Нервные стволовые клетки при расстройствах двигательных клеток переднего рога спинного мозга

Боковой амиотрофический склероз (ALS) характеризуется прогрессирующей и необратимой дегенерацией двигательных нейронов в стволе мозга, коре головного мозга и спинном мозге, приводя к мышечной слабости, дисфункции и потере подвижности. ALS имеет распространенность приблизительно 1: 50000 и обычно приводит к смерти в течение 5 лет после установления диагноза (Кронин и др 2007.). Заболеваемость АЛС в основном спорадическая, в то время как 10% фенотипов заболевания семейные или наследственные (FALS). Примерно в 20% случаев FALS, мутации в гене супероксиддисмутазы (SOD1) были созданы для увеличения накопления SOD1 агрегатов, вызывающих токсичность по отношению к моторным нейронам через ряд различных механизмов (Rosen et al. 1993; Shaw and Valentine 2007). В то время как исследования в этой области являются весьма перспективным, мутация SOD1 не несет ответственности за спорадическое ALS, которое происходит в больший процент населения (Линдваль и др. 2012). В любом случае, прогрессирование фенотипа заболевания является спорным; однако, другие патологические механизмы включают в себя дисфункцию митохондрий, активацию апоптоза путей, микроглии и астроцитов и дефектов в гомеостазе кальция (Boillee et al. 2006; von Lewinski and Keller 2005).

Спинальная мышечная атрофия (SMA) - еще один дегенеративное заболевание двигательных нейронов, характеризуется потерей клеток переднего рога спинного мозга, что приводит к вырождению альфа двигательных нейронов и приводит к атрофии мышц и к параличу (Ebert and Svendsen 2010; Lefebvre et al. 1995). В отличие от поздно начинающихся заболеваний, таких как ALS, SMA особенно фатальна для младенцев и детей. SMA - аутосомно-рецессивное расстройство, что приводит к делеции или мутации в гене выживания двигательных нейронов (SMN), впоследствии влияя на 20 кб SMN1 белка, кодируемого этого гена. У человека два транскрипта гена были обнаружены, SMN1 и SMN2, которые отличаются на один нуклеотид. Мутации в SMN1 имеют серьезные последствия, поскольку они часто влияют на производство полноразмерного белка, в то время как мутации в SMN2 приводит к

Рис. 1 Стратегии регенерации нервов для двигательных нейронов. В нормальных условиях, спинальные моторные нейроны служат для передачи информации от центральной нервной системы к мишени периферических мышц. Тем не менее, из-за дегенеративных заболеваний, таких как ALS или SMA, эти моторные нейроны теряются, и, таким образом, возможность соединения с периферийными мышцами отсутствует. Современные стратегии вмешательства включают перспективы стволовых клеток для замены вырожденных двигательных нейронов, за которыми следует восстановление функциональной связности с периферийными мышцами.

получению низких уровней белка, которые способны снизить тяжесть фенотипа заболевания (Lorson и соавт., 1999).

И ALS, и SMA в центре внимания стратегий нейральных стволовых клеток, так как моторные нейроны потенциально могут быть созданы для замены нервных стволовых клеток (рис. 1) (Jordan и др. 2009) или, по крайней мере, эти нервные стволовые клетки могут быть использованы для спасения эндогенных двигательных нейронов от дегенерационных заболеваний (Хефферан и др 2012;. Klein и др 2005;. Лепоре и др 2011;.. Suzuki и др 2007). После пересадки в спинной мозг, нейральные стволовые клетки обычно имеют уклон в сторону глиогенической дифференциации, и есть надежда, что эти клетки глии создали бы некоторую нейропротекцию. Действительно, исследования показали, что при определенных условиях, спинальные моторные нейроны спасаются вблизи места трансплантации нервных стволовых клеток (Хефферан и др. 2012), в то время как другие исследования показали, что эти нервные стволовые клетки могут выжить и интегрироваться в принимающую нервную систему, но предлагают немного нейропротекции эндогенным моторных нейронов.

Учитывая неоднозначные результаты, демонстрирующие нейропротекцию, предоставленную нервными стволовыми клетками, альтернативный подход будет включать использование нейронных стволовых клеток, которые разработаны для гиперэкспрессии секретируемых факторов выживания в качестве транспортного средства для доставки нейропротекторов факторов роста. Перспективным кандидатом для такого подхода существует в GDNF. После гиперэкспрессии GDNF в нейральные стволовые клетки и последующей трансплантацией этих клеток в крыс с АLS, эти клетки оказались способными выживать, мигрировать вдоль позвоночника, и секретировать GDNF в микросреду (Klein и др. 2005). Кроме того, доставка GDNF в крысиной модели ALS также привело к увеличению выживания спинномозговых двигательных нейронов (Suzuki и др. 2007). Таким образом, в то время как нервные стволовые клетки могут не быть оптимальными для замены клеток с нейродегенеративными расстройствами в связи с предрасположенностью для создания глиальных клеток, эти клетки до сих пор представляют собой мощный механизм доставки факторов, которые могут помочь в сохранении и регенерации клеток-хозяев.

Болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона (PD) - нейродегенеративное заболевание, которое приводит к прогрессирующей дегенерации дофаминергических (DA) нейронов в черной субстанции среднего мозга. DA-нейроны характеризуются выделением допамина в качестве нейромедиатора, который в свою очередь регулирует несколько путей в мозге, таких как те, что регулируют удовольствие и контроль двигательных функций. При PD производство дофамина снижается, связано это с возможным вырождением DA-нейронов (Дэви 2008). Симптомы этого заболевания включают в себя жесткость, медленное движение, тремор, поражение ходьбы и осанки, а иногда и слабоумие. Подобно ALS, болезнь протекает в двух формах: семейной и спорадической; некоторые формы семейной PD связаны с мутациями в белке-синуклеина, ведущего к его накоплению в виде кластеров, называемых Тельца Леви, в то время как мутации в Паркин приводят к PD в отсутствие телец (Chung и др. 2001). В отличие от некоторых других нейродегенеративных заболеваний, PD ограничивается одним подтипом нейронов, и внешними добавками допамина было доказано, что они могут быть эффективными в течение короткого периода времени. Следовательно, в настоящее время терапии PD включают L-3, 4-дигидроксифенилаланина (L-ДОФА) в дополнение к потере допамина через внешние источники (Первс и др. 2008). Тем не менее, неспособность L-ДОФА пересечь гематоэнцефалический барьер в связке с противоречивым уровнем дофамина приводит к повторного возникновения симптомов. Следовательно, несмотря на то, что медикаментозное лечение полезно, оно не обеспечивает долгосрочного облегчения или нейропротекции умирающих нейронов DA путем замены поврежденных нейронов DA. Таким образом, усилия были сосредоточены на трансплантации нейронов, которые могут интегрироваться в существующие схемы доставки допамина или трансплантации клеток, которые поддерживают концентрацию дофамина (Tsui и Isacson 2011; Wijeyekoon и Баркер, 2009). Трансплантация эмбриональной мезенцефалической ткани у пациентов с показало, что восстановление работоспособности в стриатуме приводит к увеличению высвобождения допамина (Линдваль и Бьорклунд 2011). Эти трансплантаты успешно были интегрированы в мозг пациента и сохраняли функциональность сроком до 10 лет

Рис. 2 Стратегии нейральной регенерации для дофаминергических нейронов. В среднем мозге, дофаминергические нейроны обычно находятся в пределах черной субстанции и расширяют аксоны в стриатум, где высвобождается допамин. После дегенерации дофаминергических нейронов из-за таких болезней, как PD, стриатальные нейроны теряют свой дофаминергический вклад. Благодаря использованию стволовых клеток есть надежда, что дофаминергические нейроны среднего мозга можно заменить и в конечном итоге восстановить связь с стриатумом.

после трансплантации (Пиччини и др. 1999). К сожалению, не все результаты таких экспериментов были столь эффективными. В некоторых клинических испытаниях пациенты мало или вообще не восстанавливались после 2-х лет (Freed et al 2001; Olanow et al 2003). Ряд таких факторов, как иммунное отторжение и крайние степени тяжести заболеваний влияют на воспроизводимость этих экспериментов. Кроме того, эмбриональные теменные ткани ограничены в количестве и не так легко доступны, что еще больше усложняет возможность лечения с помощью этого источника ткани. Тем не менее, эти эксперименты помогли продемонстрировать, что эксперименты по замене клеток потенциально могут быть успешны у пациентов с PD и заложили основу для исследований стволовых клеток в этой области.

Таким образом, нейронные стволовые клетки дают уникальную возможность обеспечить расширяемую популяцию клеток, которые потенциально могут быть использованы для трансплантации к животным с PD (рис. 2). Опытным путем было показано, что трансплантация нервных стволовых клеток в стриатумы 6-гидроксидопамина (6-OHDA) крысы с PD приводит к долгосрочной выживаемости этих клеток, наряду с небольшим отрастанием аксонов от пересаженных клеток (Armstrong et al 2003; Harrower et al 2006). Тем не менее, хотя и результаты этих исследований были многообещающими, эти клетки не дифференцируются в DA-нейроны, которые были бы необходимы, чтобы заменить те клетки, которые были потеряны. Таким образом, альтернативные подходы были сосредоточены на способности нервных стволовых клеток служить в качестве носителя для доставки фактора роста к стриатумам в попытке спасти носителей DA-нейронов, тем самым замедляя или предотвращая прогрессирование заболеваний (Akerud et al 2001; Behrstock et al 2006; Ebert et al 2008). Фактор роста, GDNF, был идентифицирован в качестве оптимального кандидата на спасителя фактора клеток роста, так как предыдущие исследования показали, что нервные стволовые клетки, избыточно экспрессирующие GDNF, могут повысить выживаемость принимающих DA-нейроны (Akerud et al 2001; Behrstock et al 2006), и даже восстановить некоторую степень функциональных возможностей принимающих нейронов (Ebert et al 2008), демонстрируя тем самым потенциал рекуперативного использования нейронных стволовых клеток.

Интересно, что также было показано, что инсулиноподобный ростовой фактор (IGF-1) имеет функциональный эффект у животных с болезнью Паркинсона. Тем не менее, в отличие от повышенного проростания невритов, связанного с доставкой GDNF, IGF-1 по-видимому действует как фактор выживания для обоих принимающих нейронов, а также пересаженных стволовых клеток. Таким образом, использование нейронных стволовых клеток для регенеративных целей в лечении PD оказалось в некоторой степени успешной на сегодняшний день.

Принимая во внимание способность нервных стволовых клеток быть расширенной в лабораторных условиях, наряду со способностью к генной инженерии этих клеток для роли средства доставки критических факторов роста, эти клетки чрезвычайно перспективны для нейронно-регенеративных подходов.