1 обзор по теме возможности нейротрансплантации для улучшения качества и увеличения продолжительности жизни
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
Концепция о влиянии нейротрансплантатов на мозг реципиентов Анализ литературных данных и собственных результатов позволил нам предложить в 2001 году концепцию о воздействии нейротрансплантатов различного генеза на мозг реципиентов [Лосева, 2001]. В незрелой нервной ткани содержатся как неспецифические факторы (противовоспалительные, ростовые, иммуносупрессорные и т.д.), характерные для всего развивающегося мозга, так и специфические вещества (нейромедиаторы, нейропептиды, ферменты, гормоны и др.), свойственные определенным структурам мозга и играющие важную роль в процессах дифференцировки и развития тканей и клеток этих структур. Исходя из этого нейротрансплантаты, попадая в мозг реципиента, могут оказывать на него как неспецифическое, так и специфическое воздействие. Неспецифическое и специфическое воздействие нейротрансплантатов может быть как прямым, так и модулирующим (деление условно). Если для нейротрансплантации используется менее зрелая ткань, то выделенные из нее трансплантаты оказывают на мозг реципиента, особенно в первое время после введения, главным образом неспецифическое воздействие, связанное с содержащимся в ней комплексом веществ, способствующих процессам регенерации, тормозящих воспалительные реакции и т.д. Наличие таких факторов в эмбрионе на ранних этапах развития препятствует его отторжению из организма матери. Трансплантаты, полученные из более зрелой нервной ткани, могут оказывать на мозг в большей степени специфическое влияние. Это связано с наличием в такой ткани, наряду с неспецифическими факторами, веществ, которые в период развития плода должны способствовать процессам дифференцировки структур и клеток мозга, а также стимулировать синтез нейромедиаторов в соотношениях, специфических для конкретных мозговых образований. Попадая из незрелого трансплантата в мозг реципиента, неспецифические факторы могут ускорять заживление ран, тормозить воспалительные процессы и отторжение трансплантатов и так далее. Специфические факторы, влияя непосредственно на уже дифференцированные клетки в мозге реципиента, могут стимулировать синтез определенных нейромедиаторов и белков, способствовать образованию и созреванию новых активных рецепторов и других клеточных элементов (например, синапсов), обеспечивать полноценную синаптическую и объемную передачу и тем самым улучшать интегративную деятельность поврежденного или патологически измененного мозга. 11 Трансплантаты незрелой нервной ткани, оказывая на мозг реципиента прямое (как специфическое, так и неспецифическое) воздействие, добавляют содержащиеся в них функционально активные вещества (медиаторы, гормоны, факторы роста, противовоспалительные вещества и т.д.), находящие соответствующие мишени в мозге, или захватывают избыток веществ из окружающих тканей. На ранних этапах после введения прямое воздействие обусловлено химическим составом трансплантата или способностью его клеток захватывать избыток определенных веществ. На поздних этапах, когда трансплантат образует как нервные, так и гуморальные связи с мозгом реципиента, и клетки трансплантата сами становятся продуцентами физиологически активных факторов, то прямое воздействие обусловливается функциональной активностью нейротрансплантата. При этом неспецифическое воздействие ослабляется, так как незрелая ткань, богатая разнообразными факторами, с возрастом утрачивает первоначальное свое значение. В то же время специфическое воздействие сохраняется и усиливается по мере того, как трансплантат развивается, синтезирует необходимые вещества и поставляет их в мозг реципиента. При модулирующем (неспецифическом и специфическом) воздействии трансплантата запускаются механизмы синтеза и распада веществ непосредственно в мозге реципиента, необходимые для поддержания в нем гомеостатического равновесия. По-видимому, модулирующее влияние трансплантата хорошо выражено на ранних этапах его переживания в мозге реципиента, когда уникальные свойства незрелой нервной ткани еще не утратили своего значения. В более поздние сроки, если трансплантат остается жизнеспособным, то запущенные в мозге хозяина механизмы регулирования гомеостатического равновесия поддерживаются. В это время трансплантат сам способен синтезировать и выделять в окружающую ткань комплекс веществ, модулирующий каскад как специфических, так и неспецифических химических процессов в мозге реципиента. Если же в трансплантате начинаются процессы отторжения, то в мозге возникает иммунологический конфликт, сопровождающийся воспалением. Вследствие этого химическое равновесие в мозге реципиента может быть нарушено и эффекты от нейротрансплантации, которых удалось достичь, могут быть утрачены. Кроме того, с помощью только удачной нейротрансплантации возможно замещать утраченные в результате различных хирургических вмешательств участки ткани мозга. При этом трансплантат играет роль химико-структурно-функционального протеза. Он, образуя с мозгом хозяина нервные и гуморальные связи, препятствует развитию дегенеративных процессов в окружающих трансплантат участках мозга, происходящих при подобных повреждениях. 