Введение

Предшественники нейронов и глиа в период эмбрионального развития Нейронные стволовые клетки (НСК) являются самовосстанавливающимися, мультипотентными клетками, которые в первую очередь генерируют радиальные глиальные прародительские клетки, которые генерируют нейроны и глиа нервной системы всех животных в период эмбрионального развития. Некоторые стволовые клетки нейронных прародителей сохраняются в очень ограниченных областях мозга взрослых позвоночных и продолжают вырабатывать нейроны на протяжении всей жизни. Различия в размерах центральной нервной системы являются одними из самых важных различий между видами, и, таким образом, мутации в генах, которые регулируют размер отсека нервных стволовых клеток, являются одними из самых важных факторов эволюции позвоночных. Стволовые клетки характеризуются способностью дифференцироваться на несколько типов клеток. Они проходят симметричное или асимметричное деление клеток на две дочерние клетки. При симметричном делении клеток обе дочерние клетки также являются стволовыми клетками. При асимметричном делении стволовая клетка производит одну стволовую и одну специализированную клетку. НСК в основном дифференцируются на нейроны, астроциты и олигодендроциты.

Местонахождение мозга

В мозге взрослых млекопитающих сообщалось, что субгранулярная зона в гиппокампальной зубчатой извилине, субвентрикулярная зона вокруг боковых желудочков и гипоталамус (точнее в спинной α1, α2 области и "гипоталамусной пролиферативной области", расположенной в смежном среднем выпуклости) содержат нейронные стволовые клетки.

По происхождению in vivo

Существует два основных типа стволовых клеток: взрослые стволовые клетки, которые ограничены в способности к дифференцировке, и эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые являются плюрипотентными и обладают способностью дифференцироваться в любой тип клеток. Нейроны генерируются в большом количестве (RGP) в течение определенного периода эмбрионального развития в процессе нейрогенеза и продолжают генерироваться во взрослой жизни в ограниченных областях взрослого мозга. Взрослые НСК дифференцируются в новые нейроны в пределах взрослой субвентрикулярной зоны (СВЗ), остатка зародышевого зародышевого нейроэпителия, а также зубчатого гируса гиппокампа.

Старение

Пролиферация стволовых клеток нейронов снижается вследствие старения. Для борьбы с этим возрастным спадом предпринимаются различные подходы. Поскольку белки FOX регулируют гомеостаз нервных стволовых клеток, белки FOX используются для защиты нервных стволовых клеток путем ингибирования передачи сигналов Wnt.

Функция

Эпидермальный фактор роста (EGF) и фактор роста фибробластов (FGF) являются митогенами, которые способствуют росту нейронных прогенеров и стволовых клеток in vitro, хотя для оптимального роста также необходимы другие факторы, синтезируемые нейронными прогенерами и популяциями стволовых клеток. Предполагается, что нейрогенез в мозге взрослого человека происходит от НСК. Происхождение и идентичность НСК в мозге взрослого человека еще предстоит определить.

Во время дифференциации

Наиболее широко принятой моделью взрослого НСК является радиальная, глиальная фибриллярно-кислотная белковая положительная клетка. Тип B - это типовые стволовые клетки, которые способны оставаться в состоянии покоя благодаря возобновляемой ткани, обеспечиваемой специфическими нишами, состоящими из кровеносных сосудов, астроцитов, микроглии, эпендимальных клеток и внеклеточного матрикса, присутствующих в мозге. Эти ниши обеспечивают питание, структурную поддержку и защиту стволовых клеток, пока они не активируются внешними стимулами. После активации клетки типа В развиваются в клетки типа С, активные пролиферационные промежуточные клетки, которые затем делятся на нейробласты, состоящие из клеток типа А. Недифференцированные нейробласты образуют цепи, которые мигрируют и развиваются в зрелые нейроны. В обонятельном колбе они созревают в ГАМК-ергические гранулевые нейроны, в то время как в гиппокампе они созревают в зубчатые гранулевые клетки.

