Neurální kmenové buňky - Neural stem cell

Neurální kmenová buňka
Nervové kmenové progenitorové buňky dospělého čichového bulbu. Tif
Nervové progenitorové buňky (zelené) v čichové baňce krysy
Podrobnosti
Systém Nervový systém
Identifikátory
latinský Cellula nervosa praecursoria
Pletivo D058953
TH H2.00.01.0.00010
FMA 86684
Anatomické pojmy mikroanatomie

Nervové kmenové buňky ( NSCS ) jsou samo-obnovení, multipotentní buňky, které nejprve vygenerují radiální gliové progenitorových buněk , které generují na neurony a gliové na nervový systém všech zvířat v průběhu embryonálního vývoje . Některé kmenové buňky neurálních progenitorů přetrvávají ve vysoce omezených oblastech v mozku dospělých obratlovců a po celý život nadále produkují neurony . Rozdíly ve velikosti centrálního nervového systému patří mezi nejdůležitější rozdíly mezi druhy a mutace v genech, které regulují velikost kompartmentu nervových kmenových buněk, patří k nejdůležitějším hybatelům evoluce obratlovců.

Kmenové buňky se vyznačují svou schopností diferencovat se do více typů buněk. Procházejí symetrickým nebo asymetrickým dělením buněk na dvě dceřiné buňky. Při symetrickém dělení buněk jsou obě dceřiné buňky také kmenovými buňkami. Při asymetrickém dělení kmenová buňka produkuje jednu kmenovou buňku a jednu specializovanou buňku. NSC se primárně diferencují na neurony , astrocyty a oligodendrocyty .

Umístění mozku

V mozku dospělých savců, subgranulární zóně v hippocampálním zubatém gyru, subventrikulární zóně kolem postranních komor a hypotalamu (přesně v dorzální oblasti α1, α2 a „proliferační oblasti hypotalamu“, umístěné v sousední střední eminenci) bylo hlášeno, že obsahují nervové kmenové buňky.

Rozvoj

Původ in vivo

Image
Nervové kmenové buňky se diferencují na astrocyty (zelené) a místa receptoru růstového hormonu jsou znázorněna červeně

Existují dva základní typy kmenových buněk: dospělé kmenové buňky , jejichž schopnost diferenciace je omezená , a embryonální kmenové buňky (ESC), které jsou pluripotentní a mají schopnost diferenciace na jakýkoli typ buňky.

Nervové kmenové buňky jsou více specializované než HSR, protože pouze vytvářet radiální gliové buňky , které způsobují vznik neuronů a na glie v centrálním nervovém systému (CNS). Během embryonálního vývoje obratlovců přecházejí NSC do radiálních gliových buněk (RGC), také známých jako radiální gliové progenitorové buňky (RGP), a nacházejí se v přechodné zóně nazývané komorová zóna (VZ). Neurony jsou generovány ve velkém množství (RGP) během specifického období embryonálního vývoje prostřednictvím procesu neurogeneze a nadále se generují v dospělosti v omezených oblastech dospělého mozku. Dospělý NSCS diferencovat do nových neuronů u dospělé subventrikulární zóně (SVZ), pozůstatek embryonálního germinálních neuroepitelu , jakož i gyrus dentatus v hippocampu .

Původ in vitro

Dospělé NSC byly poprvé izolovány z myšího striata na počátku 90. let minulého století. Při kultivaci in vitro jsou schopné vytvářet multipotentní neurosféry . Neurosféry mohou produkovat samoobnovující se a množící se specializované buňky. Tyto neurosféry se mohou diferencovat za vzniku specifikovaných neuronů, gliových buněk a oligodendrocytů. V předchozích studiích byly kultivované neurosféry transplantovány do mozků imunodeficientních neonatálních myší a vykazovaly štěp, proliferaci a nervovou diferenciaci.

Komunikace a migrace

NSC jsou stimulovány k zahájení diferenciace pomocí exogenních podnětů z mikroprostředí nebo výklenku kmenových buněk. Některé neurální buňky jsou migrovány ze SVZ podél rostrálního migračního proudu, který obsahuje strukturu podobnou dřeni s ependymálními buňkami a astrocyty při stimulaci. Ependymální buňky a astrocyty tvoří gliové trubice používané migrujícími neuroblasty . Astrocyty v trubkách poskytují podporu migrujícím buňkám a také izolaci od elektrických a chemických signálů uvolňovaných z okolních buněk. Astrocyty jsou primárními prekurzory pro rychlou amplifikaci buněk. Neuroblasty vytvářejí těsné řetězce a migrují do určeného místa poškození buněk, aby opravily nebo nahradily nervové buňky. Jedním příkladem je neuroblast migrující směrem k čichové baňce za účelem diferenciace na periglomerkulární nebo granulované neurony, které mají spíše radiální migrační než tangenciální vzor.

