1 обзор по теме возможности нейротрансплантации для улучшения качества и увеличения продолжительности жизни
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
1 ОБЗОР ПО ТЕМЕ ВОЗМОЖНОСТИ НЕЙРОТРАНСПЛАНТАЦИИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА И УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ Автор Е.В. Лосева Е.В., д.б.н. ФГБУН Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, Россия, 2012 год 2 Оглавление Задачи нейротрансплантологии Нейротрансплантация незрелой нервной ткани различного генеза. Экспериментальные работы конца ХХ века Концепция о влиянии нейротрансплантатов на мозг реципиентов Нейротрансплантация культивированных стволовых клеток разного генеза. Экспериментальные работы начала ХХI века Нейральные стволовые клетки из эмбрионального мозга Мультипотентные стволовые клетки с нейрогенным потенциалом из других тканевых источников Индуцированные стволовые клетки из соматических клеток взрослых доноров Прямое репрограммирование соматических клеток в НСК и функционально- активные нейроны Опыт применения нейротрансплантации в клинике для лечения заболеваний ЦНС Травмы головного и спинного мозга Болезнь Паркинсона Болезнь Альцгеймера Инсульты и инфаркты мозга Эпилепсия Другие заболевания Перспективы нейротрансплантации в нейроинженерных подходах для увеличения продления жизни мозга Литература 3 Задачи нейротрансплантологии На заре развития нейротрансплантологии основной задачей исследователей была замена поврежденных тканей и участков мозга новыми, неповрежденными. Родоначальником нейротрансплантологии считают американского нейрохирурга Томпсона, который еще в конце XIX столетия в экспериментах на животных производил безуспешные пересадки нервной ткани от взрослого донора в мозг взрослого реципиента [Сухих, 1998, обзор]. Работы по нейротрансплантации уже эмбриональной донорской ткани были продолжены в 40-х и 50-х годах XX века. Так, в обзоре Глиса [Глис, 1959] приведены литературные и собственные данные об аллогенных (внутривидовых) пересадках различных структур мозга эмбрионов в мозг млекопитающих. В этих пионерских работах отмечали способность трансплантатов незрелой нервной ткани усиливать процессы регенерации в ЦНС. Новый бурный этап в развитии нейротрансплантологии наступил в 80-е годы прошлого века и продолжался до самого начала нынешнего столетия [Виноградова, 1984; Александрова, 2001; Björklund, Stenevi, 1984; Azmitia, Björklund, 1987; Bray, 1990; Полежаев и др., 1993; Журавлева, 1999, Отеллин, 1999; Лосева, 2001; Угрюмов, 2001; Ермакова, 2001 и др.]. В этот период в качестве донорского материала использовали фрагменты и суспензию незрелых нервных тканей, культуры нейронов и глиальных клеток, выделенных из незрелого мозга, и некоторые другие. После открытия стволовых клеток буквально в последнее десятилетие в нейротрансплантологии произошел прорыв. В последних обзорах обобщены многочисленные исследования, где в качестве донорского материала используют стволовые клетки различного происхождения [Сухих, Малайцев, 2001; Grisolía, 2002; Sugaya, 2003; Lindvall et al., 2004; Martino, Pluchino, 2006; Rosser et al., 2007; Jain, 2009; Ruff, Fehlings, 2010; Feng, Gao, 2012 и др.]. В эти оба периода перед учеными-нейротрансплантологами стояли следующие основные задачи: 1) разработать оптимальные условия для успешного приживления и развития трансплантатов различного генеза в мозге животных в норме и при патологии; 2) исследовать поведенческие, биохимические и морфологические эффекты нейротрансплантации различного донорского материала в нормальный и патологически измененный мозг животных-реципиентов; 3) исследовать тонкие механизмы развития донорских тканей и/или культур клеток разного генеза в нормальной и патологически-измененной ЦНС животных; 4 4) внедрить полученные в экспериментах на животных результаты в клинику с целью лечения заболеваний ЦНС (нейродегенеративных, воспалительных, онкологических) и улучшения качества и продолжительности жизни в пожилом возрасте. Недавно открыли, что в зрелом мозге происходит нейрогенез – образование и деление нейральных стволовых клеток, миграция клеток-предшественников, их дифференцировка в зрелые нейроны и глиальные клетки, которые могут встраиваться в нервные сети некоторых структур мозга [Taupin, 2005]. Нейрогенез к старости замедляется и нарушается при многих заболеваниях ЦНС [Lee S.W. et al., 2012; Shruster et al., 2010]. Поэтому еще одной задачей последнего десятилетия является использование нейротрансплантации стволовых клеток для воздействия на этот процесс в норме и при разнообразных патологиях ЦНС. Для успешной нейротрансплантации при решении конкретных задач важно: подобрать адекватный донорский материал; определить способ, место и время его введения в ЦНС; подобрать при необходимости дополнительные условия подготовки донорского материала для лучшей выживаемости трансплантатов в мозге реципиента. Нейротрансплантация незрелой нервной ткани различного генеза. Экспериментальные работы конца ХХ века В конце прошлого века были накоплены убедительные факты, свидетельствующие о возможности длительного переживания аллотрансплантатов (кусочков или клеточной суспензии) развивающейся ткани различного генеза в интактном и патологически измененном мозге экспериментальных животных [Полежаев, Александрова, 1986; Bragin, Stafekhina, 1990; Виноградова, 1984; Schulz et al., 1996; Björklund, Stenevi, 1984]. Плотные тканевые трансплантаты длительно переживают и в передней камере глаза [Журавлева, 1999]. В экспериментах на животных были отмечены выраженные терапевтические эффекты нейротрансплантации. Это – предотвращение образования грубых глио- фиброзных рубцов на границе трансплантата с мозгом реципиента [Krüger et al., 1986], усиление процессов регенерации в поврежденном мозге [Полежаев, Александрова, 1986], ускоренное восстановление свойств гемато-энцефалического барьера [Saburina, 1989], восстановление ряда поведенческих функций, нарушенных при моделировании различных патологий ЦНС – черепно-мозговые травмы, болезнь Паркинсона и т.д. [Полежаев и др., 1993; Ермакова, 2001, Угрюмов, 2001]. Известно, что при ряде нейродегенеративных заболеваний наблюдается дефицит некоторых веществ в мозге. Например, при болезни Паркинсона не хватает дофамина, а при хорее Гентингтона – гамма-аминомасляной кислоты. Моделирование этих болезней в эксперименте осуществляют путем введения 5 определенных нейротоксинов в соответствующие участки мозга. При пересадке в область повреждения ткани или ее суспензии из тех участков эмбрионального мозга, которые богаты этими веществами (в случае болезни Паркинсона – стриатум, черная субстанция, в случае хореи Гентингтона – ганглионарные бугорки), улучшаются поведенческие функции, нарушенные в результате введения нейротоксинов [Никка, Пирот, 2010; Freed, Rosenstein, 1993]. Кроме того, обнаружены противовоспалительные [Лосева и др., 1989] и антиоксидантные [Гуляева и др., 1990] свойства нейротрансплантатов. Влияние трансплантатов на мозг реципиентов в значительной степени связывают с тем, что развивающаяся донорская нервная ткань содержит множество физиологически активных веществ (факторов роста, медиаторов, гормонов, нейропептидов, ферментов, цитокинов). Эти вещества, попадая в мозг реципиента, могут изменять его функции, воздействуя на соответствующие клеточные рецепторы [Лосева, 2001, обзор]. Для того чтобы метод нейротрансплантации мог успешно использоваться в клинике для лечения нейродегенеративных и других заболеваний, важно определить: насколько травматична собственно операция нейротрансплантации для реципиента; при каких именно травмах и патологиях мозга ее целесообразно использовать; какие схемы нейротрансплантации следует применять в каждом конкретном случае для достижения наилучших