12 Нейротрансплантация культивированных стволовых клеток разного генеза. Экспериментальные работы начала ХХI века Термин «стволовая клетка» – применительно к лимфоциту как родоначальнику всех клеток крови млекопитающих – был введен в науку в 1909 году российским ученым Александром Максимовым. [Максимов, 1909]. С последних лет прошлого века нейротрансплантология получила новый стимул для бурного развития. Из разных тканей развивающегося и взрослого организма научились выделять и культивировать стволовые клетки, часть из которых могут быть использованы в клеточной терапии для лечения многочисленных нейродегенеративных и других заболеваний ЦНС [Galvin, Jones, 2002; Srivastava et al., 2008; De Feo et al., 2012; Dunnett, Rosser, 2011 и мн. др. обзоры]. Для успешного внедрения в клинику метода нейротрансплантации стволовых клеток активно разрабатываются следующие вопросы: какие стволовые клетки следует использовать для лечения той или иной болезни; как их вводить в ЦНС; какие условия необходимы для оптимального культивирования разных стволовых клеток; какие нужно создать условия для их лучшего приживления в мозге; как с помощью экзогенных стволовых клеток влиять на нейрогенез в зрелом мозге. Стволовые клетки, как донорский материал, являются достойной альтернативой эмбриональной нервной ткани, поскольку их использование в клинике в значительной степени разрешает этические проблемы. Стволовые клетки можно наращивать в культуре, при этом они не теряют своих свойств в течение многих пассажей. Стволовые клетки получают как из эмбрионов, так и из разных тканей половозрелых особей. Из разных источников можно получать разные по свойствам стволовые клетки [Tutter et al., 2006; Zeng, Rao, 2007; Sensebé, Bourin, 2009; Mizuno, 2010, и др.]. Тотипотентные стволовые клетки, из которых состоит зигота, могут дать развитие целого организма. Плюрипотентные эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) получают из внутренней клеточной массы бластоциста. ЭСК имеют неограниченный пролиферативный потенциал и на стадии гаструлы генерируют все типы мультипотентных стволовых клеток эмбриона и взрослого организма. При симметричном делении ЭСК производят себе подобные и не имеют специализации. При асимметричном митозе одна клетка остается стволовой, а другая – родоначальной, прогениторной клеткой (ПК). ПК способны быстро делиться симметрично, давая себе подобные, и имеют ограниченный пролиферативный потенциал. ПК коммитированы (детерминированы) к дифференцировке в одном или нескольких направлениях. Деления ПК заканчиваются образованием монопотентных клеток-предшественников, способных к развитию только в один тип дифференцированных клеток [Чернилевский, 2008]. 13 У эмбрионов и взрослых млекопитающих и человека обнаружены мульти- и монопотентные нейральные стволовые клетки (НСК) в разных структурах головного мозга [Сухих, Малайцев, 2001, Rietze, Reynolds, 2006]. Они дают начало нейронам и глии и способны поддерживать локальный нейрогенез в течение всей жизни [Taupin, 2005]. Использование для нейротрансплантации ЭСК невозможно, так как может привести к развитию опухолей мозга [Correia et al., 2005, Kooreman, Wu, 2010]. ЭСК необходимо сначала дифференцировать в НСК и в нейральные предшественники. Из плюрипотентных ЭСК при определенном составе культуральной среды можно культивировать НСК [Muguruma, Sasai, 2012]. Однако их использование для нейротрансплантации также опасно, так как вместе с НСК в мозг могут попасть и ЭСК, из которых возможно развитие опухолей. Нейральные стволовые клетки из эмбрионального мозга Более перспективными при лечении нейродегенеративных и прочих болезней ЦНС являются НСК из эмбрионального мозга, которые выделяют из нейрогенных структур (перивентрикулярная зона или зубчатая фасция гиппокампа). НСК, размножаясь в культуре, формируют нейросферы, в которых иммуногистохимически можно обнаружить клетки с маркерами НСК, прогениторнных клеток (предшественников нейронов и глии), клеток нейрональной и глиальной дифференцировки. Нейросферы или их диссоциированные клетки используются для нейротрансплантации. Такие клетки могут встраиваться в клеточные сети разных структур мозга, например гиппокампа [Lepski et al., 2011]. Использование для трансплантации эмбриональных НСК дает хорошие терапевтические эффекты при лечении нейродегенеративных заболеваний, которые сопоставимы с эффектами эмбриональных тканевых и суспензионных трансплантатов [Подгорный и др., 2004; Cossetti et al., 2012; De Feo et al., 2012 и мн. др.]