Az asztrocitáknak közvetlen szerepük van a légzés pH-függő szabályozásában

Egyetlen asztrocita számos idegsejt sejttestével és szinapszisok ezreivel érintkezik, és befolyásolja a szinaptikus átvitelt és az információfeldolgozást. Azt azonban csak mostanában kezdik vizsgálni, hogy az asztrocitáknak fontos, közvetlen szerepük lehet komplex viselkedések szabályozásában is.

Az asztrociták az erekkel és az idegsejtekkel való szoros kapcsolatuk révén alkalmasak lehetnek arra, hogy gyorsan és hatékonyan közvetítsék a vér jellemzőinek változásait a neuronális hálózatok felé. Ennek fontos funkcionális jelentősége lehet például akkor, amikor megváltozik a vér glükózszintje, pH-ja vagy a szén-dioxid parciális nyomása (P_CO2), amit az agy megfelelő kemoszenzitív területei érzékelnek.

Ebben a tanulmányban Gourine és munkatársai azt vizsgálták, hogy az agytörzs légzési kemoreceptor területén levő asztrociták vajon pH-szenzorként működnek-e.

Az asztrociták elektromosan nem ingerelhetők, azonban Ca²⁺-ingerlékenység jellemzi őket, azaz inger hatására emelkedik a sejttestben a Ca²⁺-szint ([Ca²⁺]). A Ca²⁺-szint változásai fluoreszcens mikroszkóppal mutathatók ki, ha – egy adenovírus vektor segítségével – egy genetikusan kódolt Ca²⁺-indikátor, a Case12 expresszálódását váltják ki az asztrocitákban.

Altatott, mesterségesen lélegeztetett patkányokban a nyúltvelő ventrális felszínének 0,2-es pH-csökkenése tartós intracelluláris [Ca²⁺] emelkedést váltott ki laterálisan, a kemoszenzitív retrotrapezoid magban (retrotrapezoid nucleus, RTN) (1. ábra). Utóbb a szövettan kimutatta, hogy az ezen a területen levő asztrociták szoros kapcsolatban állnak a lágy agyhártyán áthatoló arteriolákkal (2. ábra balra).

Az intracelluláris [Ca²⁺] pH-csökkenés hatására bekövetkező emelkedését ezekben a sejtekben többféle in vitro módszerrel is kimutatták: agyszelet-preparátumokon és disszociált sejttenyészetben (3. ábra lent).

Természetesen adódott a kérdés, hogy az asztrociták [Ca²⁺] emelkedése nem másodlagos folyamat-e, nem a helyi idegsejtek aktivációja váltja-e ki. Ennek ellenőrzésére kétféleképpen is blokkolták a lokális idegsejtek aktivitását: a feszültségfüggő nátriumcsatornákat inaktiváló tetrodotoxinnal és muscimollal, egy hatékony GABA-A receptor agonistával. Mindkét szer hatására teljesen megszűnt az RTN idegsejtek aktivitása (ez az egyetlen, pH-ra érzékeny idegsejttípus a nyúltvelő ventrális részén), de az asztrociták pH-indukálta [Ca²⁺] emelkedése változatlan maradt, azaz nem függött az idegsejttevékenységtől.

A pH-érzékenység csak a nyúltvelő ventrális felszínén levő asztrociták sajátsága – más agyterületeken (agykéreg, dorzális agytörzs) az asztrociták nem reagáltak a pH megváltozására.

 A pH-változásra adott asztrocita-válasz sejtről sejtre terjed, és mint a szerzők több módon is igazolták, a terjedés feltétele az asztrocitákból felszabaduló ATP. ATP hiányában vagy az ATP hatásának blokkolásakor az asztrociták pH-változásra adott [Ca²⁺] emelkedése csak nagyon kisfokú lesz.

A szerzők annak érdekében, hogy utánozzák az asztrociták pH-indukálta [Ca²⁺] növekedését, adenovírus vektor segítségével a sejtekbe juttatták a fényérzékeny csatornarodopszin-2 egyik mutánsát, amely fluoreszkáló fehérjéhez kapcsolódott. A szövettenyészetekben és az agyszeletekben az így kezelt asztrocitákban 470 nm-es fény hatására erőteljesen emelkedett a [Ca²⁺]. Ezt a jelenséget optogén aktivációnak nevezik. Az optogén aktiváció hatására emellett jelentős mennyiségű ATP szabadult fel, és depolarizálódtak az RTN neuronok.

Az ilyen módon manipulált sejteket használták fel altatott, mesterségesen lélegeztetett, vagotomizált patkányban annak megállapítására, hogy milyen funkcionális jelentősége van az asztrociták [Ca²⁺] emelkedésének. Hozzáférhetővé tették a nyúltvelő ventrális részét, és a központi légzési drive meghatározása céljából mérték a nervus phrenicus aktivitását.

Akár hipokapniás apnoét hoztak létre az állatokban, akár normálisan lélegeztek, ha a megfelelő hullámhosszúságú fénnyel megvilágították az egyik oldali RTN-nek megfelelő – a manipulált asztrocitákat tartalmazó – területet, valamennyi állatban igen erőteljes légzési aktivitás alakult ki.

Eddig az volt az általános felfogás, hogy a légzéssel kapcsolatos kemorecepció specializált, a nyúltvelőben és hídban elhelyezkedő neuronhálózat(ok) funkciója. A fenti eredmények nem érvénytelenítik ezt, de azt igazolják, hogy ezt a funkciót az asztrociták is tökéletesen be tudják tölteni. Anatómiai elhelyezkedésük ideális: szoros kapcsolatuk az erekkel és az idegsejtekkel lehetővé teszi, hogy igen gyorsan érzékeljék az artériás vér jellemzőit és ezeket az adatokat integrálják az agyszövet pH-jával és a szöveti széndioxid parciális nyomásával. A kemoszenzoros információt a megfelelő idegsejtekhez továbbítják, amelyek aktivitása meghatározza a légzés intenzitását, mintázatát. Vagyis, az asztrogliák aktív, döntő szerepet töltenek be az egyik legfontosabb homeosztatikus reflexben.