From corpora amylacea to wasteosomes

Abstract

Corpora amylacea (CA) in the human brain are polyglucosan aggregates that were first described by J.E. Purkinje in 1837. They are intracellular astrocytic bodies that accumulate mainly in perivascular, periventricular and subpial regions of the aging brain, but are also present in large numbers in specific areas of the brain in neurodegenerative conditions. Different studies suggest that the function of CA seems to be directed towards trapping products derived from aging or degenerative processes. While essentially constituted of polymerized hexoses, primarily glucose, a wide range of components have been described in CA, some of them derived from neurons, astrocytes, oligodendrocytes or blood, or even related to viral, fungal or microbial infections. Their location in the perivascular, periventricular and subpial regions of the brain, all of them connected or close to cavities filled with cerebrospinal fluid (CSF), suggests that CA can be extruded from these regions into the CSF. Furthermore, CA contain neo-epitopes (NE) of an unknown nature that are recognized by natural antibodies of IgM type. This IgM-NE interaction indicates that if CA were released from the central nervous system (CNS), they could interact with the natural immune system, which could intervene in their elimination. This body of evidence allowed us to consider that CA not only entrap residual products, but also act as waste containers involved in a cleaning mechanism that removes residual substances from the CNS. Accordingly, this thesis aimed to verify this hypothesis. Our studies revealed the presence of CA in the CSF and in the cervical lymph nodes, into which CSF drains through the meningeal lymphatic system. In the cervical lymph nodes, we observed CA making contact with certain cells that, according to their location, shape, and staining properties may be macrophages. Subsequent in vitro studies showed that CA are phagocytosed and degraded by macrophages. We also observed that there may be redundant mechanisms involved in triggering the phagocytosis process, which would ensure the elimination of CA. Moreover, these mechanisms are related to non-inflammatory responses, which allow the elimination of CA without tissue damage. On the other hand, we pointed out that the NE present in CA, which may act as “eat-me” signals that would enhance the phagocytosis of CA, have a carbohydrate nature. Taken together, these findings support the above-mentioned hypothesis, indicating that CA can act as containers that remove waste products from the brain and are involved in a mechanism that cleans the CNS. According to these results, the present thesis was later extended to find out the function of the CA from other organs and tissues. In this regard, we aimed to establish a global and integrative hypothesis about the function and significance of CA in the whole organism. The results allowed us to suggest that CA in the different organs are created by specific cells, which collect waste products and amass them within a glycan structure, and secrete them into the external medium or interstitial spaces being, in this second case, phagocytosed by macrophages. Overall, we suggested considering CA from the different tissues of the human body as waste containers. Lastly, to avoid the ambiguity of the terms amyloid or amylacea (that indicate starch-like structures but can also refer to insoluble fibrillary proteins), we proposed renaming CA as “wasteosomes”, emphasizing the waste products they entrap rather than their misleading amyloid properties.

Els corpora amylacea (CA) del cervell humà són uns agregats de poliglucosà que van ser descrits per primera vegada per J.E. Purkinje el 1837. Són cossos astrocítics intracel·lulars que s'acumulen principalment a les regions perivasculars, periventriculars i subpials del cervell durant l’envelliment, però també es troben en grans quantitats en àrees específiques del cervell en condicions neurodegeneratives. Diferents estudis postulen que la funció dels CA consisteix en atrapar productes residuals derivats de l'envelliment o processos degeneratius. Tot i que els CA estan essencialment constituïts per hexoses polimeritzades, principalment glucosa, s'han descrit una gran diversitat de components en els CA, com ara productes derivats de neurones, astròcits, oligodendrocits o de la sang, o fins i tot relacionats amb infeccions virals, fúngiques o microbianes. La seva localització a les regions perivasculars, periventriculars i subpials del cervell, totes elles connectades o properes a cavitats plenes de líquid cefalorraquidi (LCR), suggereix que els CA podrien ser extruïts des d'aquestes regions cap al LCR. A més, els CA contenen uns neo-epítops (NE) de naturalesa desconeguda que són reconeguts per anticossos naturals de tipus IgM. Aquesta interacció IgM-NE indica que si els CA fossin alliberats del sistema nerviós central (SNC), podrien interaccionar amb el sistema immunitari natural, el qual podria intervenir en la seva eliminació. Aquest conjunt d'evidències va permetre considerar que els CA no només recullen productes residuals, sinó que també actuen com a contenidors de substàncies de rebuig i estan involucrats en un mecanisme de neteja del SNC. D’acord amb això, la present tesi va tenir com a objectiu verificar aquesta hipòtesi. Els estudis realitzats van revelar la presència de CA al LCR i als ganglis limfàtics cervicals, als quals el LCR drena mitjançant el sistema limfàtic meningi. Als ganglis cervicals, es van observar CA en contacte amb algunes cèl·lules que, segons la seva localització, forma i propietats de tinció, podrien ser macròfags. Posteriorment, estudis in vitro van revelar que els CA són fagocitats i degradats pels macròfags. També es va observar que hi hauria mecanismes redundants involucrats en el desencadenament de la fagocitosi, cosa que asseguraria l'eliminació dels CA. A més, aquests mecanismes estan relacionats amb respostes no inflamatòries, que permeten eliminar la CA sense causar dany tissular. D'altra banda, es va determinar que els NE presents a CA, que poden actuar com a senyals eat-me que potenciarien la fagocitosi de CA, tenen naturalesa de glucídica. En conjunt, aquests resultats donen suport a la hipòtesi esmentada anteriorment, que indica que els CA poden actuar com a contenidors que eliminen productes de rebuig del cervell i estan involucrats en un mecanisme de neteja del SNC. D'acord amb aquests resultats, la tesi es va ser ampliada per estudiar també la funció dels CA presents a altres òrgans i teixits. En aquest aspecte, l’objectiu va ser establir una hipòtesi global i integradora sobre la funció i la significança dels CA de tot l'organisme. Els resultats van permetre suggerir que els CA dels diferents òrgans són generats per cèl·lules específiques, les quals recol·lecten productes de rebuig i els acumulen dins d'una estructura glucídica, i els secreten al medi extern o a espais intersticials sent, en aquest segon cas, fagocitats per macròfags. En general, es proposa que els CA del cos humà actuen com a contenidors de productes de rebuig. Finalment, per evitar l'ambigüitat dels termes amiloide o amylacea (que indiquen estructures similars al midó però també poden referir-se a proteïnes fibril·lars insolubles), es proposa canviar el nom dels CA a "wasteosomes", emfatitzant la captació de productes de rebuig en lloc dels seus confuses propietats amiloides.