Эндогенные стволовые клетки для улучшения познавательных функций поврежденного мозга

Endogenous stem cells for enhancing cognition in the diseased brain

Angelique Bordey, перевод Евгении Рябцевой

Введение

Взрослые нервные клетки-предшественники, или нервные стволовые клетки (НСТ) сохраняются в двух регионах головного мозга взрослых людей: субвентрикулярной зоне и субгранулярной зоне зубчатой извилины. Появление новых нейронов регистрируется в субгранулярной зоне взрослых людей и вовлечено в функционирование определенных типов памяти, по крайней мере, у грызунов (Braun and Jessberger, 2014). Нейрогенез, происходящий в субвентрикулярной зоне взрослого мозга, изначально был выявлен в обонятельной луковице грызунов, а его ранее прекращение у человека, несмотря на постоянное присутствие нервных стволовых клеток в этой зоне мозга, было продемонстрировано Sanai et al. (2011). Однако результаты недавнего исследования свидетельствуют о том, что нейрогенез происходит в полосатом теле субвентрикулярной зоны взрослого мозга человека (Ernst et al., 2014). Эта находка подчеркивает различие между грызунами и человеком, а также тот факт, что определенные регионы мозга демонстрируют неожиданные возможности для миграции и выживания «новорожденных» нейронов. При рассмотрении вопроса о возможности восстановления головного мозга наиболее важным регионов является субвентрикулярная зона, так как она охватывает весь головной мозг, в отличие от субгранулярной зоны, ограниченной гиппокампом. Другие регионы головного мозга, также содержащие НСК или клетки-предшественники, такие как гипоталамус, не будут обсуждаться в этой статье. До того, как можно будет говорить о функциональном восстановлении мозга, необходимо достичь нескольких промежуточных целей, примерный (но не окончательный) список которых приведен ниже.

• Понимание механизмов, ведущих к физиологическому старению и гибели НСК по мере старения организма. В различных регуляторных этапах самообновления и гибели НСК вовлечено несколько механизмов. Мы обратим внимание на некоторые из них, ведущие к возрастной гибели НСК. Выявление этих механизмов предоставит возможность увеличивать количество НСК и направлять их дифференцировку.
• Идентификация молекул, ответственных за определение направления дифференцировки НСК и их дочерних клеток в клетки глии или различные типы нейронов, в том числе промежуточные нейроны и нейроны с длинными отростками.
• Идентификация ингибиторных молекул, предотвращающих регенерацию ткани мозга. В коре мозга грызунов были зафиксированы определенные признаки восстановления, однако они имеют незавершенный характер, вероятно обусловленный неблагоприятной средой.
• И, наконец, несмотря на наличие возможности проводить генетические манипуляции над НСК грызунов, их нельзя применять к человеку. Для этого необходимо усовершенствование систем доставки.

Каждый из этих пунктов обсуждается ниже.

Понимание механизмов, ведущих к физиологическому старению и гибели НСК по мере старения организма

Значительная часть исследований была посвящена изучению сигнальных молекул и механизмов, вовлеченных в регуляцию физиологического старения НСК (Basak and Taylor, 2009), таких как сигнальные механизмы, опосредуемые белками Notch и Wnt. Большинство из идентифицированных механизмов сохранены и в эмбриональных, и во взрослых нервных стволовых клетках, однако отдельные молекулярные компоненты могут отличаться. Они также сохранены в разных нишах НСК, в том числе в периферических отделах нервной системы (Fuchs et al., 2004). Несмотря на то, что исследователи уже идентифицировали широкий диапазон молекул, еще существуют вопросы по поводу точной молекулярной принадлежности покоящихся и активированных (например, пролиферирующих) НСК. До сих пор нет ответа на вопрос: почему происходит активация покоящихся клеток. Другими словами, какие молекулы необходимы и достаточны для пробуждения покоящихся НСК? Также неясно, идентичен ли комплекс этих молекул для всех подтипов НСК.

Кроме того, повреждение мозга может оказывать сильное влияние на состояние активации молекулярных механизмов в НСК, а также на их микроокружение. Очень мало известно о том, как НСК реагируют на повреждения и как изменения их молекулярного профиля выводят их из состояния покоя. Вопрос еще более усложняется тем, что различные повреждения могут по-разному влиять на НСК. Эти вопросы нуждаются в детальной проработке.