Stárnutí

Proliferace neurálních kmenových buněk klesá v důsledku stárnutí . Byly přijaty různé přístupy, jak tomuto poklesu souvisejícímu s věkem čelit. Protože proteiny FOX regulují homeostázu nervových kmenových buněk , byly proteiny FOX použity k ochraně nervových kmenových buněk inhibicí signalizace Wnt .

Funkce

Epidermální růstový faktor (EGF) a fibroblastový růstový faktor (FGF) jsou mitogeny, které in vitro podporují růst neurálních progenitorů a kmenových buněk , i když pro optimální růst jsou také zapotřebí další faktory syntetizované populací neurálních progenitorů a kmenových buněk. Předpokládá se, že neurogeneze v dospělém mozku pochází z NSC. Původ a identita NSC v mozku dospělých musí být definovány.

Během diferenciace

Nejvíce široce přijímaným modelem dospělého NSC je radiální, gliová fibrilární kyselá bílkovina -pozitivní buňka. Klidové kmenové buňky jsou typu B, které jsou schopné zůstat v klidovém stavu díky obnovitelné tkáni poskytované specifickými výklenky složenými z krevních cév, astrocytů, mikroglií , ependymálních buněk a extracelulární matrix přítomné v mozku. Tyto výklenky poskytují výživu, strukturální podporu a ochranu kmenových buněk, dokud nejsou aktivovány vnějšími podněty. Po aktivaci se buňky typu B vyvinou v buňky typu C, aktivní proliferující meziprodukty, které se poté rozdělí na neuroblasty skládající se z buněk typu A. Nediferencované neuroblasty tvoří řetězce, které migrují a vyvíjejí se do zralých neuronů. V čichové baňce dozrávají v GABAergní granulární neurony, zatímco v hippocampu dozrávají do buněk zubatých granulí.

Epigenetická modifikace

Epigenetické modifikace jsou důležitými regulátory genové exprese při diferenciaci nervových kmenových buněk . Mezi klíčové epigenetické modifikace patří methylace cytosinu DNA za vzniku demetylace 5-methylcytosinu a 5-methylcytosinu . Tyto typy modifikací jsou rozhodující pro určení buněčného osudu ve vyvíjejícím se a dospělém mozku savců.

Methylace cytosinu DNA je katalyzována DNA methyltransferázami (DNMT) . Demetylace methylcytosinu je katalyzována v několika odlišných krocích enzymy TET, které provádějí oxidační reakce (např. 5-methylcytosin na 5-hydroxymethylcytosin ) a enzymy dráhy opravy excize báze DNA (BER).

Během nemoci

NSC hrají během vývoje důležitou roli a produkují obrovskou rozmanitost neuronů, astrocytů a oligodendrocytů ve vyvíjejícím se CNS. Mají také důležitou roli u dospělých zvířat, například při učení a plasticitě hippocampu u dospělých myší, kromě toho, že dodávají neurony do čichového bulbu u myší.

Úlohu NSC během nemocí nyní objasňuje několik výzkumných skupin po celém světě. Odezvy během mrtvice , roztroušené sklerózy a Parkinsonovy choroby u zvířecích modelů a lidí jsou součástí současného vyšetřování. Výsledky tohoto probíhajícího vyšetřování mohou mít budoucí aplikace k léčbě lidských neurologických onemocnění.

V klasických experimentech prováděných Sanjayem Magavim a Jeffreyem Macklisem bylo prokázáno, že neurální kmenové buňky se zapojují do migrace a nahrazování umírajících neuronů . Pomocí laserem indukovaného poškození kortikálních vrstev Magavi ukázal, že neurální progenitory SVZ exprimující Doublecortin , kritickou molekulu pro migraci neuroblastů, migrovaly na dlouhé vzdálenosti do oblasti poškození a diferencovaly se do zralých neuronů exprimujících NeuN marker. Skupina Masato Nakafuku z Japonska navíc poprvé ukázala roli hippocampálních kmenových buněk při mrtvici u myší. Tyto výsledky prokázaly, že NSC se mohou zapojit do mozku dospělých v důsledku zranění. V roce 2004 navíc skupina Evana Y. Snydera ukázala, že NSC cíleně migrují do nádorů mozku. Jaime Imitola , MD a kolegové z Harvardu poprvé ukázali molekulární mechanismus reakcí NSC na zranění. Ukázali, že chemokiny uvolňované během poranění, jako je SDF-1a, jsou zodpovědné za přímou migraci lidských a myších NSC do oblastí poranění u myší. Od té doby bylo zjištěno, že jiné molekuly se účastní reakcí NSC na poranění. Všechny tyto výsledky byly široce reprodukovány a rozšířeny dalšími vyšetřovateli spojujícími klasickou práci Richarda L. Sidmana v autoradiografii za účelem vizualizace neurogeneze během vývoje a neurogeneze v dospělosti Josepha Altmana v 60. letech minulého století, jako důkaz reakcí aktivit dospělých NSC a neurogeneze během homeostázy a poranění.

