1 обзор по теме возможности нейротрансплантации для улучшения качества и увеличения продолжительности жизни
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
Прямое репрограммирование соматических клеток в НСК и функционально-активные нейроны Буквально в последние два года ученые преодолели и это препятствие! Открыто прямое репрограммирование соматических клеток в НСК и функционально-активные нейроны, минуя стадию плюрипотентости, с помощью специфических для этих линий клеток транскрипционных факторов [Pang et al., 2011; Abdullah et al., 2012]. Так, учеными из США из фибробластов мыши и человека получены плюрипотентные НСК при добавлении в культуральную среду лишь одного фактора – Sox2. Такие НСК не отличаются от обычных НСК по морфологии, способности самообновляться и образовывать нейросферы в культуре, экспрессии характерных генов. Клонированные НСК были мультипотентны, так как дифференцировались в несколько типов нейронов, астроциты и олигодендроглиоциты. Имплантированные НСК выживали и интегрировались с мозгом мыши [Ring et al., 2012]. Исследователи из Германии тоже получали из фибробластов мыши НСК с помощью Sox2, Klf4 и c-Myc, но с ограничением активности Oct4 на ранней стадии репрограммирования. При этом возникали нейросфероподобные колонии, которые переживали 50 пассажей [Thier et al., 2012]. Другие немецкие исследователи для той же цели использовали следующие факторы: Brn4/Pou3f4, Sox2, Klf4, c-Myc и E47/Tcf3 [Han et al., 2012]. Кроме того, в Италии человеческие астроциты репрограммировали с помощью факторов OCT4, SOX2, и NANOG в НСК/прогениторы с последующим формированием нейронов и глиальных клеток [Corti et al., 2012]. А ученые из США репрограммировали мышиные фибробласты (минуя стадию НСК) в нейральные самообновляющиеся прекурсоры, которые с помощью специально подобранных комбинаций транскрипционных факторов способны дифференцироваться в нейроны и/или астроциты и/или олигодендроглиоциты [Lujan et al., 2012]. Частично репрограммированные фибробласты дают начало НСК, которые генерируют в большей степени глию, чем нейроны. В то же время НСК из ЭСК и ИПСК в 18 большей степени дифференцируются в нейроны [Matsui et al., 2012]. Более того, с помощью трех факторов (Mash1, Nurr1 и Lmx1) в Италии удалось получить из мышиных и человеческих фибробластов функционирующие дофаминергические нейроны, минуя стадию НСК/прогениторов [Caiazzo et al., 2011]. Авторам из США для репрограммирования фибробластов человека в дофаминергические нейроны понадобилось пять факторов (Mash1, Ngn2, Sox2, Nurr1, and Pitx3) [Liu et al., 2012]. При аллотрансплантации в мозг мышей с моделью болезни Паркинсона дофаминергических нейронов, репрограммированных напрямую из фибробластов, симптомы этого заболевания уменьшались [Kim J. et al., 2011]. Таким образом, наилучшие результаты дают НСК, полученные из фетальной ЦНС, которые можно наращивать в культуральных средах, что, конечно, не снимает полностью этические проблемы, но значительно уменьшает количество первичной нервной ткани для трансплантации. Трансплантация НСК, образованных из ЭСК и плюрипотентных стволовых клеток из других источников и которые можно очень долго наращивать в культуре, что еще в большей степени решает этические проблемы, может привести к образованию опухолей в мозге реципиента. Наработка ИПСК из соматических клеток полностью решает этические проблемы при нейротрансплантации, но не освобождает от проблемы образования опухолей. Наиболее прогрессивная технология на сегодняшний день – прямое репрограммирование соматических клеток в плюрипотентные нейральные стволовые/прогениторные клетки, дающие начало нейронам и глиальным элементам. Кроме того, появилась возможность репрограммировать соматические клетки напрямую в нейроны узкой специализации, в частности дофаминергические. Создание микросреды в культуре и в мозге реципиента, улучшающей возможности нейротрансплантации, и способы введения донорского материала. Кроме работы по поиску адекватного донорского материала, разрабатываются стратегии по созданию определенной микросреды (tissue engineering strategies) в культуре (in vitro) и в мозге реципиента (in vivo) для лучшей выживаемости донорских клеток [Stabenfeldt et al., 2011; Reekmans et al., 2012; Kim H. et al., 2012]. Это – добавление в культуральную среду и/или в мозг реципиента биологически-активных веществ (ростовых факторов, цитокинов); введение в мозг тканево-инженерных конструкций с молекулами, поддерживающими экстраклеточный матрикс (фибронектина, ламинина); введение в мозг фармакологически активных микроносителей; использование биоматериалов для лучшего 19 встраивания трансплантированных клеток в мозг; совместная трансплантация разных клеток и т.