. Однако использование для нейротрансплантации культур НСК, выделенных из эмбрионов человека, не снимает полностью этических проблем. Мультипотентные стволовые клетки с нейрогенным потенциалом из других тканевых источников Мультипотентные стволовые клетки из других тканевых источников эмбриона и взрослого организма при определенных условиях (добавления некоторых ростовых и прочих факторов в культуральную среду) тоже могут превращаться в НСК, формирующие нейросферы или монослой, на клетках которого обнаруживаются маркеры нейральной дифференцировки [Paspala et al., 2011]. 14 В эксперименте, с целью устранения этических проблем при взятии донорского материала из эмбриона человека, ведется активный поиск тканевых источников с нейрогенным потенциалом от взрослого организма. Из стволовых клеток таких тканей можно получить в культуре НСК, которые могут стать альтернативой НСК из эмбрионального мозга [Moore et al., 2006]. Источником таких НСК могут быть мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) из костного мозга, мультипотентные стволовые клетки из жировой ткани, обкладочные клетки из обонятельного эпителия, стволовые клетки из сетчатки глаза, стволовые клетки из луковиц волос и т.д. [Delcroix et al., 2010; Ying et al., 2012; Marshall et al., 2006; Milyushina et al., 2012; Amoh et al., 2010]. Стволовые клетки из всех этих тканей, за исключением сетчатки глаза, можно получать прижизненно и использовать для аутологичной трансплантации без иммунодепрессии. Трансплантация культур таких клеток активно используется в эксперименте для лечения нейродегенеративных заболеваний. Много работ посвящено ММСК из костного мозга и обкладочным клеткам из обонятельного эпителия. ММСК используют для лечения гипоксических и ишемических повреждений мозга, при спинно-мозговой травме, инфарктах и инсультах мозга, рассеянном склерозе и т.д. [Honmou et al., 2012; Ben-Hur, 2011]. Например, в наших экспериментах был также показан терапевтический эффект трансплантации культуры ММСК из костного мозга взрослого человека (операционный материал) в мозг крыс, подвергшихся гипобарической гипоксии. Улучшалась выживаемость нейронов в неокортексе и условно-рефлекторное оборонительное поведение. Однако следует отметить, что аналогичные показатели были еще лучше при нейротрансплантации в мозг крыс после гипобарической гипоксии культуры НСК из эмбрионального мозга [Лосева и др., 2011]. В последние годы накоплен убедительный экспериментальный материал о возможности использования обкладочных клеток обонятельного эпителия (olfactory ensheathing cells (OECs)) для лечения ряда нейродегенеративных заболеваний – травм спинного мозга, инсультов и инфарктов мозга, латерального амиотрофического склероза [Shi et al., 2010; Shyu et al., 2008; Huang et al., 2009, Su, He 2010]. Эти клетки происходят из нервного гребня и проявляют свойства глиальных клеток. Они, благодаря способности экспрессировать определенные ростовые факторы, обладают уникальным свойством регенерировать отростки нейронов в поврежденной нервной системе [Kocsis et al., 2009]. Из пуповинной крови [Arien-Zakay et al., 2011] и амниотической жидкости [Antonucci et al., 2012] также выделяют мультипотентные СК, способные в культуре при определенных условиях дифференцироваться в клетки, проявляющие свойства НСК. Такие культуры с нейрогенным клеточным потенциалом тоже применяют в эксперименте 15 для нейротрансплантации. Они не образуют тератом и оказывают нейропротективный эффект при интравенозном и внутримозговом введении. Эффект этот связывают, главным образом, с трофическим воздействием на мозг. Их можно использовать для лечения, например, ишемического повреждения мозга, травм мозга, инфарктов и инсультов [Arien- Zakay et al., 2011]. Клетки пуповинной крови в экспериментальных моделях применяют также для лечения латерального амиотического склероза, Паркинсонизма и болезни Альцгеймера [Knippenberg et al., 2012; Ende, Chen, 2002; Lee H.J. et al., 2010]. Хорошие терапевтические эффекты дает нейротрансплантация генномодифицированных НСК из разных источников. Такие НСК получают путем трансфекции в них некоторых вирусов со встроенными фрагментами ДНК, экспрессирующими различные ростовые факторы, ферменты, нейропептиды и т.