Стволовые клетки могут успешно заменить умершие клетки мозга

Исследователи Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, Института нейробиологии имени Макса Планка, а также исследовательского Центра им. Гельмгольца в Мюнхене продемонстрировали, что у мышей пересаженные нейроны, полученные из эмбриональных клеток, действительно могут быть включены в существующую сеть и правильно выполнять задачи, за которые отвечали поврежденные клетки. Эта работа имеет большое значение в потенциальном лечении всех приобретенных заболеваний головного мозга, включая инсульты, травмы, нейродегенеративные заболевания вроде болезней Альцгеймера или Паркинсона. Каждый из этих недугов приводит к необратимой потере нервных клеток и пожизненному неврологическому дефициту.

Когда речь заходит о восстановлении, например, после инсульта, у мозга взрослого человека очень мало возможностей для компенсации утраченных нервных клеток. Поэтому врачи и исследователи в области биомедицины изучают возможность использования пересаженных нервных клеток, чтобы заменить нейроны, которые пострадали в результате травмы или болезни. Предыдущие исследования показывают, что существует возможность устранить по крайней мере некоторые клинические симптомы посредством трансплантации фетальных нервных клеток в поврежденные нейронные сети. Однако процесс получения фетальных клеток порождает множество этических вопросов, поскольку добыть этот биоматериал можно только из плода после аборта, примерно на 9-12 неделе беременности. Кроме этого, до конца не ясно, смогут ли пересаженные неповрежденные нейроны достаточно хорошо интегрироваться, чтобы восстановить функции нейронной сети.

В ходе исследования, опубликованного в журнале Nature 26 октября, ученые выяснили, можно ли пересадить эмбриональные нервные клетки так, чтобы они удачно интегрировались в нейронную сеть и функционировали в зрительной коре головного мозга взрослых мышей. «Мы так много знаем о функциях нервных клеток в этой области, что можем легко оценить, действительно ли имплантированные клетки выполняют те задачи, которые возложены на нейронную сеть» — отмечает профессор Марк Хюбенер, один из руководителей исследования. Хюбенер специализируется на структуре и функциях зрительной системы млекопитающих.

В своих экспериментах команда исследователей пересаживала эмбриональные клетки в пораженные области зрительной зоны взрослых мышей. В течение следующих месяцев они наблюдали за поведением имплантированных незрелых нейронов с помощью двухфотонной микроскопии. Этот метод помог выяснить, дифференцируются ли они в так называемые «пирамидальные клетки» — возбудительные нейроны. Тот факт, что клетки выжили и продолжали развиваться, является весьма обнадеживающим. Все стало интереснее, когда исследователи внимательнее изучили электрическую активность трансплантированных клеток. Совместное исследование аспиранта Сюзанны Фолкнер и
постдока Софии Грейд показало, что новые клетки сформировали синаптические связи, которые обычно устанавливаются между клетками сети, и ответили на визуальные стимулы.

На изображении видно, как нервные трансплантанты (синего цвета) связываются с неповрежденными участками сети (желтого цвета)

Затем команда продолжила изучать установленные связи после пересадки нейронов. Они обнаружили, что пирамидальные клетки, полученные из трансплантированных зрелых нейронов, образовали функциональные связи с соответствующими нервными клетками по всему мозгу. Другими словами, они благополучно заняли место своих предшественников. Кроме того, они были в состоянии обрабатывать поступающую информацию и передать ее дальше по сети. «Эти результаты показывают, что имплантированные нервные клетки с исключительной точностью объединялись в нейронную сеть, в которую, при нормальных условиях, никогда не включились бы новые нервные клетки» — объясняет профессор Магдалена Гётц, работа которой заключалась в поиске способов замены утраченных нейронов в центральной нервной системе. Новое исследование показывает, что незрелые нейроны способны правильно реагировать на сигналы в мозге взрослых млекопитающих и могут закрывать функциональные «пробелы» в существующей нейронной сети.

