Макрофаги притворяются нейронами, чтобы управлять мышечным рефлексом

Рефлекс растяжения, который вызывает сокращение мышцы в ответ на ее растяжение — это самая быстрая двигательная реакция нервной системы на механические раздражители. Она опосредована мышечным веретеном — рецептором, который располагается параллельно мышечным волокнам. Авторы статьи в Nature, задавшиеся целью подробно описать механизмы работы мышечного веретена, пришли к неожиданному выводу. Они обнаружили, что взаимодействием скелетных мышц и нейронов все не ограничивается. «Это исследование впервые показывает, что макрофаги в мышечных веретенах активно участвуют в управлении моторикой через быстрые нейротрансмиттерные механизмы, которые обычно ассоциируются только с нейронами, что опровергает классический взгляд на макрофаги как на чисто иммунные клетки», — объясняет доцент Кармело Беллардита, нейробиолог из Копенгагенского университета.

Молекулярные сигнатуры, ассоциированные с мышечными веретенами, выявляли с помощью секвенирования РНК. По сравнению с экстрафузальными мышечными волокнами (т.е. находящимися вне веретена), в волокнах веретен экспрессировалось больше генов аксонального направления, синаптической передачи сигнала, транспорта ионов и клеточной адгезии. Все эти категории соответствуют функциям нейронов. Однако ученые также обнаружили сигнатуры, связанные с иммунитетом, что говорит о присутствии иммунных клеток в микроокружении мышечного веретена.

После этого авторы провели иммунофлуоресцентное окрашивание на различные типы клеток иммунной системы: дендритные, NK-клетки, B- и T-лимфоциты, нейтрофилы и макрофаги. Это выявило присутствие в мышечных веретенах макрофагов, экспрессирующих Iba1 и F4/80.

Хемокиновый рецептор CX3XR1 связан с миграцией макрофагов и обменом сигналами с окружающими клетками. На трансгенных мышах, CX3XR1 которых помечен зеленым флуоресцентным белком, авторы показали, что все CX3XR1⁺-макрофаги экспрессируют F4/80 и локализуются внутри соединительнотканной капсулы, окружающей мышечное веретено.

Транскриптомный анализ макрофагов, выделенных из мышечного веретена, показал, что они отличаются от других популяций тканерезидентных макрофагов и обладают уникальной молекулярной сигнатурой. Они экспрессировали белки, необходимые для синтеза и транспорта глутамата — основного возбуждающего нейромедиатора. Исследователи предположили, что макрофаги мышечного веретена используют глутамат для регуляции активности нейронов и мышц.

Оптогенетическая стимуляция модифицированных макрофагов активировала мышечные сокращения в течение миллисекунд. При этом регуляция осуществлялась напрямую — ученые убедились в этом, ингибировав активность макрофагов мышечного веретена с помощью оптогенетики. Это снизило амплитуду рефлекторного движения мышцы.

При этом контроль активности мышц и нейронов осуществлялся именно с помощью глутамата. Иммуноокрашивание показало, что в афферентах мышечных веретен экспрессируются NMDA и AMPA рецепторы — разновидности рецепторов глутамата. Локальное введение блокаторов этих рецепторов отключало сенсорные и моторные реакции, вызванные оптогенетической стимуляцией макрофагов.

Исследователи также задались вопросом, есть ли в этой системе обратная связь: влияет ли активность нейронов на поведение макрофагов мышечного веретена? Они стимулировали сенсорные нейроны мышей, чтобы вызвать мышечные сокращения, а также заставляли животных плавать. И в том, и в другом случае макрофаги реагировали на такую стимуляцию — они поглощали глутамин, который активировал их и предположительно преобразовывался в глутамат.

Подавление активности макрофагов мышечного веретена у мышей нарушало координацию движений животных. Это продемонстрировали с помощью генетического «выключения» функций макрофагов — в них экспрессировали компонент тетанотоксина, который блокировал выброс везикул с глутаматом. При ингибировании макрофагов в икроножной мышце у мышей менялись движения задней конечности во время плавания — они сильнее разгибали суставы и тем самым больше растягивали мышцу.

Таким образом, особая популяция макрофагов мышечного веретена, выявленная в данной работе, контролирует его работу с помощью глутамата и обеспечивает быструю обратную связь, которая необходима для координации движений.

Макрофаги берут на себя роль клеток сосудов при восстановлении после ишемии