д. [Arien-Zakay et al., 2011; Tate, 2009; Delcroix et al., 2010; Kim H. et al., 2012]. Кроме того, разрабатываются новые иммунодепрессанты и стратегии безопасной для реципиента иммуносупрессии [Masri, 2003, Webber et al., 2011]. Используют разные способы введения донорского материала в мозг. Это внутримозговая нейротрансплантация – в паренхиму разных структур и в желудочки мозга, внутритекальная (в ликвор) трансплантация, внутривенозная и внутриартериальная трансплантация. Внутрисосудистая нейротрансплантация может быть использована при заболеваниях, при которых в значительной степени открыт гематоэнцефалический барьер, – сильные травмы головного и спинного мозга, инсульты и инфаркты мозга [Guzman et al., 2008]. При заболеваниях с недостатком конкретных веществ (болезни Паркинсона, Гентингтона, Альцгеймера) используется преимущественно внутримозговая трансплантация [Dunnett, Rosser, 2011]. Есть экспериментальные работы и по интраназальному введению стволовых клеток в мозг реципиента [Jiang et al., 2011]. Опыт применения нейротрансплантации в клинике для лечения заболеваний ЦНС Результаты экспериментов по нейротрансплантации фетальных тканей разного генеза в виде фрагментов и суспензий в мозг животных с различными нейродегенеративными расстройствами демонстрировали хорошие терапевтические эффекты. Поэтому уже в конце ХХ века в мире (Швеция, Российская Федерация, США, Мексика, Куба, Чехия, Великобритания, Франция) насчитывались сотни операций нейротрансплантации на людях, о которых сообщено в научной литературе [Отеллин, 1999, обзор]. Основные результаты были получены в 1990-е годы в значительной степени благодаря усилиям специалистов из разных стран в рамках международных программ [Угрюмов, 2001]. Нейрохирурги использовали этот метод для коррекции структурно- функциональных нарушений при лечении различных неврологических заболеваний (болезни Паркинсона, хорее Гентингтона, эпилепсии, шизофрении, детском церебральном параличе, тяжелой черепно-мозговой травме, травме спинного мозга, гипоксически- ишемической энцефалопатии, генетических заболеваниях мозга и других патологиях ЦНС). Эти результаты обобщены в литературных обзорах [Полежаев и др., 1993; Freed, Rosenstein, 1993; Отеллин, 1999, Угрюмов, 2001, Лосева, 2001]. Подавляющее число операций было выполнено по поводу паркинсонизма с использованием донорской нервной ткани фетусов человека [Угрюмов, 2001; Отеллин, 1999]. Кроме донорской фетальной ткани человека применяли даже фетальную ткань 20 свиней при трансплантации по поводу болезни Паркинсона и Гентингтона [Fink et al., 2000]. Операции эти, как правило, не вызывали существенных осложнений, часто приводили к улучшению состояния больных, но результаты их были не всегда однозначны. По мнению В.А. Отеллина, результаты использования нейротрансплантации в клинике не так впечатляли, как в экспериментальных работах. Складывалось представление, что потенции метода в клинических условиях реализуются в значительно меньшей мере, чем в эксперименте [Отеллин, 1999]. В те годы метод трансплантации использовался в клинике только в качестве испытаний. Широкого применения он не получил из-за неоднозначности последствий результатов операций нейротрансплантации на людях. Кроме того, использование фетальных тканей для трансплантации всегда вызывало множественные этические и технические проблемы. В частности, для только одной трансплантации по поводу болезни Паркинсона необходимо использовать нервную ткань от трех – пяти эмбрионов человека! После наступления эры стволовых клеток появилось множество экспериментальных работ по трансплантации НСК/прекурсоров с целью замещения поврежденных клеток и нейропротекции при различных нейродегенеративных заболеваниях, которые так же, как работы по нейротрансплантации тканей эмбрионального происхождения, показывают хорошие терапевтические эффекты [De Feo et al., 2012, и др.]