результатов; каких схем необходимо избегать для предотвращения отрицательных последствий нейротрансплантации; какие способы можно использовать для предотвращения отторжения нейротрансплантатов без ущерба для здоровья реципиентов. Как правило, морфология мозга больных людей после нейротрансплантации неизвестна. Есть редкие работы по изучению мозга реципиента после его смерти. Например, при болезни Паркинсона показана интеграция и длительное сохранение трансплантатов дофаминергических нейронов из эмбрионального мозга в стриатуме мозга человека (постмортальный материал) [Hagell, Brundin, 2001]. Поскольку при нейротрансплантации в клинике морфологию мозга у пациентов исследовать невозможно, а восстановление нарушенных в результате травм или патологических состояний мозга функций происходит в разной степени и не всегда успешно, то структурно- функциональную связь между состоянием мозга реципиентов, состоянием трансплантатов, поведенческими и прочими функциями можно установить только в экспериментах на животных. Наиболее часто структурно-функциональные нарушения в мозге подопытных животных и моделирование различных нейродегенеративных расстройств вызывают путем его повреждения различными способами: механическим, электролитическим, 6 химическим. Наиболее выраженное положительное действие нейротрансплантатов на поврежденный мозг наблюдаются на ранних этапах после пересадок, однако часто эффект бывает стойким и сохраняется длительное время. Для продолжительного положительного воздействия на мозг реципиента трансплантат, прежде всего, не должен отторгаться. Одним из основных условий успешного приживления трансплантатов является сходство доноров и реципиентов по антигенам главного комплекса гистосовместимости. Это условие соблюдается при сингенной (внутрилинейной) и, часто, аллогенной (внутривидовой) нейротрансплантации [Winder, Brundin, 1988; Finsen 1995]. С помощью аллогенной нейротрансплантации фрагментов незрелой ткани в поврежденный различными способами мозг экспериментальных животных можно осуществить коррекцию структурно-функциональных нарушений в посттравматическом периоде. При этом необходимо подобрать такую схему операции, при которой трансплантат будет в жизнеспособном состоянии в течение всей жизни реципиента. Как правило, это гомотопическая трансплантация (например, кора в кору) в область повреждения мозга реципиента, выполненная в ранние сроки после травмы. Хорошие эффекты дает и гомотопическая трансплантация одному реципиенту разных участков эмбрионального мозга, которые имеют естественные нервные связи в зрелом мозге реципиента. При этом следует учитывать, что, более молодая эмбриональная нервная ткань (например, от 15- дневных эмбрионов крыс) разрастается значительно в большей степени, чем более развитая (например, ткань от 21-дневных плодов крыс и новорожденных крысят) [Отеллин, 1999; Лосева, 2001, обзоры]. Применение аллогенного абортированного донорского материала от человека в клинике сопряжено с целым рядом этических проблем и технических трудностей [Turner, Kearney, 1993]. Так, использование абортированной ткани в ряде стран невозможно, поскольку аборты там запрещены. Кроме того, если аборты и разрешены, то получить полноценную донорскую ткань бывает затруднительно в силу ряда причин. Например, на использование эмбриональной ткани необходимо согласие матери; в процессе аборта мозг эмбриона может повредиться; разрешено использовать лишь эмбриональную и фетальную ткань, но не ткань плода (за исключением самопроизвольных выкидышей); донорскую ткань трудно быстро доставить к месту операции и так далее. Кроме того, для одной только трансплантации по поводу болезни Паркинсона в клинике рекомендуют использовать мозг от 3–4 эмбрионов человека [Lindvall et al., 1992]! Поэтому, нейротрансплантологами разрабатываются различные способы, которые могут помочь полностью или частично устранить указанные