Старение является естественным феноменом, оказывающим влияние на НСК и их микроокружение (van and Franklin, 2013). Одним из очевидных результатов старения является гибель НСК и, соответственно, снижение возможностей нейрогенеза. Масштабы и механизмы гибели НСК различны для субгранулярной и субвентрикулярной зон (Shruster et al., 2010). НСК субгранулярной зоны терминально дифференцируются в астроциты (Encinas et al., 2011). В субвентрикулярной зоне по мере старения происходит прогрессивная гибель промежуточных делящихся клеток (Paliouras et al., 2012). На молекулярном уровне одна из ключевых ролей в процессе старения принадлежит механизму, опосредуемому комплексом-1 белка-мишени рапамицина млекопитающих (mTORC1), регулирующему кэп-зависимую трансляцию белков (Johnson et al., 2013). На сегодняшний день нет данных о том, какой вклад mTORC1 вносит в процесс старения клеток субгранулярной зоны. В субвентрикулярной зоне mTORC1 вовлечен в возрастную гибель НСК (Paliouras et al., 2012). Кроме того, существует мнение, согласно которому активация этого механизма в процессе старения влияет на терминальную дифференцировку НСК в дочерние клетки, что способствует исчезновению НСК (Hartman et al., 2013). Поэтому необходимо выяснить, могут ли небольшие дозы блокатора mTORC1 рапамицина предотвращать прогрессивное уменьшение количества НСК. В других системах организма активность mTORC1 повышается по мере старения, также существуют данные, свидетельствующие о способности рапамицина увеличивать продолжительность жизни животных моделей.

Идентификация молекулярных механизмов, регулирующих направление дифференцировки для формирования нейронов различных типов

Взрослые НСК преимущественно дифференцируются в нейроны, в особенности в промежуточные нейроны. Ученые продемонстрировали, что НСК субвентрикулярной зоны генетически детерминированы к превращению в определенные подтипы обонятельных промежуточных нейронов (Merkle et al., 2007). Генетические механизмы, определяющие эту предопределенность, еще не идентифицированы. Кроме того, идентификацию этой молекулярной программы необходимо проводить на ранних этапах развития. Другими словами, наиболее информативными будут исследования, посвященные идентификации программ, запускающихся в эмбриональных НСК и определяющих судьбу этих клеток во взрослом организме.

Для восстановления повреждений мозга, помимо промежуточных нейронов, необходимо формирование новых отростчатых нейронов. Для этого надо научиться репрограммировать взрослые НСК в клетки, близкие к эмбриональным НСК и имеющие более широкий диапазон возможностей дифференцировки. После того, как был разработан метод создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, новые технологии репрограммирования стали развиваться очень быстро. Их необходимо апробировать на взрослых НСК в условиях in vitro и in vivo.

Идентификация ингибиторных молекул, предотвращающих регенерацию ткани мозга

Несмотря на присутствие НСК в субвентрикулярной зоне и нервных клеток-предшественников в паренхиме, взрослый мозг обладает очень ограниченными возможностями к восстановлению. Возможно, это является своего рода защитным механизмом, обеспечивающим сохранение долгосрочной памяти. В ткани взрослого мозга содержатся запрещающие факторы (такие как NOGO) и практически нет факторов, способствующих выживанию и интеграции НСК и молодых нейронов, в результате чего формируется неблагоприятное для нейрогенеза микроокружение. Существует серьезная необходимость в проведении исследований, посвященных идентификации запрещающих факторов в паренхиме головного мозга, препятствующих выживанию и интеграции НСК и незрелых нейронов как в нормальных условиях, так и при травмах. Кроме того, не менее важной задачей является сравнение молекулярных профилей различных регионов мозга, для которых характерны разные уровни возможностей восстановления, например, таких как полосатое тело и кора (Ernst et al., 2014). В решении этого вопроса могут помочь как масштабные молекулярные скрининги, так и управляемые гипотезами подходы.

Еще одним ограничивающим фактором является доступ к ткани мозга человека. Скорее всего человеческий мозг менее склонен к восстановлению, чем мозг мыши. Поэтому существует необходимость в разработке подходов к проведению скрининга человеческой ткани и идентификации факторов, препятствующих эндогенному нерогенезу.

