Нервная стволовая клетка - Neural stem cell

Нервная стволовая клетка
Нервные стволовые клетки-предшественники взрослой обонятельной луковицы .tif
Нервные клетки-предшественники (зеленые) в обонятельной луковице крысы
Подробности
Система Нервная система
Идентификаторы
латинский Нервная клетка прекурсория
MeSH D058953
TH H2.00.01.0.00010
FMA 86684
Анатомические термины микроанатомии

Нервные стволовые клетки ( NSCs ) являются самообновлению, мультипотентную клетки , которые в первую очередь генерируют радиальные глиальные клетки - предшественников , которые генерируют нейроны и глиальные клетки в нервной системе всех животных во время эмбрионального развития . Некоторые стволовые клетки-предшественники нейронов сохраняются в сильно ограниченных областях мозга взрослых позвоночных и продолжают продуцировать нейроны на протяжении всей жизни. Различия в размере центральной нервной системы являются одними из наиболее важных различий между видами, и, таким образом, мутации в генах, которые регулируют размер компартмента нервных стволовых клеток, являются одними из наиболее важных факторов эволюции позвоночных.

Стволовые клетки характеризуются своей способностью дифференцироваться на несколько типов клеток. Они подвергаются симметричному или асимметричному делению клетки на две дочерние клетки. При симметричном делении клеток обе дочерние клетки также являются стволовыми. При асимметричном делении стволовая клетка производит одну стволовую клетку и одну специализированную клетку. НСК в первую очередь дифференцируются на нейроны , астроциты и олигодендроциты .

Расположение мозга

В мозге взрослого млекопитающего субгранулярная зона в зубчатой ​​извилине гиппокампа, субвентрикулярная зона вокруг боковых желудочков и гипоталамус (именно в дорсальной области α1, α2 и «пролиферативной области гипоталамуса», расположенной в прилегающем срединном возвышении) сообщалось, что они содержат нервные стволовые клетки.

Разработка

Происхождение in vivo

Нервные стволовые клетки, дифференцирующиеся в астроциты (зеленый), и участки рецептора гормона роста показаны красным

Существует два основных типа стволовых клеток: взрослые стволовые клетки , которые ограничены в своей способности к дифференцировке , и эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые являются плюрипотентными и способны дифференцироваться в клетки любого типа.

Нейронные стволовые клетки более специализированы , чем ESCs , потому что они только генерировать радиальные глиальные клетки , которые приводят к нейронах и в глии в центральной нервной системе (ЦНС). Во время эмбрионального развития позвоночных NSC переходят в радиальные глиальные клетки (RGC), также известные как радиальные глиальные клетки-предшественники (RGP), и находятся в переходной зоне, называемой желудочковой зоной (VZ). Нейроны в больших количествах генерируются (RGP) в течение определенного периода эмбрионального развития в процессе нейрогенеза и продолжают генерироваться во взрослой жизни в ограниченных областях взрослого мозга. Взрослый NSCs дифференцироваться в новые нейроны в пределах взрослой зоны субвентрикулярной (SVZ), остаток эмбриональной зародышевой нейроэпителии , а также зубчатой извилины в гиппокампе .

Происхождение in vitro

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 с образованием указанных нейронов, глиальных клеток и олигодендроцитов. В предыдущих исследованиях культивированные нейросферы были трансплантированы в мозг новорожденных мышей с иммунодефицитом и показали приживление, пролиферацию и нейронную дифференцировку.

Связь и миграция

НСК стимулируются к началу дифференцировки с помощью экзогенных сигналов из микроокружения или ниши стволовых клеток. Некоторые нервные клетки мигрируют из SVZ вдоль рострального миграционного потока, который при стимуляции содержит костноподобную структуру с эпендимными клетками и астроцитами. Эпендимные клетки и астроциты образуют глиальные трубки, используемые мигрирующими нейробластами . Астроциты в трубках обеспечивают поддержку мигрирующим клеткам, а также изоляцию от электрических и химических сигналов, исходящих от окружающих клеток. Астроциты являются первичными предшественниками быстрой амплификации клеток. Нейробласты образуют плотные цепи и мигрируют к указанному месту повреждения клетки, чтобы восстановить или заменить нервные клетки. Одним из примеров является нейробласт, мигрирующий к обонятельной луковице, чтобы дифференцироваться в перигломеркулярные или гранулярные нейроны, которые имеют паттерн радиальной миграции, а не тангенциальный.

