Нейральные стволовые клетки ( НСК ) — это самообновляющиеся, мультипотентные клетки, которые сначала генерируют радиальные глиальные клетки-предшественники , которые генерируют нейроны и глию нервной системы всех животных во время эмбрионального развития . [1] Некоторые нейральные стволовые клетки-предшественники сохраняются в крайне ограниченных областях в мозге взрослого позвоночного и продолжают производить нейроны на протяжении всей жизни. Различия в размере центральной нервной системы являются одними из самых важных различий между видами, и поэтому мутации в генах, которые регулируют размер отсека нейральных стволовых клеток, являются одними из самых важных движущих сил эволюции позвоночных. [2]
Стволовые клетки характеризуются способностью дифференцироваться в несколько типов клеток. [3] Они подвергаются симметричному или асимметричному делению на две дочерние клетки. При симметричном делении клеток обе дочерние клетки также являются стволовыми клетками. При асимметричном делении стволовая клетка производит одну стволовую клетку и одну специализированную клетку. [4] НСК в первую очередь дифференцируются в нейроны , астроциты и олигодендроциты .
В мозге взрослых млекопитающих, как сообщается, субгранулярная зона в зубчатой извилине гиппокампа, субвентрикулярная зона вокруг боковых желудочков и гипоталамус (точнее, в дорсальной области α1, α2 и гипоталамической пролиферативной области, расположенной в соседнем срединном возвышении) содержат нейральные стволовые клетки. [5]
Существует два основных типа стволовых клеток: взрослые стволовые клетки , которые ограничены в своей способности дифференцироваться , и эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые являются плюрипотентными и обладают способностью дифференцироваться в любой тип клеток. [3]
Нейральные стволовые клетки более специализированы, чем эмбриональные стволовые клетки, поскольку они генерируют только радиальные глиальные клетки , которые дают начало нейронам и глии центральной нервной системы (ЦНС). [4] Во время эмбрионального развития позвоночных НСК переходят в радиальные глиальные клетки (РГК), также известные как радиальные глиальные клетки-предшественники (РГП), и находятся в транзитной зоне, называемой желудочковой зоной (ВЗ). [1] [6] Нейроны генерируются в больших количествах (РГП) в течение определенного периода эмбрионального развития посредством процесса нейрогенеза и продолжают генерироваться во взрослой жизни в ограниченных областях взрослого мозга. [7] Взрослые НСК дифференцируются в новые нейроны в пределах взрослой субвентрикулярной зоны (СВЗ), остатка эмбрионального зародышевого нейроэпителия , а также зубчатой извилины гиппокампа . [7]
Взрослые НСК были впервые выделены из полосатого тела мыши в начале 1990-х годов. Они способны образовывать мультипотентные нейросферы при культивировании in vitro . Нейросферы могут производить самообновляющиеся и пролиферирующие специализированные клетки. Эти нейросферы могут дифференцироваться, образуя определенные нейроны, глиальные клетки и олигодендроциты. [7] В предыдущих исследованиях культивированные нейросферы были трансплантированы в мозг иммунодефицитных новорожденных мышей и показали приживление, пролиферацию и нейронную дифференциацию. [7]
NSC стимулируются к началу дифференциации посредством экзогенных сигналов из микроокружения или ниши стволовых клеток. Некоторые нервные клетки мигрируют из SVZ вдоль рострального миграционного потока , который содержит костномозговую структуру с эпендимальными клетками и астроцитами при стимуляции. Эпендимальные клетки и астроциты образуют глиальные трубки, используемые мигрирующими нейробластами . Астроциты в трубках обеспечивают поддержку мигрирующим клеткам, а также изоляцию от электрических и химических сигналов, выделяемых окружающими клетками. Астроциты являются основными предшественниками быстрой амплификации клеток. Нейробласты образуют плотные цепи и мигрируют к указанному месту повреждения клеток для восстановления или замены нервных клеток. Одним из примеров является нейробласт, мигрирующий к обонятельной луковице , чтобы дифференцироваться в перигломеркулярные или гранулярные нейроны, которые имеют радиальный паттерн миграции, а не тангенциальный. [8]
Пролиферация нейральных стволовых клеток снижается в результате старения . [9] Были предприняты различные подходы для противодействия этому возрастному снижению. [10] Поскольку белки FOX регулируют гомеостаз нейральных стволовых клеток , [11] белки FOX использовались для защиты нейральных стволовых клеток путем ингибирования сигнализации Wnt . [12]
Эпидермальный фактор роста (EGF) и фактор роста фибробластов (FGF) являются митогенами , которые стимулируют рост нейральных предшественников и стволовых клеток in vitro , хотя для оптимального роста также требуются другие факторы, синтезируемые популяциями нейральных предшественников и стволовых клеток. [13] Предполагается, что нейрогенез во взрослом мозге происходит из НСК. Происхождение и идентичность НСК во взрослом мозге еще предстоит определить.