Hledání dalších mechanismů, které působí v prostředí zranění a jak ovlivňují reakce NSC během akutního a chronického onemocnění, je předmětem intenzivního výzkumu.

Výzkum

Regenerační terapie CNS

Buněčná smrt je charakteristická pro akutní poruchy CNS a také neurodegenerativní onemocnění. Ztráta buněk je umocněna nedostatkem regeneračních schopností pro výměnu a opravu buněk v CNS. Jedním ze způsobů, jak to obejít, je použít buněčnou substituční terapii prostřednictvím regeneračních NSC. NSC lze kultivovat in vitro jako neurosféry. Tyto neurosféry se skládají z neurálních kmenových buněk a progenitorů (NSPC) s růstovými faktory, jako je EGF a FGF. Odnětí těchto růstových faktorů aktivuje diferenciaci na neurony, astrocyty nebo oligodendrocyty, které mohou být transplantovány do mozku v místě poranění. Přínosy tohoto terapeutického přístupu byly zkoumány u Parkinsonovy choroby , Huntingtonovy choroby a roztroušené sklerózy . NSPC indukují nervovou opravu prostřednictvím vnitřních vlastností neuroprotekce a imunomodulace . Některé možné cesty transplantace zahrnují intracerebrální transplantaci a xenotransplantaci .

Alternativním terapeutickým přístupem k transplantaci NSPC je farmakologická aktivace endogenních NSPC (eNSPC). Aktivované eNSPC produkují neurotrofické faktory, několik ošetření, které aktivují cestu, která zahrnuje fosforylaci STAT3 na serinovém zbytku a následné zvýšení exprese Hes3 ( signální osa STAT3-Ser/Hes3 ), stojí proti smrti neuronů a progresi onemocnění v modelech neurologické poruchy.

Generování 3D in vitro modelů lidského CNS

Lidské neurální progenitorové buňky odvozené ze středního mozku (hmNPC) mají schopnost rozlišovat více linií neurálních buněk, které vedou k neurosférám, stejně jako k mnoha neurálním fenotypům. HmNPC lze použít k vývoji 3D in vitro modelu lidského CNS. Existují dva způsoby kultivace hmNPC, adherentní jednovrstevné a neurosférické kultivační systémy. Neurosférický kultivační systém byl dříve používán k izolaci a expanzi kmenových buněk CNS díky své schopnosti agregovat a množit hmNPC za podmínek bezsérového média, jakož i za přítomnosti epidermálního růstového faktoru (EGF) a fibroblastového růstového faktoru-2 (FGF2 ). Zpočátku byly hmNPC izolovány a expandovány před provedením 2D diferenciace, která byla použita k výrobě jednobuněčné suspenze . Tato jednobuněčná suspenze pomohla dosáhnout homogenní 3D struktury jednotné velikosti agregátu. 3D agregace vytvořila neurosféry, které byly použity k vytvoření in vitro 3D modelu CNS.

Bioaktivní lešení jako léčba traumatického poranění mozku

Traumatické poranění mozku (TBI) může deformovat mozkovou tkáň, což vede k primárnímu poškození nekrózy, které pak může kaskádovat a aktivovat sekundární poškození, jako je excitotoxicita , zánět , ischémie a rozpad hematoencefalické bariéry . Poškození může eskalovat a nakonec vést k apoptóze nebo buněčné smrti. Současná léčba se zaměřuje na prevenci dalšího poškození stabilizací krvácení, snížením nitrolebního tlaku a zánětu a inhibicí proapoptotických kaskád. Za účelem poškození opravy TBI, blížící se možnost léčby zahrnuje využití NSCs odvozených z embryonálního perinatální komorové oblasti. Kmenové buňky mohou být kultivovány v příznivém 3-dimenzionálním, nízko cytotoxickém prostředí, hydrogelu , které zvýší přežití NSC po injekci pacientům s TBI. Bylo pozorováno, že intracerebrálně injikované primované NSC migrují do poškozené tkáně a diferencují se na oligodendrocyty nebo neuronální buňky, které vylučují neuroprotektivní faktory.