Старение

Пролиферация нервных стволовых клеток снижается вследствие старения . Были приняты различные подходы к противодействию этому возрастному снижению. Поскольку белки FOX регулируют гомеостаз нервных стволовых клеток , белки FOX используются для защиты нервных стволовых клеток путем ингибирования передачи сигналов Wnt .

Функция

Фактор эпидермального роста (EGF) и фактор роста фибробластов (FGF) являются митогенами, которые способствуют росту нейральных предшественников и стволовых клеток in vitro , хотя для оптимального роста также необходимы другие факторы, синтезируемые популяциями нейральных предшественников и стволовых клеток. Предполагается, что нейрогенез во взрослом мозге происходит от NSC. Происхождение и идентичность NSC во взрослом мозге еще предстоит определить.

Во время дифференциации

Наиболее широко принятая модель взрослого НСК - это радиальная глиальная фибриллярная кислотная протеин- положительная клетка. Покоящиеся стволовые клетки относятся к типу B, которые способны оставаться в состоянии покоя благодаря возобновляемой ткани, обеспечиваемой специфическими нишами, состоящими из кровеносных сосудов, астроцитов, микроглии , эпендимных клеток и внеклеточного матрикса, присутствующих в головном 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, активные 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 нейроны ГАМКергических гранул, тогда как в гиппокампе они созревают в зубчатые гранулярные клетки.

Эпигенетическая модификация

Эпигенетические модификации являются важными регуляторами экспрессии генов в дифференцирующихся нервных стволовых клетках . Ключевые эпигенетические модификации включают метилирование цитозина ДНК с образованием 5-метилцитозина и деметилирование 5-метилцитозина . Эти типы модификаций имеют решающее значение для определения судьбы клеток в мозге развивающихся и взрослых млекопитающих.

Метилирование цитозина ДНК катализируется ДНК-метилтрансферазами (DNMT) . Деметилирование метилцитозина катализируется в несколько отдельных этапов ферментами TET, которые осуществляют окислительные реакции (например, 5-метилцитозин до 5-гидроксиметилцитозина ), и ферментами пути эксцизионной репарации оснований ДНК (BER).

Во время болезни

НСК играют важную роль во время развития, 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 снабжению нейронов обонятельной луковице у мышей.

Примечательно, что роль НСК при заболеваниях в настоящее время выясняется несколькими исследовательскими группами по всему миру. Ответы во время инсульта , рассеянного склероза и болезни Паркинсона у животных и людей являются частью текущего исследования. Результаты этого продолжающегося исследования могут найти применение в будущем для лечения неврологических заболеваний человека.

В классических экспериментах, проведенных Санджаем Магави и Джеффри Маклисом , было показано, что нервные стволовые клетки участвуют в миграции и замене умирающих нейронов . Используя индуцированное лазером 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. Эти результаты продемонстрировали, что НСК могут вовлекаться в мозг взрослого человека в результате травмы. Более того, в 2004 году группа Эвана Снайдера показала, что НСК направленно мигрируют в опухоли головного мозга. Хайме Имитола , доктор медицины, и его коллеги из Гарварда впервые продемонстрировали молекулярный механизм реакции НСК на повреждение. Они показали, что хемокины, высвобождаемые во время повреждения, такие как SDF-1a, ответственны за направленную миграцию NSC человека и мыши в области повреждения у мышей. С тех пор было обнаружено, что в ответах НСК на повреждение участвуют и другие молекулы. 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 Джозефом Альтманом в 1960-х годах в качестве доказательства реакции взрослых НСК на активность. и нейрогенез во время гомеостаза и травмы.