Одним из главных плюсов трансплантации именно эмбриональных стволовых клеток заключается в том, что они не вырабатывают антигены тканевой совместимости. Когда наборы антигенов у донора и реципиента не совпадают, это приводит к отторжению клеток. Но в случае с трансплантацией ЭСК этого не происходит, и шанс, что клетки приживутся, обычно очень велик. Однако ученые выяснили, что существуют механизмы, которые могут помешать приживлению новых клеток.

Процесс создания нейронов из стволовых клеток и клеток-предшественников получил название «нейрогенез». Ученые показали, что на дальнейшую судьбу нейронов-новичков значительное влияние оказывают эпигенетические механизмы, которые вступают в игру на ранних стадиях нейрогенеза. Эти механизмы влияют на наследуемые изменения в фенотипе или экспрессии генов, но при этом не приводят к изменению последовательности в ДНК. Чтобы выяснить, какое значение ранние эпигенетические модификации оказывают на развитие нервных клеток во время эмбриогенеза у мышей, Магдалина Гётц и её коллеги целенаправленно заблокировали активность гена UHRF1. Ген управляет многими эпигенетическими функциями, в том числе и метилированием ДНК — модификацией молекулы ДНК без влияния на последовательность нуклеотидов. Метилирование определенных оснований нуклеотида в ДНК часто служит для того, чтобы «выключать» определенные гены.

Блокировка UHRF1 в передней области мозга крыс привела к активации ретровиральных элементов в геноме, которые до этого подавлялись метилированием. Активация вызвала накопление ретровиральных белков в пораженных клетках и дерегулированию генов. Это, в свою очередь, привело к прогрессирующим нарушениям в жизненно важных клеточных процессах и ускорило массовую гибель клеток. Результаты этого исследования показали, что даже такие факторы, которые действуют только в самом начале нейрогенеза, способны оказывать влияние на судьбу клеток, которое может проявиться только недели спустя.

Исследователи Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, Института нейробиологии имени Макса Планка, а также исследовательского Центра им. Гельмгольца в Мюнхене продемонстрировали, что у мышей пересаженные нейроны, полученные из эмбриональных клеток, действительно могут быть включены в существующую сеть и правильно выполнять задачи, за которые отвечали поврежденные клетки. Эта работа имеет большое значение в потенциальном лечении всех приобретенных заболеваний головного мозга, включая инсульты, травмы, нейродегенеративные заболевания вроде болезней Альцгеймера или Паркинсона. Каждый из этих недугов приводит к необратимой потере нервных клеток и пожизненному неврологическому дефициту.

Когда речь заходит о восстановлении, например, после инсульта, у мозга взрослого человека очень мало возможностей для компенсации утраченных нервных клеток. Поэтому врачи и исследователи в области биомедицины изучают возможность использования пересаженных нервных клеток, чтобы заменить нейроны, которые пострадали в результате травмы или болезни. Предыдущие исследования показывают, что существует возможность устранить по крайней мере некоторые клинические симптомы посредством трансплантации фетальных нервных клеток в поврежденные нейронные сети. Однако процесс получения фетальных клеток порождает множество этических вопросов, поскольку добыть этот биоматериал можно только из плода после аборта, примерно на 9-12 неделе беременности. Кроме этого, до конца не ясно, смогут ли пересаженные неповрежденные нейроны достаточно хорошо интегрироваться, чтобы восстановить функции нейронной сети.

В ходе исследования, опубликованного в журнале Nature 26 октября, ученые выяснили, можно ли пересадить эмбриональные нервные клетки так, чтобы они удачно интегрировались в нейронную сеть и функционировали в зрительной коре головного мозга взрослых мышей. «Мы так много знаем о функциях нервных клеток в этой области, что можем легко оценить, действительно ли имплантированные клетки выполняют те задачи, которые возложены на нейронную сеть» — отмечает профессор Марк Хюбенер, один из руководителей исследования. Хюбенер специализируется на структуре и функциях зрительной системы млекопитающих.