. Практически в каждой работе исследователи приходят к выводу, что трансплантация стволовых клеток может быть потенциально использована в клинике, но только после тщательной экспериментальной проверки. Это связано с тем, что донорский материал, получаемый посредством культивирования стволовых клеток различного происхождения, еще не прошел достаточной проверки в экспериментах по трансплантации в мозг животных с моделями нейродегенеративных расстройств. Кроме того, его использование связано с этическими проблемами и риском возникновения опухолей. Подавляющее большинство экспериментов с НСК разного происхождения дают позитивные результаты при коррекции нейродегенеративных заболеваний у экспериментальных животных, но отмеченные выше их недостатки не позволяют широко внедрять метод в клинику. Хотя последние разработки с прямым репрограммированием соматических клеток в нейральные стволовые/прогениторные клетки или узкоспециализированные нейроны, при использовании которых не возникает этических проблем и не развиваются опухолевые процессы, позволяют надеяться на очень скорое их широкое клиническое применение для нейротрансплантации при лечении нейродегенеративных расстройств. 21 В период экспериментальных работ со стволовыми клетками, т.е. уже в нынешнем веке, тоже ведутся немногочисленные испытания на людях с применением нейротрансплантации НСК различного происхождения при лечении некоторых нейродегенеративных болезней. Как правило, для такой трансплантации используется человеческий донорский материал. Ниже приводятся данные о клинических испытаниях по использованию нейротрансплантации для лечения нейродегенеративных заболеваний из базы данных PubMed. Травмы головного и спинного мозга При черепно-мозговых травмах для трансплантации используют аутологичный клеточный материал, содержащий стволовые клетки, из костного мозга (NCT00254722, NCT01019733), жировой ткани (NCT01649700) и аллогенный материал из пуповинной крови (NCT01451528). При повреждениях спинного мозга главным образом используют аутологичную трансплантацию в область травмы мезенхимальных стволовых клеток из костного мозга. Есть работы, где при аналогичных травмах в качестве донорского материала применяют стволовые клетки из жировой ткани (NCT01624779), обкладочные клетки из обонятельного эпителия (NCT01231893) или стволовые клетки пуповинной крови (NCT01471613). Болезнь Паркинсона При лечении болезни Паркинсона используют аутологичную трансплантацию мультипотентных стволовых клеток из костного мозга в стриатум (NCT00976430). Введение таких клеток больным Паркинсонизмом осуществляют и внутривенно (NCT01446614). Есть работа, в которой для лечения болезни Паркинсона испытывают внутримозговую трансплантацию фетальных клеток свиньи (NCT00226460). Болезнь Альцгеймера В единственном испытании при болезни Альцгеймера используют внутривенное введение аллогенных мезенхимальных стволовых клеток из пуповинной крови (NCT01547689). Инсульты и инфаркты мозга При инсультах мозга используют главным образом аутологичную нейротрансплантацию стволовых клеток из костного мозга. Материал вводят или в 22 перифокальную зону (NCT01714167), или в вены (NCT00254722, NCT00875654, NCT01716481,) и артерии (NCT00473057, NCT01518231, NCT00473057). Также используют внутривенозную (NCT01389453) или внутримозговую (в перифокальную зону инфаркта) (NCT01673932) трансплантацию клеток из пуповинной крови. Есть испытание, где вводят культуру обкладочных клеток обонятельного эпителия в перифокальную зону (NCT01327768). Многие из этих работ выполняются в Китае. Следует отметить, что в Китае были выполнены масштабные (на 1255 людях) испытания нейротрансплантации обкладочных клеток обонятельного эпителия при лечении разных нейродегенеративных расстройств. По результатам этих испытаний авторы рекомендуют