséget is nyújtottak a kézirat és a bírálóknak adott válaszok írásánál. Külön szeretném megköszönni a szerzőlistában nem szereplő, de kiemelkedően értékes tanácsokkal szolgáló kollégáim, elsősorban Nusser Zoli és Hájos Norbert segítségét.

- Mi a felfedezésetek tudományos háttere, és miért épp a Science-be küldtétek a kéziratot?

- A Science korábban több cikket is közölt mikroglia, illetve agyi gyulladás témában, és láthatóan érdekli őket az idegsejtek metabolizmusa is, amely a legtöbb idegrendszeri betegségben érintett. Bíztunk benne, hogy a mi munkánkat is érdeklődéssel fogadják, hiszen az elmúlt években számos kutatás bizonyította a gyulladásos folyamatok kiemelt szerepét szinte az összes gyakori idegrendszeri betegség kialakulásában, és fokozott figyelem terelődött a mikrogliasejtek szerepére, amelyek a központi idegrendszerben a gyulladásos folyamatok legfőbb szabályozói és közvetítői. Az is kiderült, hogy a mikroglia fiziológiás, illetve az egyedfejlődés során betöltött szerepe sem elhanyagolható, hiányában például a fejlődő idegrendszerben a serkentő és gátló szinapszisok aránya sem lesz normális. A mikroglia ugyanis (egy egyelőre nem kellően ismert szelekciós mechanizmus révén, de a komplement rendszer elemeit felhasználva) lecsipegeti az eltávolítandó szinaptikus terminálisokat, és ezzel is szabályozza az idegi hálózatok dinamikáját. Hasonlóképpen, az Alzheimer-kór (AD) esetében is számos genomikai (GWAS) vizsgálat mutatta ki a mikrogliális ligandok/receptorok, köztük a komplement fehérjék jelentőségét, kísérleti AD modellekben pedig igazolták, hogy a mikroglia vagy a komplement rendszer modulációja képes a kognitív hanyatlást és a szinapszisok mennyiségének csökkenését gátolni. Többek között ezek az eredmények indokolják, hogy az elmúlt években kiemelt figyelem irányult a mikroglia-szinapszis interakciókra. Ennek a fontos kutatási területnek a dominanciája azonban annak a téves nézetnek a kialakulását is elősegítette, hogy a mikroglia és az idegsejtek közötti legfontosabb kommunikációs útvonal a szinapszisokon keresztül valósul meg. A mi korábbi eredményeink viszont arra engedtek következtetni, hogy kell lennie más típusú kapcsolatoknak is az idegsejtek és a mikroglia között, amelyek a sejttest környékén koncentrálódnak. Például nagyon nehéz lenne megmagyarázni, hogy egy idegsejt sokszor távoli szinaptikus kapcsolatainak környezetében elhelyezkedő mikrogliasejt hogyan befolyásol olyan komplex folyamatokat, mint az idegsejtek aktivitásának finomhangolása, az apoptózis, a neurogenezis, vagy a visszafordíthatatlanul károsodott idegsejtek fagocitózisa.

- Kérlek, magyarázd el, eredményeitek szerint hogyan működik ez a nem szinaptikus idegsejt-mikroglia kapcsolat?

