Neurale stamceller - Neural stem cell
| Neurale stamceller | |
|---|---|
 Neurale stamceller (grøn) i rotternes olfaktoriske pære
| |
| detaljer | |
| System | Nervesystem |
| Identifikatorer | |
| Latin | Cellula nervosa praecursoria |
| MeSH | D058953 |
| TH | H2.00.01.0.00010 |
| FMA | 86684 |
|
Anatomiske termer for mikroanatomi | |
Neurale stamceller ( NSC'er ) er selvfornyende, multipotente celler, der for det første genererer de radiale glial-stamceller, der genererer neuroner og glia i nervesystemet for alle dyr under embryonisk udvikling . Nogle neurale stamceller stamceller vedvarer i stærkt begrænsede områder i den voksne hvirveldyrs hjerne og fortsætter med at producere neuroner gennem hele livet. Forskelle i størrelsen af centralnervesystemet er blandt de vigtigste forskelle mellem arten og dermed er mutationer i generne, der regulerer størrelsen af det neurale stamcelleafdeling, blandt de vigtigste drivkræfter for hvirveldyrs evolution.
Stamceller er kendetegnet ved deres evne til at differentiere sig til flere celletyper. De undergår symmetrisk eller asymmetrisk celledeling i to datterceller. Ved symmetrisk celledeling er begge datterceller også stamceller. I asymmetrisk division producerer en stamcelle en stamcelle og en specialiseret celle. NSC'er differentierer primært til neuroner , astrocytter og oligodendrocytter .
Hjernens placering
I den voksne pattedyrshjerne, den subgranulære zone i hippocampus dentate gyrus, den subventrikulære zone omkring de laterale ventrikler og hypothalamus (netop i dorsal α1, α2 -regionen og "hypothalamisk proliferativ region", der ligger i den tilstødende medianeminens) er blevet rapporteret at indeholde neurale stamceller.
Udvikling
Oprindelse in vivo
Der er to grundtyper af stamceller: voksne stamceller , som er begrænsede i deres evne til at differentiere , og embryonale stamceller (ESC'er), som er pluripotente og har evnen til at differentiere sig til enhver celletype.
Neurale stamceller er mere specialiserede end ESC'er, fordi de kun genererer radiale glialceller, der giver anledning til neuronerne og til glia i centralnervesystemet (CNS). Under embryonisk udvikling af hvirveldyr overgår NSC'er til radiale glialceller (RGC'er), også kendt som radiale glialprogenitorceller (RGP'er) og opholder sig i en forbigående zone kaldet ventrikulær zone (VZ). Neuroner genereres i stort antal af (RGP'er) i en specifik periode med embryonal udvikling gennem neurogeneseprocessen og genereres fortsat i voksenlivet i begrænsede områder i den voksne hjerne. Voksne NSC'er differentierer sig til nye neuroner inden for den voksne subventrikulære zone (SVZ), en rest af det embryonale germinale neuroepithel , såvel som den dentate gyrus i hippocampus .
In vitro oprindelse
Voksne NSC'er blev først isoleret fra musestriatum i begyndelsen af 1990'erne. De er i stand til at danne multipotente neurosfærer, når de dyrkes in vitro . Neurosfærer kan producere selvfornyende og formerende specialiserede celler. Disse neurosfærer kan differentiere sig til at danne de specificerede neuroner, glialceller og oligodendrocytter. I tidligere undersøgelser er dyrkede neurosfærer blevet transplanteret i hjernen hos immundefekt neonatale mus og har vist engraftment, proliferation og neuraldifferentiering.
Kommunikation og migration
NSC'er stimuleres til at begynde differentiering via eksogene signaler fra mikromiljøet eller stamcelleniche. Nogle neurale celler migreres fra SVZ langs den rostrale migrationsstrøm, der indeholder en marvlignende struktur med ependymale celler og astrocytter, når de stimuleres. Ependymale celler og astrocytter danner glialrør, der bruges af migrerende neuroblaster . Astrocytterne i rørene giver støtte til de migrerende celler samt isolering fra elektriske og kemiske signaler frigivet fra omgivende celler. Astrocytterne er de primære forstadier til hurtig celleforstærkning. Neuroblasterne danner stramme kæder og vandrer mod det specificerede sted for celleskader for at reparere eller udskifte neurale celler. Et eksempel er en neuroblast, der migrerer mod olfaktorisk pære for at differentiere sig til periglomerculære eller granulære neuroner, der har et radialt migrationsmønster snarere end et tangentielt.