Эпигенетическая модификация

Эпигенетические модификации являются важными регуляторами экспрессии генов при дифференцировке нейронных стволовых клеток. Ключевые эпигенетические модификации включают метилирование цитозина ДНК для образования 5-метилцитозина и 5-метилцитозина деметилирования. Эти типы модификаций имеют решающее значение для определения судьбы клеток в развивающемся и взрослом мозге млекопитающих. Метилирование цитозина ДНК каталитируется метилтрансферазами ДНК (DNMTs). Деметилирование метилцитозина каталитируется в нескольких отдельных этапах ферментами TET, которые осуществляют окислительные реакции (например, 5 метилцитозина на 5 гидроксиметилцитозина) и ферментами пути исправления основания ДНК (BER). Используя лазерное повреждение корковых слоев, Магавави показал, что SVZ-нейронные прародители, экспрессирующие Даблкортин, критическую молекулу для миграции нейробластов, мигрировали на большие расстояния до области повреждения и дифференцировались в зрелые нейроны, экспрессирующие маркер NeuN. Кроме того, группа Масато Накафуку из Японии впервые показала роль стволовых клеток гиппокампа при инсульте у мышей. Эти результаты показали, что НСК могут участвовать в мозге взрослого человека в результате травмы. Кроме того, в 2004 году группа Эвана Й. Снайдера показала, что НСК мигрируют к опухолям головного мозга направленным образом. Джейме Имитола, доктор медицины и его коллеги из Гарварда впервые продемонстрировали молекулярный механизм реакции НСК на травму. Они показали, что химикины, выделяемые во время травмы, такие как SDF 1a, отвечают за направленную миграцию НСК человека и мыши в области травмы у мышей. С тех пор было обнаружено, что другие молекулы участвуют в реакции НСК на травму. Все эти результаты были широко воспроизведены и расширены другими исследователями, присоединившимися к классической работе Ричарда Л. Сидмана в авторадиографии для визуализации нейрогенеза во время развития и нейрогенеза у взрослых Джозефа Альтмана в 1960-х годах, как доказательство реакций взрослых НСК и нейрогенеза во время гомеостаза и травмы. Поиск дополнительных механизмов, которые действуют в среде травмы и как они влияют на реакцию НСК во время острых и хронических заболеваний, является предметом интенсивных исследований.

Регенеративная терапия ЦНС

Смерть клеток является характерной чертой острых нарушений ЦНС, а также нейродегенеративных заболеваний. Потеря клеток усиливается отсутствием регенеративных способностей к замене и восстановлению клеток в ЦНС. Один из способов обойти это - использовать терапию замены клеток с помощью регенеративных НСК. НСК могут культивироваться in vitro в виде нейросфер. Эти нейросферы состоят из нейронных стволовых клеток и прародителей (NSPC) с факторами роста, такими как EGF и FGF. Отсутствие этих факторов роста активирует дифференциацию в нейроны, астроциты или олигодендроциты, которые могут быть пересажены в мозг в месте травмы. Преимущества этого терапевтического подхода были исследованы при болезни Паркинсона, болезни Хантингтона и рассеянном склерозе. NSPC индуцируют восстановление нервной системы посредством внутренних свойств нейропротекции и иммуномодуляции. Некоторые возможные способы трансплантации включают внутримозговую трансплантацию и ксенотрансплантацию. Для нейродегенеративных заболеваний, другой трансплантационной терапии, возникающей в исследованиях, является направленная индукция нейронных стволовых клеток. Прямая трансплантация НКС ограничена и сталкивается с проблемами из-за низкой выживаемости и иррациональной дифференциации. Чтобы преодолеть эти ограничения, прямой индукцией НКС направлена манипулирование дифференциацией НКС до трансплантации. В настоящее время НСК получают из первичных тканей ЦНС, дифференцировкой плюрипотентных стволовых клеток (ПСК) и трансдифференцировкой соматических клеток. Вызванные NCS могут быть перепрограммированы из соматических клеток. Таким образом, направленная индукция берет НСК из разных источников и заставляет их дифференцироваться в желаемые клетки нейронной линии. Примером терапевтического использования этого метода является целенаправленная дифференциация вентральных дофаминергических (DAergenic) нейронов среднего мозга в различные модели болезни Паркинсона. Альтернативным терапевтическим подходом к трансплантации NSPC является фармакологическая активация эндогенных NSPC (eNSPC). Активированные eNSPCs производят нейротрофические факторы, несколько методов лечения, которые активируют путь, который включает фосфорилирование STAT3 на серинных остатках и последующее повышение экспрессии Hes3 (STAT3 Ser/Hes3 Signaling Axis) противодействуют гибели нейронов и прогрессированию заболевания в моделях неврологических расстройств.

Создание 3D-моделей ЦНС человека in vitro

Полученные из среднего мозга человека нейронные прародительские клетки (hmNPC) обладают способностью дифференцировать несколько линий нейронных клеток, которые приводят к нейросферам, а также к нескольким нейронным фенотипам. hmNPC может быть использован для разработки 3D-модели ЦНС человека in vitro. Существует два способа культивирования hmNPC, прилепленный монослой и системы культивирования нейросферы. Система культивирования нейросферы ранее использовалась для изоляции и расширения стволовых клеток ЦНС благодаря ее способности агрегировать и пролиферировать hmNPC в условиях свободной среды в сыворотке, а также при наличии фактора эпидермального роста (EGF) и фактора роста фибробластов 2 (FGF2). Первоначально hmNPCs были изолированы и расширены до выполнения 2D дифференцировки, которая была использована для получения одноклеточной суспензии. Эта одноклеточная суспензия помогла достичь однородной трехмерной структуры с однородным размером агрегата. 3D-агрегация сформировала нейросферы, которые были использованы для формирования 3D-модели ЦНС in vitro.