препятствия. В частности, выделенную из мозга эмбриона ткань замораживают в определенном режиме. После 7 размораживания такой ткани около 60% нервных клеток сохраняют свою жизнеспособность [Акимова и др., 1998]. Ведется также поиск ксеногенной (от животных других видов) ткани, способной полноценно заменить абортированную донорскую ткань [Pakzaban, Isacson, 1994]. Как правило, эти работы ограничиваются подбором пар донор- реципиент внутри класса млекопитающих [Гилерович и др., 1996; Пучков и др., 1996], которые сильно отличаются друг от друга по антигенам главного комплекса гистосовместимости. При этом важно учитывать возраст эмбрионов и особенности развития разных структур мозга. Так, показано, что наилучшие результаты (приживление, развитие трансплантата, реализация в нем генетической программы развития ткани, пролиферация, миграция и дифференцировка клеточных элементов, формирование синапсов) дают гомотопические пересадки закладок неокортекса эмбрионов человека 8–9 недель внутриутробного развития, спинного мозга – 6–7 недель, мезенцефалона – 6–7 недель, мозжечка – 8-10 недель в мозг крыс-реципиентов. Причем суспензии эмбриональной нервной ткани в качестве донорского материала предпочтительнее ее фрагментов по целому ряду причин. Основная причина заключается в том, что процедура трансплантации суспензии диссоциированных клеток менее травматична для ткани и барьеров мозга реципиентов, что приводит к формированию не грубого, а мягкого рубца, через который возможна миграции клеток и рост их отростков [Отеллин, 1999]. Однако более позднее исследование, в котором используется аллогенная трансплантация на мышах, не подтверждает лучшего приживления аллотрансплантатов в виде суспензии по сравнению с целыми фрагментами нервной ткани. Более того, тканевые трансплантаты демонстрируют лучшую способность к развитию [Сухинич и др., 2011]. В качестве донорской ткани использовали не только плотные трансплантаты и клеточные суспензии, но и органотопические культуры фетальных тканей [Victorov, Lyjin, 1990], культуры нервных, глиальных клеток [Bradbury et al., 1995, Ермакова и др., 2005] и полипотентных стволовых клеток, выделенных из эмбриональных закладок мозга [Сухих, 1998, обзор]. Возраст реципиентов тоже очень важен. В экспериментах с алло- и ксеногенной трансплантацией лучше приживаются трансплантаты в мозге молодых животных- реципиентов по сравнению с особями среднего и старого возрастов. Поэтому в клинике лучшие результаты трансплантации можно ожидать у детей и молодых людей [Отеллин, 1999]. Как показывают литературные и собственные данные, если трансплантат успешно приживляется в поврежденном мозге, то состояние реципиента либо улучшается, либо, по крайней мере, не ухудшается. Исключения составляют случаи, если трансплантат 8 разрастается настолько, что начинает сдавливать окружающие ткани мозга реципиента, или отторгается. В случаях отторжения трансплантата в мозге возникает дополнительный очаг некроза ткани, что неизбежно должно приводить к снижению интенсивности компенсаторно-восстановительных процессов: усилению иммунологических реакций, усугублению дисбаланса медиаторов и модуляторов, развитию вторичных дегенеративных изменений, ухудшению поведения реципиентов. Поэтому чрезвычайно важно не допустить отторжения нейротрансплантатов в патологически-измененном мозге. Главным образом, нейротрансплантат в ЦНС может отторгаться в случаях, если: 1) трансплантат получен от донора, значительно отличающегося от реципиента по антигенам главного комплекса гистосовместимости; 2) используется гетеротопическая аллотрансплантация, особенно если донорская ткань берется не из мозга, а из других органов, например из мозгового вещества надпочечников, периферических нервов и т.