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미세아교세포-신경세포 상호작용 및 신경퇴행성 질환

미세아교세포와 신경세포 간의 직접적인 상호작용에 대한 간결한 검토, 그리고 이러한 세포 간 상호작용이 신경퇴행성 질환에서 어떻게 영향을 받을 수 있는지.

최종 업데이트: 2025년 6월 18일
저자: Laurent Potvin-Trottier, Ph.D., Alexa Brown, Ph.D., and Barry J. Bedell, M.D., Ph.D.

왜 미세아교세포와 신경세포의 직접적인 상호작용을 연구해야 할까요?

미세아교세포는 중추신경계의 주요 면역 세포로, 뇌 건강 유지와 질병 대응에 중요한 역할을 합니다. 신경퇴행성 질환에서 미세아교세포는 질병 진행에 긍정적 및 부정적 영향을 미치는 복잡한 이중 기능을 나타냅니다(Gao, 2023 ). 미세아교세포는 변형된 단백질을 제거하는 데 도움을 주지만, 동시에 이러한 단백질의 확산을 우연히 촉진하여 병리를 악화시킬 수 있습니다. 미세아교세포는 질병 초기 단계에서 영양적 지원을 제공하고 항염증 환경을 촉진합니다. 그러나 지속적인 반응 후에는 신경독성 염증 인자를 방출할 수 있습니다.

신경퇴행성 질환에서 미세아교세포의 복잡한 역할을 이해하고 구분하며, 잠재적 치료제가 미세아교세포에 미치는 영향을 파악하기 위해서는 미세아교세포의 표현형과 다른 세포와의 상호작용을 측정하는 것이 중요합니다. 미세아교세포는 뇌 내 대부분의 세포 유형과 직접적 및 간접적으로 상호작용하지만, 이 자료는 다중 면역 형광을 통해 쉽게 측정할 수 있는 미세아교세포-신경세포의 직접적 상호작용에 초점을 맞추며, 이러한 상호작용이 신경퇴행성 질환에서 어떻게 영향을 받을 수 있는지 탐구합니다.

미세아교세포와 신경세포 간의 직접적인 상호작용은 신경세포의 어느 부분에서 발생하나요?

시냅스
미세아교세포와 신경세포 간의 시냅스에서의 직접적인 상호작용은 잘 확립되어 있습니다. 발달 과정에서 미세아교세포는 보완 신호전달을 통해 시냅스 정제(Paolicelli, 2011 ; Schafer, 2012 ; Weinhard, 2018 )와 시냅스 발달에 기여합니다(Paolicelli, 2011 ; Hoshiko, 2012 ; Zhan, 2014 ) 및 fractalkine (CXCL3-CXCR1) 신호전달(Schafer, 2012 )을 통해 기여합니다. 성인기에는 시냅스 제거(Trapp, 2007 ; Yamada, 2008 ; Tremblay, 2010 ) 및 활동 의존적 스파인 재모델링(Parkhurst, 2013 )에 기여합니다. 또한 미세아교세포는 국소 네트워크 동기화, 포스트시냅스 전류, 시냅스 스케일링 및 가소성을 조절합니다(Rogers, 2011 ; Pfeiffer, 2016 ; Akiyoshi, 2018 ; Wang, 2020 ). 아포토시스 시냅스는 'eat-me' 신호 분자로 알려진 포스파티딜세린을 발현하며, 이는 미세아교세포의 제거를 유도하는 우유 지방 글로불-EGF 인자 8(MFG-E8) 또는 TAM 수용체를 통해 작용합니다(Nonaka, 2019 ). 시냅스는 미세아교세포의 CR3(보체 신호전달)에 의해 인식되는 C1q로 표지되어 표적 제거가 가능합니다(Stevens, 2007 ; Schafer, 2012 ).

미세아교세포-신경세포 상호작용

미세아교세포와 신경세포의 시냅스, 세포체, 축삭 사이의 직접적인 상호작용 및 관련된 분자 경로를 도식적으로 나타낸 그림. Cserép et al. ( Cserép, 2021 )의 자료를 Creative Commons Attribution License에 따라 수정 및 인용함.