Наиболее широко принятая модель взрослого НСК — это радиальная, глиальная фибриллярная кислая протеин -положительная клетка. Покоящиеся стволовые клетки — это тип B, которые способны оставаться в состоянии покоя благодаря возобновляемой ткани, обеспечиваемой специфическими нишами, состоящими из кровеносных сосудов, астроцитов, микроглии , эпендимальных клеток и внеклеточного матрикса, присутствующих в мозге. Эти ниши обеспечивают питание, структурную поддержку и защиту стволовых клеток до тех пор, пока они не будут активированы внешними стимулами. После активации клетки типа B развиваются в клетки типа C, активно пролиферирующие промежуточные клетки, которые затем делятся на нейробласты, состоящие из клеток типа A. Недифференцированные нейробласты образуют цепи, которые мигрируют и развиваются в зрелые нейроны. В обонятельной луковице они созревают в ГАМКергические гранулярные нейроны, тогда как в гиппокампе они созревают в зубчатые гранулярные клетки. [14]
Эпигенетические модификации являются важными регуляторами экспрессии генов в дифференцирующихся нейральных стволовых клетках . Ключевые эпигенетические модификации включают метилирование цитозина ДНК с образованием 5-метилцитозина и деметилирование 5-метилцитозина . [15] [16] Эти типы модификаций имеют решающее значение для определения судьбы клеток в развивающемся и взрослом мозге млекопитающих.
Метилирование цитозина ДНК катализируется ДНК-метилтрансферазами (DNMT) . Деметилирование метилцитозина катализируется в несколько отдельных этапов ферментами TET , которые осуществляют окислительные реакции (например, 5-метилцитозин в 5-гидроксиметилцитозин ), и ферментами пути репарации оснований ДНК (BER). [15]
NSC играют важную роль в развитии, производя огромное разнообразие нейронов, астроцитов и олигодендроцитов в развивающейся ЦНС. Они также играют важную роль у взрослых животных, например, в обучении и пластичности гиппокампа у взрослых мышей в дополнение к поставке нейронов в обонятельную луковицу у мышей. [7]
В частности, роль НСК во время болезней сейчас изучается несколькими исследовательскими группами по всему миру. Реакции во время инсульта , рассеянного склероза и болезни Паркинсона у животных и людей являются частью текущего исследования. Результаты этого продолжающегося исследования могут иметь будущее применение для лечения неврологических заболеваний человека. [7]
Было показано, что нейральные стволовые клетки участвуют в миграции и замене умирающих нейронов в классических экспериментах, проведенных Санджаем Магави и Джеффри Маклисом . [17] Используя лазерно-индуцированное повреждение кортикальных слоев, Магави показал, что нейронные предшественники SVZ, экспрессирующие Doublecortin , критическую молекулу для миграции нейробластов, мигрировали на большие расстояния к области повреждения и дифференцировались в зрелые нейроны, экспрессирующие маркер NeuN . Кроме того, группа Масато Накафуку из Японии впервые показала роль стволовых клеток гиппокампа во время инсульта у мышей. [18] Эти результаты продемонстрировали, что НСК могут участвовать во взрослом мозге в результате травмы. Кроме того, в 2004 году группа Эвана Й. Снайдера показала, что НСК мигрируют в опухоли мозга направленным образом. Хайме Имитола , доктор медицины, и его коллеги из Гарварда впервые продемонстрировали молекулярный механизм реакции НСК на травму. Они показали, что хемокины, высвобождаемые во время травмы, такие как SDF-1a, были ответственны за направленную миграцию человеческих и мышиных НСК в области травмы у мышей. [19] С тех пор было обнаружено, что другие молекулы участвуют в ответах НСК на травму. Все эти результаты были широко воспроизведены и расширены другими исследователями, присоединившимися к классической работе Ричарда Л. Сидмана по авторадиографии для визуализации нейрогенеза во время развития, и нейрогенеза у взрослых Джозефа Альтмана в 1960-х годах, как доказательство ответов активности взрослых НСК и нейрогенеза во время гомеостаза и травмы.