использовать этот источник для лечения хронических спинно-мозговых травм, церебрального паралича, латерального амиотрофического склероза и инсультах [Huang et al., 2009]. Постгипоксические расстройства Проводится одно испытание на детях с гипоксией и ишемией мозга, которым внутрь ликвора вводят аутологичные гемопоэтические стволовые клетки (NCT01019733). Эпилепсия Имеется единственное клиническое испытание внутриартериальной трансплантации аутологичных стволовых клеток из костного мозга больным с темпоральной лобной эпилепсией (NCT00916266) Другие заболевания (из базы данных PubMed) Есть испытания, связанные с лечением латерального амиотрофического склероза, заболевания, при котором поражаются двигательные нейроны во всей нервной системе, в результате чего происходит параличи с последующей атрофией мышц. Для нейротрансплантации используют НСК из спинного мозга, мезенхимальные мультипотентные стромальные клетки из костного мозга, в том числе и генно- модифицированные, мезенхимальные стволовые клетки из пуповинной крови. Некоторые испытания посвящены нейротрансплантации при рассеянном склерозе, заболевании, при котором разрушаются миелиновые оболочки. В этом случае также используют гемопоэтические и мезенхимальные клетки из костного мозга. Есть испытания, в которых нейротрансплантацию используют при ряде генетических расстройств, приводящих к нейродегенеративным процессам. В этих 23 случаях преимущественно используют аутологичную трансплантацию стволовых клеток из костного мозга и аллогенную трансплантацию клеток из пуповинной крови. Таким образом, как показывает анализ клинических испытаний при лечении нейродегенеративных расстройств в настоящее время, в качестве донорского материала главным образом используют либо аутологичные источники стволовых клеток (костный мозг, жировую ткань, обонятельный эпителий), либо аллогенную пуповинную кровь. При многих заболеваниях используют внутрисосудистую трансплантацию стволовых клеток. То есть в этих испытаниях практически не применяют клеточный материал, нейротрансплантация которого приводит к этическим проблемам и риску развития опухолей. Кроме того, часто используют малоинвазивный интравенозный или интраартериальный способ доставки клеток к месту повреждения мозга. Такой осторожный подход к клиническому использованию стволовых клеток для лечения нейродегенеративных расстройств на современном этапе обоснован, поскольку экспериментальные работы в этом направлении еще активно ведутся, и свидетельствует о высокой ответственности ученых и врачей. Перспективы нейротрансплантации в нейроинженерных подходах для увеличения продления жизни мозга В мире предпринимались попытки введения в организм гомогенатов эмбриональных тканей и эмбриональных стволовых клеток и с целью омоложения. Люди, которым проводили такую терапию, как правило, вели активный образ жизни и доживали до индивидуального преклонного (90 и более лет) возраста. Однако они в результате все равно умирали от тех или иных болезней, свойственных старости [Чернилевский, 2008]. К ним причисляют и ряд нейродегенеративных расстройств – болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, инфаркты и инсульты мозга. Именно профилактикой и лечением этих заболеваний с помощью НСК должна заниматься нейротрансплантология в будущем для продления активного долголетия. Однако терапия стволовыми клетками для достижения максимального индивидуального возраста тоже может иметь место, но получать стволовые клетки следует не из эмбрионов человека, а из соматических тканей, что позволяют уже ныне разработанные технологии. Из литературных и собственных данных следует, что при широком применении нейротрансплантации в клинике в будущем будет важно использовать адекватный донорский материал, применение которого лишено серьезных недостатков (опасности возникновения опухолей, этических проблем и эпигенетической памяти), и наименее болезненные методы его введения в мозг людей. Исходя из этого представляются 24 наиболее перспективными следующие направления и нейроинженерные подходы в нейротрансплантологии будущего. 