Поиск дополнительных механизмов, которые действуют в условиях травмы, и того, как они влияют на реакцию НСК во время острых и хронических заболеваний, является предметом интенсивных исследований.

Исследовать

Регенеративная терапия ЦНС

Гибель клеток характерна как для острых расстройств ЦНС, так и для нейродегенеративных заболеваний. Потеря клеток усиливается отсутствием регенеративных способностей к замене и восстановлению клеток в ЦНС. Один из способов обойти это - использовать заместительную клеточную терапию с помощью регенеративных НСК. НСК можно культивировать in vitro как нейросферы. Эти нейросферы состоят из нервных стволовых клеток и клеток-предшественников (NSPC) с такими факторами роста, как EGF и FGF. Удаление этих факторов роста активирует дифференцировку в нейроны, астроциты или олигодендроциты, которые могут быть трансплантированы в мозг в месте повреждения. Преимущества такого терапевтического подхода были рассмотрены в болезни Паркинсона , болезни Хантингтона , и рассеянный склероз . NSPCs индуцируют восстановление нейронов благодаря внутренним свойствам нейрозащиты и иммуномодуляции . Некоторые возможные пути трансплантации включают внутримозговую трансплантацию и ксенотрансплантацию .

Альтернативным терапевтическим подходом к трансплантации NSPC является фармакологическая активация эндогенных NSPC (eNSPC). Активированные eNSPC продуцируют нейротрофические факторы, несколько методов лечения, которые активируют путь, который включает фосфорилирование STAT3 по остатку серина и последующее повышение экспрессии Hes3 ( сигнальная ось STAT3-Ser / Hes3 ), препятствуют гибели нейронов и прогрессированию заболевания в моделях неврологического расстройства.

Создание 3D- моделей ЦНС человека in vitro

Человек среднего мозга -derived нервные клетки - предшественники (hmNPCs) обладают способностью дифференцироваться вниз несколько родословных нервных клеток , которые приводят к нейросферах, а также нескольких нервных фенотипов. HmNPC можно использовать для разработки трехмерной модели ЦНС человека in vitro . Есть два способа культивирования hmNPCs: адгезивный монослой и системы культивирования нейросферы. Система культивирования нейросферы ранее использовалась для выделения и размножения стволовых клеток ЦНС благодаря ее способности агрегировать и пролиферировать hmNPC в условиях бессывороточной среды, а также при наличии эпидермального фактора роста (EGF) и фактора роста фибробластов-2 (FGF2). ). Первоначально hmNPC были изолированы и размножены перед выполнением 2D-дифференцировки, которую использовали для получения суспензии отдельных клеток . Эта одноклеточная суспензия помогла получить однородную трехмерную структуру с однородным размером агрегатов. Трехмерная агрегация сформировала нейросферы, которые использовались для создания трехмерной модели ЦНС in vitro .

Биоактивные скаффолды как лечение черепно-мозговой травмы

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) может деформировать ткань мозга, приводя к первичному некрозу, который затем может каскадировать и активировать вторичные повреждения, такие как эксайтотоксичность , воспаление , ишемия и нарушение гематоэнцефалического барьера . Повреждение может возрасти и в конечном итоге привести к апоптозу или гибели клеток. Современные методы лечения направлены на предотвращение дальнейшего повреждения путем стабилизации кровотечения, снижения внутричерепного давления и воспаления, а также ингибирования проапоптотических каскадов. Для того , чтобы повреждения ремонт TBI, наступающий терапевтический вариант предполагает использование NSC , полученный из эмбриональной пери- желудочковой области. Стволовые клетки можно культивировать в благоприятной трехмерной среде с низкой цитотоксичностью - гидрогеле , который увеличивает выживаемость НСК при введении пациентам с ЧМТ. Было замечено, что интрацеребрально введенные примированные НСК мигрируют в поврежденную ткань и дифференцируются в олигодендроциты или нейрональные клетки, которые секретируют нейропротективные факторы.