소마
미세아교세포의 과정과 신경세포 소마 간의 상호작용은 점점 더 많은 연구의 주목을 받고 있습니다(Cserép, 2021 ). 연구 결과에 따르면 미세아교세포는 신경퇴화, 급성 뇌 손상, 감염 시 신경세포를 식균작용으로 삼킬 수 있습니다(Sierra, 2010 ; Fekete, 2018 ; Janda, 2018 ). 흥미롭게도 미세아교세포와 아스트로사이트는 죽어가는 신경세포의 다른 부분을 식작용합니다. 구체적으로 미세아교세포는 이동하여 세포체와 아피칼 ден드리트를 포식하는 반면, 아스트로사이트는 작은 ден드리트적 아포토시스 체를 포식합니다(Damisah, 2020 ).

미세아교세포의 죽어가는 신경세포에 대한 식작용의 타임랩스 영상

생쥐의 살아있는 뇌에서 죽어가는 신경세포의 미세아교세포 식작용을 시간 경과에 따른 영상으로 촬영한 결과입니다. 미세아교세포는 녹색(Cx3cr1-GFP)으로, 핵은 보라색(DAPI)으로 표시되었습니다. 죽어가는 신경세포의 핵은 파란색 화살표로 표시되었습니다. 이 그림은 Damisah et al. (Damisah, 2020 )의 연구에서 Creative Commons Attribution License 하에 재인용되었습니다.

손상된 신경세포를 특이적으로 식균작용하기 위해 미세아교세포는 신경세포의 건강 상태를 감지할 수 있어야 합니다. Cserép (2020, 2021)은 대부분의 신경세포에 존재하는 특수한 접합부인 미세아교세포 과정과 신경세포 체세포 사이의 '체세포 푸리너기 접합부'에서 신경세포의 건강 상태를 평가할 수 있는 위치를 제안했습니다. 미세아교세포 측에서는 이 접합부가 푸리네르직 수용체 P2Y12R로 풍부하게 분포되어 있으며, 이는 접합부 형성에 필수적입니다. 반면 신경세포 측에서는 이 접합부가 엑소시토시스(exocytosis)에 관여하는 것으로 알려진 Kv2.1 클러스터가 풍부하며, 미토콘드리아, 미토콘드리아 연관 막(MAM), 리소좀 연관 막 단백질 1(LAMP1), 및 소포 핵산 운반체(vNUT)와 연관되어 있습니다. 이 접촉의 길이는 과정-신경돌기 접촉의 세 배 더 깁니다. 이 접합부는 신경 세포의 미토콘드리아 활동과 신경 세포 활동 모두와 연관되어 있습니다. 급성 뇌 손상 모델에서 이 상호작용의 빈도가 증가한다는 연구 결과가 있습니다. 또한, P2Y12R 차단으로 이러한 상호작용이 제거될 경우 병리학적 변화가 악화되어, 이 상호작용의 신경 보호 역할을 시사합니다. 또한, 이러한 체세포 접합부는 발달 중인 뇌에서도 발견되며, P2Y12R 결손 시 피질 세포 구조가 손상됩니다(Cserép, 2022 ).

신경 세포 미토콘드리아는 다양한 역할을 통해 세포 상태의 지표로 작용할 뿐만 아니라 미세아교세포가 핵심 신경 세포 기능을 조절하는 기회를 제공합니다. 이에는 발화 임계값, 증식, 칼슘 균형, 세포 운명 결정, 대사 등이 포함됩니다(Hall, 2012 ; Rugarli, 2012 ; Chandel, 2014 ; Kasahara, 2014 ; Tepikin, 2018 ; Styr, 2019 ). 신경퇴행성 질환에서 체세포 접합부의 역할은 아직 명확히 규명되지 않았지만, 미토콘드리아 기능은 많은 신경퇴행성 질환에서 변화가 관찰되므로, 이러한 접합부가 해당 질환에서 변화될 수 있음을 시사합니다.