Поиск дополнительных механизмов, которые действуют в условиях травмы, и того, как они влияют на реакции нервных стволовых клеток во время острых и хронических заболеваний, является предметом интенсивных исследований. [20]
Смерть клеток характерна для острых расстройств ЦНС, а также нейродегенеративных заболеваний. Потеря клеток усиливается из-за отсутствия регенеративных способностей для замены и восстановления клеток в ЦНС. Одним из способов обойти это является использование заместительной терапии с помощью регенеративных НСК. НСК можно культивировать in vitro как нейросферы. Эти нейросферы состоят из нейральных стволовых клеток и предшественников (НСПК) с факторами роста, такими как EGF и FGF. Изъятие этих факторов роста активирует дифференциацию в нейроны, астроциты или олигодендроциты, которые можно трансплантировать в мозг в месте повреждения. Преимущества этого терапевтического подхода были изучены при болезни Паркинсона , болезни Хантингтона и рассеянном склерозе . НСПК вызывают восстановление нейронов посредством внутренних свойств нейропротекции и иммуномодуляции . Некоторые возможные пути трансплантации включают внутримозговую трансплантацию и ксенотрансплантацию . [21] [22]
Для нейродегенеративных заболеваний другой трансплантационной терапией, возникающей в ходе исследований, является направленная индукция нейральных стволовых клеток. [23] Прямая трансплантация NCS ограничена и сталкивается с трудностями из-за низкой выживаемости и нерациональной дифференциации. Чтобы преодолеть ограничения, прямая индукция NCS направлена на манипулирование дифференциацией NCS до трансплантации. В настоящее время NSC получают из первичных тканей ЦНС, дифференциации плюрипотентных стволовых клеток (PSC) и трансдифференциации из соматических клеток. Индуцированные NCS могут быть перепрограммированы из соматических клеток. Следовательно, направленная индукция берет NSC из разных источников и заставляет их дифференцироваться в желаемые нейронные клетки линии. Примером терапевтического использования этой техники является целевая дифференциация вентральных дофаминергических (DAergenic) нейронов среднего мозга в различные модели PD. [23] Современные методы лечения нейродегенеративного заболевания болезни Паркинсона (PD) включают заместительную терапию дофамином (DRT). Это помогает облегчить симптомы болезни Паркинсона, но по мере прогрессирования заболевания механизмы облегчения страдают нелинейным образом. [24]
Альтернативным терапевтическим подходом к трансплантации NSPC является фармакологическая активация эндогенных NSPC (eNSPC). Активированные eNSPC продуцируют нейротрофические факторы, несколько методов лечения, которые активируют путь, включающий фосфорилирование STAT3 на остатке серина и последующее повышение экспрессии Hes3 ( сигнальная ось STAT3-Ser/Hes3 ), противодействуют гибели нейронов и прогрессированию заболевания в моделях неврологических расстройств. [25] [26]
Нейронные клетки-предшественники, полученные из среднего мозга человека (hmNPC), обладают способностью дифференцироваться по нескольким линиям нейронных клеток, которые приводят к нейросферам, а также к нескольким нейронным фенотипам. hmNPC можно использовать для разработки трехмерной in vitro модели человеческой ЦНС. Существует два способа культивирования hmNPC: адгезивный монослой и системы культивирования нейросфер. Система культивирования нейросфер ранее использовалась для выделения и расширения стволовых клеток ЦНС благодаря ее способности агрегировать и пролиферировать hmNPC в условиях бессывороточной среды, а также в присутствии эпидермального фактора роста (EGF) и фактора роста фибробластов-2 (FGF2). Первоначально hmNPC были выделены и расширены перед выполнением двухмерной дифференциации, которая использовалась для получения суспензии из отдельных клеток . Эта суспензия из отдельных клеток помогла достичь однородной трехмерной структуры однородного размера агрегата. Трехмерная агрегация образовала нейросферы, которые использовались для создания трехмерной модели ЦНС in vitro . [27]