Терапевтические манипуляции in vivo

Даже если удастся преодолеть все перечисленные выше проблемы, нам останется решить задачу, заключающуюся в разработке стратегий осуществления минимально инвазивных манипуляций над клетками человеческого мозга. На сегодняшний день самой лучшей стратегией является фармакологическая терапия. Однако для репрограммирования НСК в новые типы нейронов потребуется введение внутрь клеток ДНК или другого генетического материала. При работе с грызунами эта стратегия применяется в отношении определенных типов клеток с помощью технологий создания трансгенных животных, вирусной доставки генов, электропорации, систем доставки на основе наночастиц или экзосом, а также, в определенной степени, с помощью проникающих внутрь клеток пептидов. Использование наночастиц и экзосом теоретически может применяться и в клинике. Особенно привлекательным и нуждающимся в тщательном изучении является метод неинвазивного интраназального введения. Для успешной разработки систем доставки in vivo, пригодных для клинического применения, необходима совместная работа биологов и специалистов в области биоинженерии.

Заключение

Несмотря на перечисленные выше сложности и большую продолжительность периода, необходимого для разработки эффективных методов восстановления мозга и улучшения познавательных способностей, мы не можем отказаться от проведения исследований в четырех очерченных выше направлениях. В течение прошедшего десятилетия наблюдался экспоненциальный рост количества исследований, посвященных изучению «взрослого нейрогенеза».

В целом наблюдаемое в настоящее время активное изучение биологии стволовых клеток и разработка систем доставки терапевтических препаратов в ткань мозга должны пролить свет на процессы развития мозга и эндогенные реакции на повреждения, а также дать начало новым подходам к регенерации мозга и восстановлению познавательных функций, ухудшившихся из-за травм мозга и нейродегенеративных заболеваний. Обязательным условием также является проверка применимости результатов, полученных в экспериментах на животных моделях, в клинических условиях.

Список литературы:

1. Basak, O., and Taylor, V. (2009). Stem cells of the adult mammalian brain and their niche. Cell. Mol. Life Sci. 66, 1057–1072. doi: 10.1007/s00018-008-8544-x
2. Braun, S. M., and Jessberger, S. (2014). Adult neurogenesis and its role in neuropsychiatric disease, brain repair and normal brain function. Neuropathol. Appl. Neurobiol. 40, 3–12. doi: 10.1111/nan.12107
3. Encinas, J. M., Michurina, T. V., Peunova, N., Park, J. H., Tordo, J., Peterson, D. A., et al. (2011). Division-coupled astrocytic differentiation and age-related depletion of neural stem cells in the adult hippocampus. Cell Stem Cell 8, 566–579. doi: 10.1016/j.stem.2011.03.010
4. Ernst, A., Alkass, K., Bernard, S., Salehpour, M., Perl, S., Tisdale, J., et al. (2014). Neurogenesis in the striatum of the adult human brain. Cell 156, 1072–1083. doi: 10.1016/j.cell.2014.01.044
5. Fuchs, E., Tumbar, T., and Guasch, G. (2004). Socializing with the neighbors: stem cells and their niche. Cell 116, 769–778. doi: 10.1016/S0092-8674(04)00255-7
6. Hartman, N. W., Lin, T. V., Zhang, L., Paquelet, G. E., Feliciano, D. M., and Bordey, A. (2013). mTORC1 targets the translational repressor 4E-BP2, but not S6 kinase 1/2, to regulate neural stem cell self-renewal in vivo. Cell Rep. 5, 433–444. doi: 10.1016/j.celrep.2013.09.017
7. Johnson, S. C., Rabinovitch, P. S., and Kaeberlein, M. (2013). mTOR is a key modulator of ageing and age-related disease. Nature 493, 338–345. doi: 10.1038/nature11861
8. Merkle, F. T., Mirzadeh, Z., and Alvarez-Buylla, A. (2007). Mosaic organization of neural stem cells in the adult brain. Science 317, 381–384. doi: 10.1126/science.1144914
9. Paliouras, G. N., Hamilton, L. K., Aumont, A., Joppe, S. E., Barnabe-Heider, F., and Fernandes, K. J. (2012). Mammalian target of rapamycin signaling is a key regulator of the transit-amplifying progenitor pool in the adult and aging forebrain. J. Neurosci. 32, 15012–15026. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2248-12.2012
10. Sanai, N., Nguyen, T., Ihrie, R. A., Mirzadeh, Z., Tsai, H. H., Wong, M., et al. (2011). Corridors of migrating neurons in the human brain and their decline during infancy. Nature 478, 382–386. doi: 10.1038/nature10487
11. Shruster, A., Melamed, E., and Offen, D. (2010). Neurogenesis in the aged and neurodegenerative brain. Apoptosis 15, 1415–1421. doi: 10.1007/s10495-010-0491-y
12. van, W. P., and Franklin, R. J. (2013). Ageing stem and progenitor cells: implications for rejuvenation of the central nervous system. Development 140, 2562–2575. doi: 1

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

02.06.2014