축삭
미세아교세포는 축삭과 축삭 초기 부위(AIS)에서 신경세포와 상호작용합니다. 분비된 인자의 농도 차이는 축삭 유도 과정의 주요 동인입니다. 그러나 미세아교세포도 이 과정에 역할을 하며, 예를 들어 안내 역할을 합니다(Squarzoni, 2014 ). 성체 단계에서 미세아교세포는 과활성 신경축삭 방향으로 이동하여 막 재극화 과정을 촉진합니다(Kato, 2016 ). 미세아교세포에 의한 퇴화 축삭의 제거는 신경 세포 재생에 기여합니다(Bechmann, 2001 ; Neumann, 2009 ), 그리고 미세아교세포는 재수초화 과정에서도 재생 촉진 역할을 합니다(Lloyd, 2019 ). 미세아교세포와 AIS 간의 상호작용은 발달 초기 단계에서 시작되어 평생 동안 지속되며, 종 간에서도 보존됩니다(Baalman, 2015 ). 또한 미세아교세포는 외상성 뇌 손상 후 확산성 손상된 축삭과 상호작용하며(Lafrenaye, 2015 ), 실험적 자가면역 뇌척수염에서 AIS와의 상호작용은 AIS의 무결성 손상과 연관되어 있습니다(Clark, 2016 ).

신경퇴행성 질환에서 미세아교세포와 신경세포 간의 직접적인 상호작용은 어떻게 변화하나요?

알츠하이머 병 (AD)
AD에서 미세아교세포는 보체 신호전달 경로(C1q, C3)를 통해 시냅스 포식 및 식작용을 통해 신경퇴화에 기여합니다 (Hong, 2016 ; Shi, 2017 ; Rajendran, 2018 ; Vogels, 2019 ) 및 골수 세포에 발현되는 트리거링 수용체 2(TREM2) 신호전달(Fracassi, 2023 ). 흥미롭게도 이러한 미세아교세포-신경세포 간 직접적인 상호작용은 미세아교세포-아스트로사이트 상호작용을 통해 매개되는 것으로 보입니다. 아스트로사이트의 APOE4 제거는 시냅스와 타우에 의해 유발된 시냅스 손실에 대한 미세아교세포의 식작용을 감소시킵니다 (Wang, 2021 ). Sokolova (Sokolova, 2024 )은 독특한 형태를 가진 아스트로사이트의 하위 유형인 '구형' 아스트로사이트를 발견했으며, 이 아스트로사이트는 미세아교세포의 시냅스 포식을 위해 필수적이고 충분한 식작용 조절인자 MFG-E8을 분비합니다. Mfge8를 특이적으로 제거한 아스트로사이트는 두 가지 다른 알츠하이머 병 마우스 모델에서 시냅스 손실과 미세아교세포의 시냅스 포식을 감소시킵니다.

구형 아스트로사이트 근처에서의 미세아교세포 시냅스 포식

구형 아스트로사이트 근처에서 미세아교세포의 시냅스 포식. 흥분성 포스트시냅스 Homer1 (흰색), CD68 리소좀 (빨간색), 아스트로사이트 (보라색), 및 미세아교세포 P2Y12 (녹색)의 이미지. 그림은 Sokolova et al. (Sokolova, 2024 )에서 Creative Commons Attribution License 하에 재현되었습니다.

페리뉴로널 네트워크(PNNs)는 특정 신경세포의 세포체와 돌기 주변을 둘러싸는 특수한 세포외 기질(ECM)로, 주로 인지 기능에 중요한 역할을 하는 파르발부민 발현(PV+) 억제성 중간신경세포를 둘러싸고 있습니다(Reichelt, 2019 ). PNNs는 발달 기간 중 높은 가소성 단계 이후 시냅스를 안정화함으로써 시냅스 가소성에 중요한 역할을 합니다. 또한 PNNs는 둘러싼 신경세포에 대한 물리적 장벽 역할을 통해 보호 기능을 수행하는 것으로 추정됩니다. Crapser (Crapser, 2020 ) AD 마우스 모델 및 인간 AD 뇌에서 PNNs가 감소함을 보여주었습니다. 이 PNNs의 감소는 PV+ interneuron의 손실을 동반합니다. 미세아교세포는 PNNs 물질을 삼키며, 미세아교세포의 감소는 PNNs 손실을 방지합니다. PNN이 타우와 아밀로이드 집합체로부터 신경세포를 보호한다는 보고(Brückner, 1999 ; Miyata, 2007 ; Suttkus, 2016 ; Reichelt, 2019 ) 있는 만큼, 미세아교세포-신경세포 상호작용은 신경퇴화의 또 다른 축이 될 수 있습니다.

