Mikroglia

Ruhezustand

Im Ruhezustand kann man an der Zelloberfläche die zahlreichen, kurzen und ungleichmäßig geformten Fortsätze erkennen, die sich in verschiedene Richtungen verzweigen. Die Fortsätze sind dynamisch, d.h. sie verändern ständig ihre Länge und Form. Dadurch ist es der Mikrogliazelle möglich, ihre Umgebung zu überwachen.

Aktivierter Zustand

Im aktivierten Zustand nimmt die Anzahl ihrer Fortsätze ab und sie verkürzen sich, da die Mikrogliazelle nun die Produktion von Vesikeln und Proteinen einleitet. Gleichzeitig wächst ihr Zellkörper, bis die Mikroglia schließlich eine amöboide Form mit kaum sichtbaren Fortsätzen annimmt, die morphologisch dem Makrophagen ähnelt. Die gefaltete Membran der Mikrogliazelle ist charakteristisch für den aktivierten Zustand und wird oft mit phagozytärer Aktivität in Verbindung gebracht. Unter dem Elektronenmikroskop sind im Zytoplasma ein vergrößerter Golgi-Apparat sowie zahlreiche Lysosome und Phagosome zu sehen.

Phagozytose

In diesem Zustand nimmt die Mikrogliazelle nochmal an Größe zu und reichert Fetttröpfchen (lipid granula) an, was ihr ihr charakteristisches Aussehen verleiht. Dieses Erscheinungsbild findet sich typischerweise in Regionen des ZNS, die von einer Infektion, Entzündung oder einem Trauma betroffen sind.

Erkennen und Beseitigen von Mikroorganismen, Toxinen und anderen Antigenen

Da Bindegewebe im zentralen Nervensystem sehr begrenzt zu finden ist (Plexus choroideus, größere Gefäße), kann bei einer Verletzung oder Infektion keine typische Entzündungsreaktion erfolgen.

Im ZNS übernehmen die Mikrogliazellen diese Aufgabe und sorgen für eine entsprechende Immunantwort. Über Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) reagieren sie auf Antigene und toxische Substanzen und gehen in einen aktivierten, phagozytierenden Zustand über. Gleichzeitig produzieren sie Zytokine und zytotoxische Faktoren wie beispielsweise TNF und NADPH-Oxidase. 

Beseitigung von Stoffwechselendprodukten und beschädigten Zellen

Mithilfe von PRRs identifizieren Mikrogliazellen auch nutzlose Moleküle und zelluläre Komponenten innerhalb des Neuropils und entfernen sie hauptsächlich durch Pinozytose, einer Form der Endozytose. Diese Funktion ist für die Aufrechterhaltung des molekularen Gleichgewichts im Nervengewebe von entscheidender Bedeutung, da die neuronale Aktivität sehr empfindlich auf Veränderungen in der Zusammensetzung des extrazellulären Raums reagiert.

Auslösen der Immunreaktion

Mikrogliazellen haben nicht nur phago- und pinozytierende Eigenschaften, sondern sind auch als Antigen-präsentierende Zellen tätig. Diese Eigenschaft ist für die Verteidigung des ZNS von entscheidender Bedeutung, da es im gesundem Zustand keine andere Art von Antigen-präsentierenden Zellen gibt, die eine intakte Blut-Hirn-Schranke überwinden können.

Nachdem die Mikrogliazelle sich mit dem Antigen verbunden und es phagozytiert hat, präsentiert sie es auf ihrer Oberfläche und setzt dabei Zytokine, wie beispielsweise Interleukine frei. Diese Zytokine unterstützen die Kommunikation mit Lymphozyten, die außerhalb der Blut-Hirn-Schranke aktiviert werden. In der Folge können die Lymphozyten die Blut-Hirn-Schranke überwinden und in das Nervengewebe eindringen, um eine Immunreaktion auszulösen.

Beseitigung zerstörter oder defekter Neurone

Bei Apoptose, Nekrose oder extremem Stress wandern Signale der Zielzellen in Form von Phosphatidylserin oder Calreticulin an die zerstörte neuronale Membran und werden als Zelloberflächenproteine erkannt. Dadurch werden spezielle Rezeptoren der Mikrogliazellen stimuliert, was zum Einschluss und zur Beseitigung des Neurons führt. Eine solche Reaktion kann auch durch sehr empfindliche Kaliumkanäle ausgelöst werden, die kleinste Veränderungen des extrazellulären Kaliums wahrnehmen können (im Falle von Zellnekrose wird intrazelluläres Kalium in den extrazellulären Raum abgegeben). Dieser Prozess ist zum Beispiel bei neurodegenerativen Erkrankungen weit verbreitet und wird als Neuronophagie bezeichnet.

Unterstützung der Entwicklung und Regeneration von Nervengewebe

Im sich entwickelnden Gehirn phagozytieren Mikrogliazellen neurale und gliale Vorläuferzellen, Neurone und Oligodendrozyten und tragen so zur Bildung von Schaltkreisen, zur Myelinisierung der Axone und Differenzierung bei. Mikrogliazellen treten auch mit neuronalen Somata in Kontakt, modulieren deren Aktivität und pflegen die Neuronen. Sie spielen eine Rolle bei der Beseitigung toxischer Abfälle, der Freisetzung entzündungshemmender Faktoren und der Beseitigung ineffektiver Synapsen, wodurch neuronale Schaltkreise geformt werden. Diese Eigenschaften tragen auch im ZNS von Erwachsenen zur neuronalen Plastizität, Gewebeerneuerung und -reparatur bei.

Antwort auf Gewebeschäden

Aufgrund des fehlenden Bindegewebes unterscheidet sich die beobachtete Reaktion bei ausgedehnten Schäden im ZNS von der typischen Narbengewebebildung. Stattdessen setzen Astrozyten im geschädigten Bereich Signalmoleküle frei, die Mikrogliazellen aktivieren und anziehen. Die Mikrogliazellen vermehren sich und bewegen sich innerhalb des ZNS in den geschädigten Bereich. Nach einigen Stunden ist das geschädigte Gewebe voll mit aktivierten Mikrogliazellen, die sich weiter vermehren, Knötchen bilden, Zytokine freisetzen und die Phagozytose, sowie die Sekretion zytotoxischer Faktoren einleiten.