Биоактивные лечебные леса для травматических повреждений головного мозга

Травматическая травма головного мозга (ТМТ) может деформировать ткань мозга, что приводит к первичному повреждению некроза, которое затем может каскадно активировать вторичное повреждение, такое как экзитотоксичность, воспаление, ишемия и разрушение гематоэнцефалического барьера. Повреждение может обостриться и в конечном итоге привести к апоптозу или гибели клеток. Текущие методы лечения направлены на предотвращение дальнейшего повреждения путем стабилизации кровотечения, снижения внутричерепного давления и воспаления, а также ингибирования проапоптотических каскадов. Для восстановления повреждений ТТП, предстоящий терапевтический вариант включает использование НСК, полученных из перивентрикулярной области эмбриона. Стволовые клетки можно культивировать в благоприятной трехмерной, низко цитотоксической среде, гидрогеле, что увеличит выживаемость NSC при инъекции пациентам с ТБО. Внутримозговое введение, примус НСК были замечены, чтобы мигрировать в поврежденной ткани и дифференцироваться в олигодендроциты или нейронные клетки, которые секретировали нейропротекторные факторы.

Галектин-1 в нейронных стволовых клетках

Галектин 1 экспрессируется в взрослых НСК и, как было показано, играет физиологическую роль в лечении неврологических расстройств на животных моделях. Существует два подхода к использованию НСК в качестве терапевтического лечения: (1) стимулировать внутренние НСК для стимулирования пролиферации для замены поврежденной ткани и (2) трансплантировать НСК в поврежденную область мозга, чтобы позволить НСК восстановить ткань. Для заражения гельктином 1 человеческих НСК (hNSC) использовались векторы лентивируса, которые позже трансплантировались в поврежденную ткань. hGal 1 hNSCs вызвали лучшее и более быстрое восстановление поврежденной ткани мозга, а также уменьшение двигательных и сенсорных дефицитов по сравнению с трансплантацией только hNSC. Общее количество этих прогенеров определяет размер нейросферы, и, как следствие, различия в размерах сфер в разных популяциях нейросферы могут отражать изменения в пролиферации, выживании и/или дифференцированном статусе их нейронных прогенеров. Действительно, сообщалось, что потеря β1-интегрина в нейросферной культуре не оказывает существенного влияния на способность стволовых клеток, не имеющих β1-интегрина, образовывать новые нейросферы, но она влияет на размер нейросферы: нейросферы, не имеющие β1-интегрина, в целом были меньше из-за увеличения гибели клеток и снижения пролиферации. В то время как анализ нейросферы был методом выбора для изоляции, расширения и даже перечисления стволовых и прародительских клеток нейронов, несколько недавних публикаций выделили некоторые ограничения системы культуры нейросферы в качестве метода определения частот стволовых клеток нейронов. В сотрудничестве с Рейнольдсом STEMCELL Technologies разработала анализ на основе коллагена, называемый анализ клеток, образующих нейронные колонии (NCFC), для количественной оценки нейронных стволовых клеток. Важно отметить, что этот анализ позволяет различать нервные стволовые и прародительские клетки.

История

Первые доказательства того, что нейрогенез происходит в определенных областях мозга взрослых млекопитающих, были получены в результате исследований маркировки тимидином [3H], проведенных Альтманом и Дасом в 1965 году, которые показали послеродовой нейрогенез гиппокампа у молодых крыс. В 1989 году Салли Темпл описала многопотентные, самовосстанавливающиеся прогениторные и стволовые клетки в субвентрикулярной зоне (СВЗ) мозга мыши. В 1992 году Брент Рейнольдс и Сэмюэл Вайс первыми изолировали нейронные прогениторные и стволовые клетки из взрослой полосатой ткани, включая SVZ - одну из нейрогенных областей - ткани мозга взрослых мышей. В том же году команда Констанс Сепко и Эвана Й. Снайдера первыми изолировали мультипотентные клетки из мозжечка мыши и стабильно трансфицировали их онкогеном v myc. Эта молекула является одним из генов, широко используемых сейчас для перепрограммирования взрослых не-стамовых клеток в плюрипотентные стволовые клетки. С тех пор нейронные прогенитаторы и стволовые клетки были изолированы из различных областей центральной нервной системы взрослого человека, включая ненейрогенные области, такие как спинной мозг, и из различных видов, включая человека.