von Saucken (von Saucken, 2020 )은 플라크 축적 전에 미세아교세포가 형태학적 변화를 보이고, 아밀로이드-베타를 함유한 신경세포를 선택적으로 결합한다는 사실을 발견했습니다. 이러한 직접적인 미세아교세포-신경세포 접촉은 과정-세포체, 세포체-세포체, 과정-신경돌기 사이에서 측정되었습니다. 미세아교세포의 신경돌기 식작용은 아밀로이드-베타 부하가 높은 지역에서 더 높습니다. TREM2는 형태학적 변화에 필수적이지만, 아밀로이드를 함유한 신경세포와의 선택적 상호작용이나 신경돌기 식작용의 차이에 필수적이지 않습니다. 흥미롭게도 파킨슨병(PD) 모델인 MPTP 마우스에서 미세아교세포의 신경세포 포식 및 식작용 전에 세포체-세포체 접촉이 증가합니다(Barcia, 2012 ), 이는 이 과정이 아밀로이드 베타 모델의 일부일 수 있음을 시사합니다.

Puigdellívol (2021 ) 아밀로이드-베타 주입 및 P301S 타우 마우스 모델에서 미세아교세포의 신경세포 식작용이 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 미세아교세포의 P2Y6 수용체(P2Y6R)를 결손시킨 경우, 신경세포의 미세아교세포 포식 작용에 필수적인 이 수용체의 결손은 신경세포 손실과 기억력 손실을 모두 방지합니다.

타우병
同様に, 타우-P301S 전유전자 AD 마우스 모델에서 미세아교세포는 시냅스를 포식하여 시냅스 밀도가 감소합니다(Dejanovic, 2018 ). C1q 표지화는 포스트시냅스 밀도(PSD)에서의 인산화 타우 축적과 상관관계를 보이며, C1q 차단 항체는 미세아교세포의 시냅스 포식을 감소시키고 시냅스 밀도를 증가시킵니다.

세포외 타우 외에도 미세아교세포는 타우 집합체를 포함한 살아있는 신경세포를 식작용합니다(Brelstaff, 2018 ). 미세아교세포가 분비하는 MFG-E8은 세포 공배양에서 집합체를 포함한 신경세포의 식작용에 필수적이지만, 타우 병증 마우스 모델에서 이러한 신경세포로의 미세아교세포의 국소화에 필요하지 않습니다. 또한, FTDP-17 및 Pick’s 전두측두엽 치매(FTD) 환자의 인간 뇌 추출물에서 MFG-E8 수준이 증가했지만, C9orf72 FTD 환자에서는 증가하지 않았습니다.

타우 응집체를 포함하는 신경세포의 포식

타우 집합체를 포함하는 신경세포(pFTAA, 녹색)가 미세아교세포(Iba-1, 빨간색)에 의해 포식되는 모습. 5개월령 P301S 마우스에서 관찰되었으며, 인간(HT7) P301S-타우는 흰색으로 표시되었고 핵(DAPI, 파란색)은 DAPI로 염색되었습니다. 공초점 z-스택 이미지는 미세아교세포에 의해 신경세포(흰색 화살표로 표시)가 완전히 포식된 모습을 보여줍니다. 그림은 Brelstaff et al. (Brelstaff, 2018 )에서 Creative Commons Attribution License 하에 재인용되었습니다.

신경세포막에 결합된 CX3CL1과 미세아교세포의 CX3CR1 사이의 직접적인 상호작용이 염증을 감소시키고 미세아교세포를 감시 상태로 유지하는 것으로 알려져 있습니다(Szepesi, 2018 ). 이에 따라 CX3CL1(Lee, 2014 ; Bemiller, 2018 ) 또는 CX3CR1(Bhaskar, 2010 )의 유전자 결손 마우스 모델에서 타우 인산화 및 신경염증이 증가합니다. 분해된 용해성 리간드 CX3CL1은 유전자 결손을 회복시키지 못했습니다(Lee, 2014 ; Bemiller, 2018 ), 이는 이러한 상호작용이 접촉성 방식으로 발생함을 시사합니다. 현재 이러한 상호작용이 발생하는 부위가 어디인지 명확하지 않습니다. 그러나 체세포 푸리너기 접합부가 흥미로운 장소가 될 수 있습니다. 이는 이러한 상호작용의 수명이 신경돌기보다 3배 이상 길다는 점이 시사하기 때문입니다. 이는 신호전달이 발생할 수 있는 더 많은 기회를 제공할 수 있습니다.