Aldring
Neural stamcelleproliferation falder som følge af aldring . Der er taget forskellige tilgange til at modvirke dette aldersrelaterede fald. Fordi FOX-proteiner regulerer neural stamcelle homeostase har FOX proteiner blevet anvendt til at beskytte neurale stamceller ved at hæmme Wnt signalering .
Fungere
Epidermal vækstfaktor (EGF) og fibroblast vækstfaktor (FGF) er mitogener, der fremmer vækst af neurale stamceller og stamceller in vitro , selvom andre faktorer syntetiseret af den neurale stamfader og stamcellepopulationer også er nødvendige for optimal vækst. Det antages, at neurogenese i den voksne hjerne stammer fra NSC'er. Oprindelsen og identiteten af NSC'er i den voksne hjerne mangler at blive defineret.
Under differentiering
Den mest accepterede model for en voksen NSC er en radial, glial fibrillær sur protein -positiv celle. Quiescent stamceller er type B, der er i stand til at forblive i hvilende tilstand på grund af det fornyelige væv, der leveres af de specifikke nicher, der består af blodkar, astrocytter, mikroglia , ependymale celler og ekstracellulær matrix, der er til stede i hjernen. Disse nicher giver næring, strukturel støtte og beskyttelse af stamcellerne, indtil de aktiveres af eksterne stimuli. Når de er aktiveret, udvikler sig type B -cellerne til type C -celler, aktive prolifererende mellemliggende celler, som derefter deler sig i neuroblaster bestående af type A -celler. De udifferentierede neuroblaster danner kæder, der migrerer og udvikler sig til modne neuroner. I olfaktorisk pære modnes de til GABAergic granule neuroner, mens de i hippocampus modnes til dentate granule celler.
Epigenetisk modifikation
Epigenetiske modifikationer er vigtige regulatorer for genekspression i differentierende neurale stamceller . Nøgleepigenetiske modifikationer omfatter DNA-cytosinmethylering til dannelse af 5-methylcytosin og 5-methylcytosin-demethylering . Disse typer modifikationer er kritiske for bestemmelse af celleskæbne i den udviklende og voksne pattedyrshjerne.
DNA -cytosinmethylering katalyseres af DNA -methyltransferaser (DNMT'er) . Methylcytosin-demethylering katalyseres i flere forskellige trin af TET-enzymer, der udfører oxidative reaktioner (f.eks. 5-methylcytosin til 5-hydroxymethylcytosin ) og enzymer fra DNA- base-excisionsreparationsvejen (BER).
Under sygdom
NSC'er spiller en vigtig rolle under udviklingen og producerer den enorme mangfoldighed af neuroner, astrocytter og oligodendrocytter i det udviklende CNS. De har også en vigtig rolle i voksne dyr, for eksempel i læring og hippocampus plasticitet hos de voksne mus ud over at levere neuroner til olfaktorisk pære i mus.
Især NSC'ernes rolle under sygdomme belyses nu af flere forskningsgrupper rundt om i verden. Svarene under slagtilfælde , multipel sklerose og Parkinsons sygdom hos dyremodeller og mennesker er en del af den aktuelle undersøgelse. Resultaterne af denne igangværende undersøgelse kan have fremtidige anvendelser til behandling af humane neurologiske sygdomme.
Neurale stamceller har vist sig at engagere sig i migration og udskiftning af døende neuroner i klassiske eksperimenter udført af Sanjay Magavi og Jeffrey Macklis . Ved hjælp af en laserinduceret skade på kortikale lag viste Magavi, at SVZ neurale stamceller, der udtrykker Doublecortin , et kritisk molekyle for migration af neuroblaster, migrerede lange afstande til skadeområdet og differentierede til modne neuroner, der udtrykker NeuN- markør. Desuden viste Masato Nakafukus gruppe fra Japan for første gang rollen som hippocampus stamceller under slagtilfælde hos mus. Disse resultater viste, at NSC'er kan engagere sig i den voksne hjerne som følge af skade. Desuden viste Evan Y. Snyders gruppe i 2004 , at NSC'er migrerer til hjernetumorer på en rettet måde. Jaime Imitola , MD og kolleger fra Harvard demonstrerede for første gang en molekylær mekanisme for reaktionerne fra NSC'er på skader. De viste, at kemokiner frigivet under skade såsom SDF-1a var ansvarlige for den målrettede migration af mennesker og mus NSC'er til områder med skader hos mus. Siden da har andre molekyler vist sig at deltage i reaktionerne fra NSC'er på skader. Alle disse resultater er blevet bredt gengivet og udvidet af andre efterforskere, der sluttede sig til det klassiske arbejde af Richard L. Sidman i autoradiografi for at visualisere neurogenese under udvikling og neurogenese hos voksne af Joseph Altman i 1960'erne som bevis på reaktionerne fra voksne NSC'ers aktiviteter og neurogenese under homeostase og skade.