В своих экспериментах команда исследователей пересаживала эмбриональные клетки в пораженные области зрительной зоны взрослых мышей. В течение следующих месяцев они наблюдали за поведением имплантированных незрелых нейронов с помощью двухфотонной микроскопии. Этот метод помог выяснить, дифференцируются ли они в так называемые «пирамидальные клетки» — возбудительные нейроны. Тот факт, что клетки выжили и продолжали развиваться, является весьма обнадеживающим. Все стало интереснее, когда исследователи внимательнее изучили электрическую активность трансплантированных клеток. Совместное исследование аспиранта Сюзанны Фолкнер и
постдока Софии Грейд показало, что новые клетки сформировали синаптические связи, которые обычно устанавливаются между клетками сети, и ответили на визуальные стимулы.

На изображении видно, как нервные трансплантанты (синего цвета) связываются с неповрежденными участками сети (желтого цвета)

Затем команда продолжила изучать установленные связи после пересадки нейронов. Они обнаружили, что пирамидальные клетки, полученные из трансплантированных зрелых нейронов, образовали функциональные связи с соответствующими нервными клетками по всему мозгу. Другими словами, они благополучно заняли место своих предшественников. Кроме того, они были в состоянии обрабатывать поступающую информацию и передать ее дальше по сети. «Эти результаты показывают, что имплантированные нервные клетки с исключительной точностью объединялись в нейронную сеть, в которую, при нормальных условиях, никогда не включились бы новые нервные клетки» — объясняет профессор Магдалена Гётц, работа которой заключалась в поиске способов замены утраченных нейронов в центральной нервной системе. Новое исследование показывает, что незрелые нейроны способны правильно реагировать на сигналы в мозге взрослых млекопитающих и могут закрывать функциональные «пробелы» в существующей нейронной сети.

Одним из главных плюсов трансплантации именно эмбриональных стволовых клеток заключается в том, что они не вырабатывают антигены тканевой совместимости. Когда наборы антигенов у донора и реципиента не совпадают, это приводит к отторжению клеток. Но в случае с трансплантацией ЭСК этого не происходит, и шанс, что клетки приживутся, обычно очень велик. Однако ученые выяснили, что существуют механизмы, которые могут помешать приживлению новых клеток.

Процесс создания нейронов из стволовых клеток и клеток-предшественников получил название «нейрогенез». Ученые показали, что на дальнейшую судьбу нейронов-новичков значительное влияние оказывают эпигенетические механизмы, которые вступают в игру на ранних стадиях нейрогенеза. Эти механизмы влияют на наследуемые изменения в фенотипе или экспрессии генов, но при этом не приводят к изменению последовательности в ДНК. Чтобы выяснить, какое значение ранние эпигенетические модификации оказывают на развитие нервных клеток во время эмбриогенеза у мышей, Магдалина Гётц и её коллеги целенаправленно заблокировали активность гена UHRF1. Ген управляет многими эпигенетическими функциями, в том числе и метилированием ДНК — модификацией молекулы ДНК без влияния на последовательность нуклеотидов. Метилирование определенных оснований нуклеотида в ДНК часто служит для того, чтобы «выключать» определенные гены.

Блокировка UHRF1 в передней области мозга крыс привела к активации ретровиральных элементов в геноме, которые до этого подавлялись метилированием. Активация вызвала накопление ретровиральных белков в пораженных клетках и дерегулированию генов. Это, в свою очередь, привело к прогрессирующим нарушениям в жизненно важных клеточных процессах и ускорило массовую гибель клеток. Результаты этого исследования показали, что даже такие факторы, которые действуют только в самом начале нейрогенеза, способны оказывать влияние на судьбу клеток, которое может проявиться только недели спустя.