Galectin-1 v nervových kmenových buňkách

Galectin-1 je exprimován v dospělých NSC a bylo prokázáno, že má fyziologickou roli při léčbě neurologických poruch na zvířecích modelech. Existují dva přístupy k používání NSC jako terapeutické léčby: (1) stimulace vnitřních NSC k podpoře proliferace za účelem nahrazení poraněné tkáně a (2) transplantace NSC do poškozené oblasti mozku, aby NSC mohly obnovit tkáň. Lentivirové vektory byly použity k infikování lidských NSC (hNSC) Galectinem-1, které byly později transplantovány do poškozené tkáně. HGal-1-hNSC indukovaly lepší a rychlejší obnovu mozku poškozené tkáně a také snížení motorických a senzorických deficitů ve srovnání s pouze transplantací hNSC.

Testy

Neurální kmenové buňky jsou rutinně studovány in vitro pomocí metody označované jako Neurosphere Assay (neboli Neurosphere kultivační systém), kterou poprvé vyvinuli Reynolds a Weiss. Neurosféry jsou vnitřně heterogenní buněčné entity téměř úplně tvořené malou frakcí (1 až 5%) pomalu se dělících nervových kmenových buněk a jejich potomstvem, populací rychle se dělících nestin -pozitivních progenitorových buněk pozitivních na nestin. Celkový počet těchto progenitorů určuje velikost neurosféry a v důsledku toho mohou rozdíly ve velikosti koule v různých populacích neurosféry odrážet změny v proliferaci, přežití a/nebo stavu diferenciace jejich neurálních progenitorů. Skutečně bylo oznámeno, že ztráta β1- integrinu v kultuře neurosféry významně neovlivňuje schopnost kmenových buněk s nedostatkem β1-integrinu vytvářet nové neurosféry, ale ovlivňuje velikost neurosféry: neurosféry s nedostatkem β1-integrinu byly celkově menší v důsledku zvýšené buněčné smrti a snížené proliferace.

Zatímco test Neurosphere byl metodou volby pro izolaci, expanzi a dokonce i výčet neurálních kmenových a progenitorových buněk, několik nedávných publikací zdůraznilo některá omezení systému neurosférické kultury jako metody určování frekvencí neurálních kmenových buněk. Ve spolupráci s Reynolds, StemCell Technologies vytvořil kolagen založené test, nazvaný Neural tvořících kolonie buněk (NCFC) test, pro kvantifikaci neurálních kmenových buněk. Důležité je, že tento test umožňuje rozlišení mezi nervovými kmenovými a progenitorovými buňkami.

Dějiny

První důkaz, že k neurogenezi dochází v určitých oblastech mozku dospělých savců, pochází ze studií značení [3H] thymidinu provedených Altmanem a Dasem v roce 1965, které ukázaly postnatální hippocampální neurogenezi u mladých krys. V roce 1989 Sally Temple popsala multipotentní, samoobnovující se předky a kmenové buňky v subventrikulární zóně (SVZ) myšího mozku. V roce 1992 Brent A. Reynolds a Samuel Weiss jako první izolovali nervové progenitorové a kmenové buňky z dospělé striatální tkáně , včetně SVZ - jedné z neurogenních oblastí - mozkové tkáně dospělých myší. Ve stejném roce tým Constance Cepko a Evan Y. Snyder jako první izolovali multipotentní buňky z mozečku myši a stabilně je transfekovali onkogenem v-myc . Tato molekula je jedním z genů, které se nyní široce používají k přeprogramování dospělých nekmenových buněk na pluripotentní kmenové buňky. Od té doby byly nervové progenitorové a kmenové buňky izolovány z různých oblastí dospělého centrálního nervového systému, včetně ne-neurogenních oblastí, jako je mícha , a z různých druhů včetně lidí.

Viz také

Reference

  • Jaganathan, Arun; Tiwari, Meena; Phansekar, Rahul; Panta, Rajkumar; Huilgol, Nagraj (2011). „Intenzita modulovaného záření k náhradě nervových kmenových buněk v mozkových nádorech: výpočetní platforma pro hodnocení fyzikálních a biologických dávkových metrik“ . Journal of Cancer Research and Therapeutics . 7 (1): 58–63. doi : 10.4103/0973-1482.80463 . PMID  21546744 .

externí odkazy