д. 3) подобраны неправильные условия проведения операции трансплантации. Возможно отторжение как аллогенных, особенно гетерогенных, трансплантатов, так и ксеногенных трансплантатов [Lawrence et al., 1990; Finsen et al., 1990; Marion et al., 1990]. При этом если в эксперименте дополнительные воздействия применяли только при ксенотрансплантации, то в клинике такие воздействия являлись обязательными и при аллотрансплантации абортированной нервной ткани. Для предупреждения отторжения неродственных трансплантатов использовали дополнительные воздействия, как на организм реципиента, так и на донорскую ткань. Реципиент после операции, а иногда и до нее, чаще всего получал курс иммуносупрессии циклоспорином А, который, как известно, обладает не только нефротоксичным и гипертензивным действием [Lund, Banerjee, 1992], но и приводит к повреждению нервной ткани [Truwit et al., 1991]. Разработаны и новые, более эффективные и менее токсичные иммунодепрессанты – вещество FK-506, 15- деоксиспергуалин, комплексы веществ, в которые, наряду с циклоспорином А, входят менее токсичные вещества – стероиды и азотиоприн [Лосева, 2001, обзор]. Альтернативным лекарственному подходу является метод использования моноклональных антител к различным компонентам иммунной системы [Lund, Banerjee, 1992; Pakzaban, Isacson, 1994]. Кроме иммуносупрессии, стали применять некоторые приемы физиотерапии. Так, появился цикл работ [Rochkind, Ouaknine, 1992], в котором изучалось влияние низкочастотных лазерных излучений на приживление трансплантатов периферических 9 нервов, помещенных в поврежденный спинной мозг собак. У животных, подвергшихся лазерной обработке, наблюдали более тесную интеграцию трансплантатов с мозгом хозяина и улучшение двигательных функций. В наших исследованиях для предотвращения отторжения нервной ткани эмбриона цыпленка в мозге крыс успешно использовалось низкочастотное переменное магнитное поле, которым в течение одной минуты обрабатывали донорскую ткань, подготовленную для трансплантации [Лосева и др., 1997]. Имеются редкие работы, в которых реципиент после трансплантации получал курс физиологически-активных веществ (ФАВ). Например, септальные суспензированные трансплантаты, помещенные в гиппокамп крыс после разрушения фимбрии-форникса, имели больший объем и диаметр крупных пирамидных нейронов, если реципиенты получали курс внутрибрюшинных инъекций нейропептида субстанция Р [Sprick et al., 1996]. Хороший эффект давала множественная атравматическая микротрансплантация смеси эпителиоидных астроцитов (1 тип) и незрелых нейронов гиппокампа в мозг взрослых крыс: нейроны длительно переживали, очагов отторжения не наблюдали [Emmett et al., 1990]. Чужеродная донорская ткань непосредственно до операции также может быть подвергнута различным дополнительным воздействиям. Например, если культуру хромафинных клеток надпочечников преинкубировать с фактором роста нервов или обработать низкочастотным магнитным полем, то в обоих случаях увеличивался рост нейритов. Однако если обработанные этими способами клетки трансплантировать в хвостатое ядро крысам, у которых был разрушен 6-гидроксидофамином нигро-стриатный путь, то несмотря на то, что моторная асимметрия, индуцированная повреждением, уменьшается, но различий по этому показателю между крысами с обработанными и необработанными трансплантатами не обнаруживается [Drucker-Colin et al., 1994]. То есть функциональное улучшение связано непосредственно с трансплантацией, а не с предварительной обработкой трансплантатов. Таким образом, сведения о предупреждении отторжения нейрональных трансплантатов, за исключением работ с применением иммуносупрессии, были немногочисленны и противоречивы. Иммуносупрессия, хотя и способствовала приживлению трансплантатов, но негативно влияла на организм реципиента. Обработка ткани нетрадиционными методами до операции хотя и приводила к росту отростков нервных клеток, но не улучшала поведенческих реакций. Между тем эта проблема на этапе развития трансплантологии была чрезвычайно актуальна. 10 |