Søgningen efter yderligere mekanismer, der fungerer i skademiljøet, og hvordan de påvirker reaktionerne fra NSC'er under akut og kronisk sygdom, er et spørgsmål om intens forskning.
Forskning
Regenerativ behandling af CNS
Celdød er karakteristisk for akutte CNS -lidelser såvel som neurodegenerativ sygdom. Tabet af celler forstærkes af manglen på regenerative evner til celleudskiftning og reparation i CNS. En måde at omgå dette på er at bruge celleerstatningsterapi via regenerative NSC'er. NSC'er kan dyrkes in vitro som neurosfærer. Disse neurosfærer er sammensat af neurale stamceller og progenitorer (NSPC'er) med vækstfaktorer som EGF og FGF. Tilbagetrækning af disse vækstfaktorer aktiverer differentiering til neuroner, astrocytter eller oligodendrocytter, som kan transplanteres i hjernen på skadestedet. Fordelene ved denne terapeutiske tilgang er blevet undersøgt ved Parkinsons sygdom , Huntingtons sygdom og multipel sklerose . NSPC'er fremkalder neural reparation via iboende egenskaber ved neurobeskyttelse og immunmodulering . Nogle mulige transplantationsveje omfatter intracerebral transplantation og xenotransplantation .
En alternativ terapeutisk tilgang til transplantation af NSPC'er er den farmakologiske aktivering af endogene NSPC'er (eNSPC'er). Aktiverede eNSPC'er producerer neurotrofiske faktorer, flere behandlinger, der aktiverer en vej, der involverer phosphorylering af STAT3 på serinresten og efterfølgende forhøjelse af Hes3-ekspression ( STAT3-Ser/Hes3-signalakse ) modsætter sig neuronal død og sygdomsprogression i modeller af neurologisk lidelse.
Generering af 3D in vitro -modeller af det menneskelige CNS
Humane mellemhjerne -afledte neurale stamceller (hmNPC'er) har evnen til at differentiere flere neurale cellelinier, der fører til neurosfærer såvel som flere neurale fænotyper. HmNPC kan bruges til at udvikle en 3D in vitro -model af det menneskelige CNS. Der er to måder at dyrke hmNPC'erne på, det vedhæftende monolag og neurosfærens kultursystemer. Neurosfærens kultursystem er tidligere blevet brugt til at isolere og udvide CNS-stamceller ved dets evne til at aggregerer og proliferere hmNPC'er under serumfrie medieforhold samt med tilstedeværelsen af epidermal vækstfaktor (EGF) og fibroblast vækstfaktor-2 (FGF2 ). I første omgang blev hmNPC'erne isoleret og ekspanderet, før der udførtes en 2D-differentiering, som blev brugt til at producere en encellet suspension . Denne encellede suspension hjalp med at opnå en homogen 3D-struktur med ensartet samlet størrelse. 3D -aggregeringen dannede neurosfærer, som blev brugt til at danne en in vitro 3D CNS -model.
Bioaktive stilladser som traumatisk behandling af hjerneskade
Traumatisk hjerneskade (TBI) kan deformere hjernevævet, hvilket fører til nekrose primær skade, som derefter kan kaskade og aktivere sekundær skade såsom excitotoksicitet , betændelse , iskæmi og nedbrydning af blod-hjerne-barrieren . Skader kan eskalere og i sidste ende føre til apoptose eller celledød. Nuværende behandlinger fokuserer på at forhindre yderligere skade ved at stabilisere blødning, reducere intrakranielt tryk og betændelse og hæmme pro-apoptotiske kaskader. For at reparere TBI skade, en kommende terapeutisk mulighed indebærer anvendelse af NSC'er afledt fra den embryoniske peri- ventrikulære region. Stamceller kan dyrkes i et gunstigt 3-dimensionelt, lavt cytotoksisk miljø, en hydrogel , der vil øge NSC-overlevelsen, når de injiceres i TBI-patienter. De intracerebralt injicerede, primede NSC'er sås at migrere til beskadiget væv og differentiere sig til oligodendrocytter eller neuronale celler, der udskiller neuroprotektive faktorer.