Травматическое повреждение головного мозга (ЧМТ) может деформировать мозговую ткань, что приводит к некрозу первичного повреждения, которое затем может каскадно и активировать вторичное повреждение, такое как эксайтотоксичность , воспаление , ишемия и разрушение гематоэнцефалического барьера . Повреждение может усиливаться и в конечном итоге приводить к апоптозу или гибели клеток. Текущие методы лечения направлены на предотвращение дальнейшего повреждения путем стабилизации кровотечения, снижения внутричерепного давления и воспаления, а также ингибирования проапоптотических каскадов. Для восстановления повреждения ЧМТ предстоящий терапевтический вариант включает использование НСК, полученных из эмбриональной перивентрикулярной области . Стволовые клетки можно культивировать в благоприятной трехмерной среде с низкой цитотоксичностью , гидрогеле , который увеличит выживаемость НСК при инъекции пациентам с ЧМТ. Было замечено, что интрацеребрально введенные, подготовленные НСК мигрируют в поврежденную ткань и дифференцируются в олигодендроциты или нейрональные клетки, которые секретируют нейропротекторные факторы. [28] [29]
Галектин-1 экспрессируется во взрослых НСК и, как было показано, играет физиологическую роль в лечении неврологических расстройств в животных моделях. Существует два подхода к использованию НСК в качестве терапевтического лечения: (1) стимулировать внутренние НСК для стимуляции пролиферации с целью замены поврежденной ткани и (2) трансплантировать НСК в поврежденную область мозга, чтобы позволить НСК восстановить ткань. Лентивирусные векторы использовались для инфицирования человеческих НСК (hNSC) галектином-1, которые затем трансплантировались в поврежденную ткань. hGal-1-hNSC вызывали лучшее и более быстрое восстановление мозга поврежденной ткани, а также снижение двигательных и сенсорных дефицитов по сравнению с трансплантацией только hNSC. [8]
Нейральные стволовые клетки обычно изучаются in vitro с использованием метода, называемого анализом нейросфер (или системой культивирования нейросфер), впервые разработанного Рейнольдсом и Вайсом. [30] Нейросферы представляют собой по своей сути гетерогенные клеточные образования, почти полностью образованные небольшой фракцией (от 1 до 5%) медленно делящихся нейральных стволовых клеток и их потомством, популяцией быстро делящихся нестин -положительных клеток-предшественников. [30] [31] [32] Общее количество этих клеток-предшественников определяет размер нейросферы, и, как следствие, различия в размере сфер в различных популяциях нейросфер могут отражать изменения в статусе пролиферации, выживания и/или дифференциации их нейральных предшественников. Действительно, сообщалось, что потеря β1- интегрина в культуре нейросфер не оказывает существенного влияния на способность стволовых клеток с дефицитом β1-интегрина формировать новые нейросферы, но влияет на размер нейросферы: нейросферы с дефицитом β1-интегрина были в целом меньше из-за повышенной гибели клеток и снижения пролиферации. [33]
В то время как анализ нейросфер был методом выбора для изоляции, расширения и даже подсчета нейральных стволовых и прогениторных клеток, несколько недавних публикаций подчеркнули некоторые ограничения системы культивирования нейросфер как метода определения частот нейральных стволовых клеток. [34] В сотрудничестве с Reynolds, STEMCELL Technologies разработала анализ на основе коллагена , называемый анализом нейральных колониеобразующих клеток (NCFC), для количественной оценки нейральных стволовых клеток. Важно, что этот анализ позволяет различать нейральные стволовые и прогениторные клетки. [35]
Первые доказательства того, что нейрогенез происходит в определенных областях мозга взрослых млекопитающих, были получены в исследованиях с маркировкой [3H]-тимидином, проведенных Альтманом и Дасом в 1965 году, которые показали постнатальный нейрогенез гиппокампа у молодых крыс. [36] В 1989 году Салли Темпл описала мультипотентные, самообновляющиеся прогениторные и стволовые клетки в субвентрикулярной зоне (SVZ) мозга мыши. [37] В 1992 году Брент А. Рейнольдс и Сэмюэль Вайс были первыми, кто выделил нейральные прогениторные и стволовые клетки из взрослой стриарной ткани , включая SVZ — одну из нейрогенных областей — ткани мозга взрослых мышей. [30] В том же году группа Констанс Сепко и Эвана Й. Снайдера была первой, кто выделил мультипотентные клетки из мозжечка мыши и стабильно трансфицировал их онкогеном v -myc . [38] Эта молекула является одним из генов, широко используемых в настоящее время для перепрограммирования взрослых нестволовых клеток в плюрипотентные стволовые клетки. С тех пор нейральные прогениторные и стволовые клетки были выделены из различных областей взрослой центральной нервной системы, включая ненейрогенные области, такие как спинной мозг , и из различных видов, включая людей. [39] [40]