Нейральные стволовые клетки

На этой фотографии изображен нейрон мыши (фиолетовый) на фоне его предшественников — нейральных стволовых клеток (см. Neural stem cell). Желтым обозначены ядра клеток, синим — цитоскелет. Снимок попал в категорию Images of Distinction престижного международного конкурса микрофотографии Nikon Small World 2020.

Из нейральных стволовых клеток (НСК) образуются все нейроны центральной нервной системы, а также клетки астроглии и олигодендроглии. НСК наиболее активны во время эмбрионального развития, когда формируется нервная система. Нервная пластинка, а затем нервная трубка состоят из одного слоя нейроэпителия (см. Neuroepithelial cell). Эти клетки — первичные нейральные стволовые клетки. Они делятся симметрично: одно деление приводит к образованию двух одинаковых клеток. В этом первое качество стволовых клеток — самообновление. Такое деление необходимо, чтобы наработать пул клеток, из которых будет развиваться нервная система.

Позднее клетки меняют свой стиль деления на асимметричное. Из одной клетки нейроэпителия при делении получается одна клетка нейроэпителия и одна клетка радиальной глии. В этом соблюдается еще одно свойство стволовых клеток — способность давать различные клетки. Клетки радиальной глии также относятся к нейральным стволовым клеткам. Они — источник нейронов, которые уже никогда не поделятся, клеток астроглии и промежуточных нейральных клеток-предшественников, которые могут поделиться еще раз или два, чтобы превратиться в нейроны или клетки глии. Кроме того, клетки радиальной глии работают как направители, помогая нейронам распределяться в растущей центральной нервной системе.

Образование нейронов в мозге мыши. Клетки нейроэпителия (Neuroepithelial cells) активируются на 8-й день эмбрионального развития (E8). На 14-й день (E14) они превращаются в ранние клетки радиальной глии (early radial glial cells). Клетки радиальной глии могут либо превращаться в нейроны (neuron) напрямую, либо дифференцируются в промежуточные нейральные клетки-предшественники (nIPCs). из которых образуются нейроны. Во время развития клетки радиальной глии также могут образовывать промежуточные клетки-предшественники олигодендроцитов (oIPCs) и астроцитов (aIPCs), которые дифференцируются и становятся частью нервной системы. Рисунок из статьи B. Yao и P. Jin, 2014. Unlocking epigenetic codes in neurogenesis

К моменту рождения в головном мозге млекопитающих присутствуют практически все нейроны, и практически не остается радиальной глии. За некоторыми исключениями.

В конце XIX–начале XX века великий гистолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль написал: «После завершения развития источник роста и регенерации аксонов и дендритов безвозвратно высыхает. Во взрослых центрах нервные пути могут каким-то образом налаживаться, заканчиваться и оставаться неизменными. Всё может погибнуть, ничего не может быть восстановлено. Науке будущего предназначено изменить этот тяжелый приговор, если это будет возможно». Наука изменила.

Еще в 1960-х годах Джозеф Альтман (Joseph Altman) и Гопал Дас (Gopal Das) показали, что в мозге молодых крысят образуются новые нейроны. Аналогичный процесс наблюдали и у канареек. Источник этих нейронов был найден позже. У большинства млекопитающих после рождения новые нейроны образуются в двух участках головного мозга: на стенках боковых желудочков мозга (субвентрикулярной зоне) и в зубчатой извилине гиппокампа (в субгранулярной зоне). В этих местах остаются нейральные стволовые клетки (которые очень похожи на эмбриональную радиальную глию), которые и дают новые нейроны и клетки глии.

Нейроны из субвентрикулярной зоны мигрируют в обонятельную луковицу. Без них животным было бы тяжело тонко различать запахи и ассоциировать запахи с наградой. Нейроны, образовавшиеся в субгранулярной зоне, участвуют в работе зубчатой извилины. Они важны для формирования памяти, обучения и, возможно, играют функциональную роль в стрессе и депрессии. Образуются ли новые нейроны в головном мозге взрослого человека? Вероятно, да, но пока ученые не могут сойтись в едином мнении, каков вклад новых нейронов в нервную деятельность.

Но как восполнить нервные клетки, которые по каким-то причинам были утеряны в других участках центральной нервной системы? Идея пересаживать НСК для лечения нейродегенеративных заболеваний возникла еще в начале 2000-х годов. Так, НСК вводили крысам — моделям бокового амиотрофического склероза (БАС). Ученые показали, что клетки могут дифференцироваться в нейроны и глию и продлевать жизнь экспериментальным животным. Такие исследования стали основной клинических исследований, где уже пациентам с БАС вводили НСК в спинной мозг. Это привело к небольшому улучшению состояния пациентов. Проводились и клинические исследования по введению НСК пациентам с травмой спинного мозга, где наблюдались скромные, но положительные результаты.

К сожалению, в таких исследованиях к стандартным вопросам клеточной терапии, как например, будут ли стволовые клетки превращаться в нужные ткани, прибавляется важный вопрос: откуда взять нейральные стволовые клетки?

Ученым доступны различные клеточные линии нейральных стволовых клеток. НСК мышей получают из эмбрионального мозга или из субвентрикулярной и субгранулярной зоны взрослого мозга. Есть и линии НСК человека, которые получают из абортивного материала. Именно такие линии использовали в клинических исследованиях, упомянутых выше. Но получение таких линий разрешено не везде и связано с этическими вопросами. Кроме того, это клетки других организмов, а не самого пациента, и они могут вызвать нежелательный ответ организма на такое вторжение. Поэтому исследования в этом направлении теперь часто начинаются с использования эмбриональных стволовых клеток и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (см. Нобелевская премия по физиологии и медицине 2012, «Элементы», 10.10.2012). Из них можно получить нейральные стволовые клетки и использовать их не только в клинических, но и фундаментальных исследованиях. Например, с помощью такого подхода получены модели эмбрионального мозга в миниатюре, которые можно использовать для исследования развития человеческой нервной системы и некоторых ее заболеваний в режиме реального времени (см. картинку дня «Карманная» модель мозга). А недавно на похожих моделях было показано, что SARS-CoV-2, по-видимому, способен заражать нейроны в головном мозге. Кроме того, НСК могут быть полезны при поиске новых препаратов.

Существует три различных метода получения нейральных стволовых клеток. Первый (слева) — выделение из тканей центральной нервной системы (из эмбрионального и взрослого мозга или тканей спинного мозга). Второй (в центре) — получение из плюрипотентных клеток (эмбриональных стволовых или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток). Третий способ — трансдифференцировка из соматических клеток (фибробластов кожи, эпителиальных клеток, выделенных из мочи или клеток крови). Эти клетки легко получить в условиях клиники. Нейральные стволовые клетки, полученные этими способами, можно иммортализировать (см. Immortalised cell line), используя методы генной инженерии. Рисунок из статьи Y. Tang et al., 2017. Current progress in the derivation and therapeutic application of neural stem cells

До выращивания полноразмерного головного мозга, да и до доступного лечения с помощью нейральных стволовых клеток, нам еще далеко. Но догма Рамона-и-Кахаля разбита, а значит, один из главных барьеров на этом пути уже преодолен.

Фото © Nadia Efimova с сайта nikonsmallworld.com. Микрофотография получена с помощью конфокального микроскопа, увеличение 40×.

Екатерина Грачева