Galectin-1 i neurale stamceller
Galectin-1 udtrykkes i voksne NSC'er og har vist sig at have en fysiologisk rolle i behandlingen af neurologiske lidelser i dyremodeller. Der er to tilgange til brug af NSC'er som en terapeutisk behandling: (1) stimulere iboende NSC'er til at fremme spredning for at erstatte skadet væv og (2) transplantere NSC'er i det beskadigede hjerneområde for at give NSC'erne mulighed for at genoprette vævet. Lentivirusvektorer blev brugt til at inficere humane NSC'er (hNSC'er) med Galectin-1, som senere blev transplanteret i det beskadigede væv. HGal-1-hNSC'erne inducerede bedre og hurtigere hjernegenvinding af det skadede væv samt en reduktion i motoriske og sensoriske underskud sammenlignet med kun hNSC-transplantation.
Assays
Neurale stamceller undersøges rutinemæssigt in vitro ved hjælp af en metode kaldet Neurosphere Assay (eller Neurosphere culture system), først udviklet af Reynolds og Weiss. Neurosfærer er i sig selv heterogene cellulære enheder, der næsten udelukkende dannes af en lille fraktion (1 til 5%) af langsomt delende neurale stamceller og af deres afkom, en population af hurtigt delende nestin -positive stamceller. Det samlede antal af disse progenitorer bestemmer størrelsen af en neurosfære, og som følge heraf kan forskelle i kuglestørrelse inden for forskellige neurosfærepopulationer afspejle ændringer i deres neurale progenitors spredning, overlevelse og/eller differentieringsstatus. Det er faktisk blevet rapporteret, at tab af β1- integrin i en neurosfære kultur ikke signifikant påvirker kapaciteten af β1-integrin mangelfuld stamceller til at danne nye neurosfærer, men det påvirker neurosfærens størrelse: β1-integrin mangelfuld neurosfærer var samlet mindre på grund af øget celledød og reduceret spredning.
Mens Neurosphere Assay har været den foretrukne metode til isolering, ekspansion og endda optælling af neurale stam- og stamceller, har flere nylige publikationer fremhævet nogle af begrænsningerne i neurosfærens kultursystem som en metode til bestemmelse af neurale stamcellefrekvenser. I samarbejde med Reynolds har STEMCELL Technologies udviklet et kollagenbaseret assay, kaldet Neural Colony -Forming Cell (NCFC) Assay, til kvantificering af neurale stamceller. Det er vigtigt, at denne analyse tillader diskrimination mellem neurale stam- og stamceller.
Historie
Det første bevis på, at neurogenese forekommer i visse områder af den voksne pattedyrshjerne, stammer fra [3H] -thymidinmærkningsundersøgelser udført af Altman og Das i 1965, som viste postnatal hippocampus neurogenese hos unge rotter. I 1989 beskrev Sally Temple multipotente, selvfornyende stamceller og stamceller i musens hjerne subventrikulære zone (SVZ). I 1992 var Brent A. Reynolds og Samuel Weiss de første til at isolere neurale stamceller og stamceller fra det voksne striatale væv , herunder SVZ - et af de neurogene områder - hos voksne mus hjernevæv. Samme år var teamet af Constance Cepko og Evan Y. Snyder de første til at isolere multipotente celler fra musens lillehjerne og transficerede dem stabilt med onkogenet v-myc . Dette molekyle er et af de gener, der i vid udstrækning bruges til at omprogrammere voksne ikke-stamceller til pluripotente stamceller. Siden da er neurale forfædre og stamceller blevet isoleret fra forskellige områder af det voksne centralnervesystem, herunder ikke-neurogene områder, såsom rygmarven , og fra forskellige arter, herunder mennesker.
Se også
Referencer
- Jaganathan, Arun; Tiwari, Meena; Phansekar, Rahul; Panta, Rajkumar; Huilgol, Nagraj (2011). "Intensitetsmoduleret stråling til at spare neurale stamceller i hjernetumorer: En beregningsplatform til evaluering af fysiske og biologiske dosismålinger" . Journal of Cancer Research and Therapeutics . 7 (1): 58–63. doi : 10.4103/0973-1482.80463 . PMID 21546744 .
eksterne links
-
Medier relateret til neurale stamceller på Wikimedia Commons