1) Моделирование широкого спектра заболеваний ЦНС с помощью ИПСК из соматических клеток от больных людей, разработка оптимальных способов лекарственного лечения и/или клеточной терапии индивидуально для каждого больного. 2) После фенотипической характеристики НСК и/или зрелых клеток мозга, полученных из ИПСК у больных людей, репрограммирование этих клеток в ИПСК, в которых не будет болезненного фенотипа, т.е. будет стерта эпигенетическая память. Дальнейшее программирование таких репрограммированных ИПСК в нормальные соматические клетки и использование их для лечения тех или иных болезней. 3) Нейротрансплантация нейральных стволовых/прогениторных клеток или узкоспециализированных нервных и/или глиальных клеток, полученных прямым репрограммированием из соматических клеток (кожи, волос), для лечения различных нейродегенеративных заболеваний. Такая трансплантация может оказывать на мозг как нейротрофические эффекты, так и выполнять функцию заместительной клеточной терапии при потере нейрональных и глиальных элементов. 4) Развитие технологии производства генно-модифицированных НСК/прекурсоров (путем трансфекции в них генов необходимых веществ с помощью вирусных частиц) из соматических клеток с целью доставки к местам нейродегенерации определенных лекарственных средств белкового происхождения – ростовых факторов, ферментов, цитокинов и т.д. 5) Использование стволовых клеток из аллогенных соматических тканей от здоровых молодых людей для лечения генетических или связанных с недостатком определенных физиологически-активных веществ (например, нейромедиаторов) заболеваний. Такой подход может быть использован потому, что, видимо, все клетки организма, пораженного тем или иным генетическим или связанным с дефицитом определенных физиологически-активных веществ (например, нейромедиаторов) заболеванием, имеют характерные для этого заболевания фенотип. Трансплантация аутологичных стволовых клеток от больных такими болезнями может привести к формированию зрелых клеток с таким же болезненным фенотипом. 6) Разработка новых безопасных для реципиента иммунодепрессантов и стратегий иммуносупрессии. Аллогенный донорский материал можно обрабатывать антителами к антигенам гистосовместимости для предотвращения его отторжения в мозге реципиента. 25 7) Быстрое наращивание для каждого человека в культуре нейральных стволовых/прогениторных клеток из соматических клеток, взятых в молодом возрасте, для заместительной и нейротрофической терапии при неожиданных травмах и инсультах-инфарктах ЦНС. Хранение пула таких клеток, достаточного для экстренной нейротрансплантации, в банках культур, например в замороженном виде. 8) Использование при приобретенных заболеваниях (травмы головного и спинного мозга, инсульты и инфаркты мозга) аутологичного донорского материала – НСК из соматических клеток кожи, крови, волос, слизистой оболочки обонятельной системы, костного мозга и т.д. или аллогенного материала – стволовых клеток из пуповинной крови, амниотической жидкости или плаценты. 9) Периодическое введение в период нормального старения в ЦНС нейральных стволовых/прогениторных клеток и/или мезенхимальных стволовых клеток (внутрь сосудов и/или ликвора) с целью омоложения. К старости снижается нейрогенез в мозге, поэтому введение новых стволовых/прогениторных клеток в мозг может возместить эту потерю. Их введение одновременно с мезенхимальными стволовыми клетками, богатыми нейротрофическими факторами, может способствовать лучшему сохранению клеток мозга в пожилом возрасте и тем самым затормозить процесс старения. По-видимому, в этом случае нужно производить аллогенную трансплантацию от здоровых молодых реципиентов, поскольку к старости свойства аутологичных стволовых клеток могут быть в значительной мере утрачены. Если стволовые клетки будут культивированы и сохранены с молодости, то лучше всего использовать такой аутологичный материал, наращивая его в культуре. Таким образом, если будут развиваться эти направления и соблюдаться необходимые условия трансплантации в каждом конкретном случае, то есть надежда, что с помощью нейротрансплантологии будущего удастся улучшить как качество жизни многих людей, так и увеличить ее продолжительность. |