근위축성 측삭경화증(ALS)과 전두측두엽 치매(FTD)
TDP-43 집합체는 ALS의 특징적인 소견이며, FTD 환자의 약 절반에서 TDP-43 집합체가 관찰됩니다. ALS에서 미세아교세포의 유전자 발현 변화는 신경세포보다 먼저 발생합니다(Maniatis, 2019 ). 미세아교세포는 반응성 상태로 전환되며, 미세아교세포 증식은 환자의 상위 운동 신경세포 임상 점수와 상관관계를 보입니다 (Brettschneider, 2012 ). 유도형 TDP-43ΔNLS 마우스 모델을 사용한 Xie (Xie, 2024 ) 연구에서는 질병 초기 단계에서 신경세포의 피질 과활성이 증가함을 보여주었습니다. 이 피질 과활성은 막대 모양의 미세아교세포가 나타나며, 도크사트(dox) 투여 후 3주에 정점을 찍고 이후 감소합니다. 막대 모양 미세아교세포는 특히 피라미드 신경세포의 아피칼 ден드리트와 밀접하게 상호작용하며, 그 축을 따라 정렬되고 흥분성 시냅스를 광범위하게 식작용합니다. TREM2 유전자 결손은 분지되지 않은(막대 모양을 포함하는) 미세아교세포의 비율을 감소시켜 신경세포 과활성과 운동 장애를 증가시키고 생존율을 감소시킵니다.

가족성 FTD 및 ALS 모델도 미세아교세포-신경세포 상호작용에 대한 통찰을 제공합니다. GRN 돌연변이에 의한 프로그란울린 결핍은 유전성 FTD의 주요 원인 중 하나입니다. Grn-/- 마우스는 연령 의존적 TDP-43 단백질 병변과 미세아교세포 반응성을 나타냅니다(Lui, 2016 ; Zhang, 2020 ). 이 모델은 미세아교세포 의존적 시냅스 정제와 신경퇴행을 겪으며, 이는 C1q 및/또는 C3 결손으로 회복됩니다(Lui, 2016 ; Zhang, 2020 ).

C9orf72 유전자의 반복 확장(expansion)은 FTD와 ALS의 유전적 원인입니다. 마우스에서 C9orf72 결핍은 미세아교세포를 항상성 정적 상태에서 염증성 상태로 전환시킵니다(Lall, 2021 ). C9orf72-/- 마우스는 연령에 따른 피질 시냅스 정리를 보이고 학습 및 기억 행동 결핍을 나타냅니다. 미세아교세포에서 C9orf72를 특이적으로 결핍시킨 경우 강화된 시냅스 정리가 재현됩니다. 또한 C9orf72 결핍을 가진 알츠하이머 병 마우스 모델(5XFAD/C9orf72-/-)에서도 강화된 시냅스 정리가 관찰되지만, 플라크 부하가 감소합니다.

저희 팀은 미세아교세포-신경세포 상호작용 및 신경퇴행성 질환에 대한 질문에 답변해 드리거나, 치료 효과 연구에 사용되는 신경퇴행성 질환 모델에 대한 구체적인 정보를 제공해 드릴 수 있습니다.

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자주 묻는 질문

신경퇴행성 질환 환경에서 미세아교세포와 신경세포 체부 간의 상호작용에 정량적 변화가 관찰되었나요?


다중 면역 형광법을 통해 미세아교세포와 신경세포 간의 직접적인 상호작용을 측정할 수 있습니까?


미세아교세포와 신경세포체 간의 상호작용은 어떻게 정량화되었나요?


바이오스펙티브는 동물 모델에서 미세아교세포와 신경세포 간의 상호작용을 관찰했습니까?


참고문헌


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