д. [Mejía- Toiber et al., 2011]. Экспрессия этих веществ в мозге реципиента помогает выживанию и развитию недостающих клеточных элементов. Например, НСК, полученные из костного мозга, со встроенным геном фермента тирозингидроксилазы, при трансплантации в мозг животных с экспериментальной болезнью Паркинсона способствовали росту дофаминергических нейронов и предохраняли их от повреждения, что вело к улучшению поведенческих эффектов [Zou et al., 2010]. Индуцированные стволовые клетки из соматических клеток взрослых доноров В последние годы было сделано революционное открытие в области стволовых клеток, авторы которого, Синъя Яманака и Джон Гердон, стали Нобелевскими лауреатами 2012 года. Соматические клетки (например, из кожи) с помощью четырех транскрипционных факторов (Oct4, Sox2, Klf4 и c-Myc) научились перепрограммировать (индуцировать) в плюрипотентные клетки, подобные ЭСК (индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, ИПСК), которые можно культивировать. Такие клетки могут при определенном составе культуральной среды становиться региональными стволовыми клетками, в том числе и НСК. Есть надежда, что индуцированные НСК, полученные репрограммированием собственных соматических клеток реципиента, будут давать лучший терапевтический эффект при их нейротрансплантации, чем клетки с нейрогенным потенциалом из мультипотентных мезенхимальных источников [Chen et al., 2011; Gao et al., 2012; Imamura, Inoue, 2012]. Можно предположить, что этот эффект будет сопоставим с действием на поврежденную ЦНС НСК из эмбрионального мозга. Благодаря этому открытию можно будет полностью отказаться от использования эмбрионального донорского материала, что позволит наконец избежать этических проблем, 16 сопровождающих нейротрансплантологию во все периоды ее развития. Важно также и то, что метод наращивания ИПСК из соматических клеток людей, больных разными, в том числе и нейродегенеративными, заболеваниями, с последующим превращением их в НСК поможет смоделировать эти заболевания в клеточных культурах. Это позволит в экспериментах in vitro искать возможности для лечения таких болезней [Inoue, 2010]. Одна из последних разработок в этой области заключается в том, что после характеристики развития клеток, полученных из плюрипотентных стволовых клеток у больных особей, предлагается репрограммировать эти клетки в ИПСК, в которых не будет болезненного фенотипа, т.е. будут стерты ДНК-метилированные маркеры, связанные с этой болезнью. Дальнейшее программирование таких репрограммированных ИПСК в нормальные соматические клетки позволит использовать их в терапевтических целях [Hewitt, Garlick, 2012].В настоящее время в Израиле ведется работа по получению индуцированных полипотентных стволовых клеток из кожи и волос людей, больных различными нейродегенеративными болезнями, с целью моделирования этих заболеваний в культуре (клиническое испытание NCT00874783). Исследования с ИПСК в нейротрансплантологии только начинаются, предстоит огромная работа по подбору адекватных условий для наращивания необходимых пулов клеток при лечении конкретных заболеваний ЦНС. Есть данные о том, что ИПСК обладают эпигенетической памятью об источнике, из которого они произошли [Kim K. et al., 2010]. Например, ИПСК из разных источников (фибробластов, гемопоэтических клеток, миогенных клеток) обладают разными эпигенетическими и транскрипционными свойствами, которые выражены в большей степени в течение начальных пассажей в культуре. В дальнейших пассажах эта разница нивелируется. В связи с наличием эпигенетической памяти у ИПСК большая проблема заключается в том, чтобы получить из ИПСК функционально-активные НСК/прогениторы и клетки узкоспециализированной дифференцировки, например дофаминергические, которые нужны для лечения болезни Паркинсона. Задача преодолеть это препятствие очень актуальна для лечения нейродегенеративных заболеваний генетической природы. Работы по стиранию эпигенетической памяти у ИПСК, в которых предлагаются разные стратегии, активно ведутся (Polo et al., 2010; Martinez-Fernandez et al., 2011). Предложен новый источник ИПСК – клетки из волосяных фолликул. Эти клетки происходят из нервного гребня, клетки которого образуют разнообразные типы нервных клеток, что, по мнению авторов, может быть важно для потенциальной эпигенетической памяти. Из таких клеток получены нейральные прогениторы, развивающиеся нейроны среднего мозга и функционально- активные дофаминергические нейроны, которые могут быть использованы для лечения 17 широкого спектра нейродегенеративных расстройств. Преимущество клеток волосяных фолликул заключается в том, что их, в отличие от соматических клеток из других тканевых источников, можно получать неинвазивным путем [Petit et al., 2012]. К сожалению, существует опасность, что нейротрансплантация НСК, полученных из ИПСК, так же как и трансплантация НСК из ЭСК, может повлечь за собой опухолевые процессы в мозге, так как не исключено одновременно с НСК попадание в мозг небольшого количества ИПСК. Кроме того, индуцированные НСК не могут самообновляться в культуре [Ring et al., 2012]. |