Галектин-1 в нервных стволовых клетках

Галектин-1 экспрессируется во взрослых НСК и, как было показано, играет физиологическую роль в лечении неврологических расстройств на животных моделях. Существует два подхода к использованию NSC в качестве терапевтического лечения: (1) стимулировать внутренние NSC для ускорения пролиферации с целью замещения поврежденной ткани и (2) трансплантировать NSC в поврежденную область мозга, чтобы позволить NSC восстановить ткань. Лентивирусные векторы использовали для заражения человеческих NSC (hNSC) галектином-1, которые позже трансплантировали в поврежденную ткань. HGal-1-hNSCs индуцировали лучшее и более быстрое восстановление мозга поврежденной ткани, а также снижение моторного и сенсорного дефицита по сравнению с трансплантацией только hNSC.

Анализы

Нервные стволовые клетки обычно изучаются in vitro с использованием метода, называемого Neurosphere Assay (или системы культивирования Neurosphere), который впервые был разработан Рейнольдсом и Вайссом. Нейросферы по своей сути являются гетерогенными клеточными образованиями, почти полностью образованными небольшой фракцией (от 1 до 5%) медленно делящихся нервных стволовых клеток и их потомством, популяцией быстро делящихся нестин- положительных клеток-предшественников. Общее количество этих предшественников определяет размер нейросферы, и, как следствие, различия в размерах сфер в разных популяциях нейросферы могут отражать изменения в статусе пролиферации, выживаемости и / или дифференциации их нейрональных предшественников. Действительно, сообщалось, что потеря β1- интегрина в культуре нейросфер существенно не влияет на способность стволовых клеток с дефицитом β1-интегрина образовывать новые нейросферы, но влияет на размер нейросферы: нейросферы с дефицитом β1-интегрина были в целом меньше из-за повышенной гибели клеток и снижения пролиферации.

Хотя анализ нейросферы был предпочтительным методом для выделения, размножения и даже подсчета нервных стволовых клеток и клеток-предшественников, в нескольких недавних публикациях были подчеркнуты некоторые ограничения системы культивирования нейросферы как метода определения частот нервных стволовых клеток. В сотрудничестве с Рейнольдсом компания STEMCELL Technologies разработала анализ на основе коллагена , называемый анализом нейронных колониеобразующих клеток (NCFC), для количественной оценки нервных стволовых клеток. Важно отметить, что этот анализ позволяет различать нервные стволовые клетки и клетки-предшественники.

История

Первое свидетельство того, что нейрогенез происходит в определенных областях мозга взрослых млекопитающих, было получено в исследованиях по мечению [3H] -тимидином, проведенных Альтманом и Дасом в 1965 году, которые показали постнатальный нейрогенез гиппокампа у молодых крыс. В 1989 году Салли Темпл описала мультипотентные самообновляющиеся клетки-предшественники и стволовые клетки в субвентрикулярной зоне (SVZ) мозга мыши. В 1992 году Брент А. Рейнольдс и Сэмюэл Вайс первыми выделили нейральные предшественники и стволовые клетки из ткани полосатого тела взрослого человека , включая SVZ - одну из нейрогенных областей - ткани мозга взрослых мышей. В том же году команда Констанс Чепко и Эван Ю. Снайдер была первой, кто выделил мультипотентные клетки из мозжечка мыши и стабильно трансфицировал их онкогеном v-myc . Эта молекула является одним из генов, широко используемых в настоящее время для репрограммирования взрослых не стволовых клеток в плюрипотентные стволовые клетки. С тех пор нейрогенные клетки-предшественники и стволовые клетки были выделены из различных областей центральной нервной системы взрослого человека, включая ненейрогенные области, такие как спинной мозг , и от различных видов, включая человека.

Смотрите также

использованная литература

  • Джаганатан, Арун; Тивари, Мина; Фансекар, Рахул; Панта, Раджкумар; Huilgol, Nagraj (2011). «Радиация с модуляцией интенсивности для сохранения нервных стволовых клеток в опухолях головного мозга: вычислительная платформа для оценки физических и биологических показателей дозы» . Журнал исследований рака и терапии . 7 (1): 58–63. DOI : 10.4103 / 0973-1482.80463 . PMID  21546744 .

внешние ссылки