- Amikor kísérleteink során felmerült, hogy létezhet szomatikus-mikroglia interakció, még nem lehetett sejteni, mennyire specializált az a molekuláris apparátus, amely a két sejt kommunikációját irányítja, és még most is csak a felszínt kapargatjuk. Meglepetésünkre nem csupán bizonyítékot találtunk a szomatikus mikroglia-idegsejt interakciók kialakulására az idegsejtek membránjának speciális területein, de azt is megmutattuk, hogy ez mind az egér, mind a humán agyban rendkívül gyakori. Kiderült továbbá, hogy az idegsejtek szomatikus membránján elhelyezkedő „csomópontok” molekuláris összetétele is egyedi, mellettük pedig a citoplazmában mitokondriumok és mitokondrium-eredetű vezikulák találhatók, valamint egyéb vezikulák is, amelyek a sejtmembránon át felszabadulhatnak! Nem véletlenül képes hát a mikroglia speciális molekuláris útvonalakon keresztül kommunikálni az idegsejtekkel pont ezeken a területeken. A jelzést ehhez az idegsejtekből szomatikusan felszabaduló ATP adja, amely ADP-vé alakulva vonzza a mikroglia nyúlványokat egy purinerg receptor, a P2Y12R aktivációját követően. Ezek a receptorok az idegsejtek membránján összetoborzódó Kv2.1 csatornákkal kerülnek közvetlen kapcsolatba, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a sejtmembránhoz horgonyozzák a molekuláris apparátust, amely az idegsejtekből különféle anyagok felszabadítását végzi egy exocitózisnak hívott folyamat során. Úgy tűnik, az idegsejt ezeknél a "forró pontoknál" koncentráltan, vezikulákba csomagolva és más útvonalakon át is küldhet anyagcseréjéről, energetikai állapotáról vagy sérüléséről tájékoztató jeleket a sejtek közötti, ún. extracelluláris térbe, pont ott, ahová a mikroglia nyúlványai a neuronális aktivitástól függő módon toborzódnak!
Úgy gondoljuk, sikerült a mikroglia-idegsejt kapcsolatok egy új, és valószínűleg kiemelten fontos formáját azonosítani, melyen keresztül a mikroglia nem csak folyamatosan monitorozhatja az idegsejtek állapotát, de vissza is hathat az idegsejtek működésére, befolyásolhatja aktivitásukat, vagy eliminálhatja a sérült sejteket.

- Bizonyára rengeteg munka van még addig, amíg mindezt részleteiben is fel lehet tárni, de ha ennél is tovább gondolunk, mi lehet az eredmények gyakorlati haszna?

- A legtöbb idegrendszeri betegség esetén ismert, hogy a mitokondriális működés zavara komoly kóroki tényező. Elég, ha csak az energia-metabolizmus változásaira gondolunk a neurodegeneráció korai stádiumában, az oxidatív stresszre, a hibás fehérjék felszaporodása miatt kialakuló sejtélettani problémákra, az öregedésre vagy az apoptózis molekuláris folyamataira. Tanulmányunk abban a tekintetben is első, hogy az idegsejtek mitokondriális működése és a mikroglia funkcionális (potenciálisan protektív) szerepe között oksági összefüggést mutatott ki. A szomatikus mikrogliális kapcsolatok révén ugyanis a mikroglia visszahat az idegsejt állapotára. Ennek jelentőségét az kísérletes stroke-ot követő idegsejt pusztulás gátlásában már sikerült is bizonyítani, és azt is megmutattuk, hogy stroke-ot követően anatómiailag a humán agykéregben is az egérben látott változásokkal analóg folyamatok mennek végbe. Mivel eddig semmit nem lehetett tudni a szomatikus mikroglia-neuron interakciók mechanizmusairól, a gyakori idegrendszeri betegségekben további vizsgálatok szükségesek, hogy feltárjuk a struktúra gyakoriságát, molekuláris alkotóit és molekuláris ujjlenyomatainak változásait.

- Ezeket a vizsgálatokat gondolom már el is kezdtétek. . .

- Várhatóan ez az újonnan feltárt kommunikációs forma számos egyéb idegrendszeri betegség kialakulásában szerepet játszhat, de hogy negatív vagy pozitív előjellel, az nem ismert. Ennek átfogó vizsgálatát nemrég el is kezdtük. Első lépésként mind egér modellekben, mind posztmortem humán agyszövetekben megvizsgáljuk a kapcsolatok anatómiájában és molekuláris összetételében tapasztalható változásokat a különféle neuropatológiai állapotokban. Utána lehet majd arra következtetni, milyen új terápiás célpontok azonosíthatók akár az idegsejtek és a mikroglia kommunikációját vezérlő – részben már ismert – molekuláris útvonalak között. Mivel a szomatikus mikroglia-idegsejt kapcsolatok részletes molekuláris összetételét még csak most tárjuk fel, így olyan támadáspontok is előkerülhetnek, amelyekre korábban senki sem gondolt. Abban bízunk, hogy kicsit közelebb kerülhetünk annak megértéséhez, miért és hogyan pusztulnak el az idegsejtjeink a különféle idegrendszeri betegségekben és hogyan lehetne a mikrogliális funkció finomhangolásával ezt csökkenteni. Sok potenciálisan értékes felfedezés lehet előttünk, de átfogó kutatómunka nélkül ezek jelentőségét még nem látjuk, ezért a túlzóan optimista kijelentésekkel óvatosan kell bánni.

Az MTA honlapján megjelent cikk itt olvasható.