Nerwowa komórka macierzysta - Neural stem cell

Nerwowa komórka macierzysta
Nerwowe komórki progenitorowe (zielone) w opuszce węchowej szczura
Detale
System	System nerwowy
Identyfikatory
łacina	Cellula nervosa praecursoria
Siatka	D058953
NS	H2.00.01.0.00010
FMA	86684
Anatomiczne terminy mikroanatomii [ edytuj na Wikidanych ]

Neuronalne komórki macierzyste ( NSC ) są samo-odnawiania multipotencjalnych komórek, które po pierwsze generują promieniste glejowych komórek progenitorowych , które generują neuronów i komórek glejowych w układzie nerwowym wszystkich zwierząt w trakcie rozwoju embrionalnego . Niektóre nerwowe progenitorowe komórki macierzyste utrzymują się w bardzo ograniczonych regionach mózgu dorosłego kręgowca i nadal wytwarzają neurony przez całe życie. Różnice w wielkości ośrodkowego układu nerwowego należą do najważniejszych różnic między gatunkami, a zatem mutacje w genach regulujących wielkość przedziału nerwowych komórek macierzystych należą do najważniejszych czynników stymulujących ewolucję kręgowców.

Komórki macierzyste charakteryzują się zdolnością do różnicowania się na wiele typów komórek. Przechodzą symetryczny lub asymetryczny podział komórek na dwie komórki potomne. W symetrycznym podziale komórkowym obie komórki potomne są również komórkami macierzystymi. W podziale asymetrycznym komórka macierzysta wytwarza jedną komórkę macierzystą i jedną komórkę wyspecjalizowaną. NSC różnicują się głównie w neurony , astrocyty i oligodendrocyty .

Lokalizacja mózgu

W mózgu dorosłego ssaka strefa podziarnista w zakręcie zębatym hipokampa, strefa podkomorowa wokół komór bocznych i podwzgórze (dokładnie w grzbietowym rejonie α1, α2 i „obszarze proliferacyjnym podwzgórza”, zlokalizowane w sąsiednim środkowym wzniesieniu) doniesiono, że zawierają nerwowe komórki macierzyste.

Rozwój

Pochodzenie in vivo

Nerwowe komórki macierzyste różnicujące się do astrocytów (zielone) i miejsca receptora hormonu wzrostu pokazane na czerwono

Istnieją dwa podstawowe typy komórek macierzystych: dorosłe komórki macierzyste , które mają ograniczoną zdolność do różnicowania oraz embrionalne komórki macierzyste (ESC), które są pluripotencjalne i mają zdolność różnicowania się w dowolny typ komórki.

Neuronowe komórki macierzyste są bardziej wyspecjalizowane niż RSG, ponieważ wytwarzają jedynie promieniowe glejowe , które powodują w neuronach i do komórek glejowych w centralnym układzie nerwowym (OUN). Podczas rozwoju embrionalnego kręgowców NSC przechodzą w komórki gleju radialnego (RGC), znane również jako komórki progenitorowe gleju radialnego (RGP) i znajdują się w strefie przejściowej zwanej strefą komorową (VZ). Neurony są generowane w dużych ilościach przez (RGP) w określonym okresie rozwoju embrionalnego w procesie neurogenezy i nadal są generowane w dorosłym życiu w ograniczonych obszarach dorosłego mózgu. NSC dorosłych różnicują się nowych neuronów w obrębie dorosły strefie okołokomorowej (SVZ), pozostałością embrionalnych germinalnym neuroepithelium , jak również zakrętu zębatego w hipokampie .

Pochodzenie in vitro

Dorosłe NSC po raz pierwszy wyizolowano z prążkowia myszy na początku lat 90. XX wieku. Hodowane in vitro są zdolne do tworzenia multipotencjalnych neurosfer . Neurosfery mogą wytwarzać samoodnawiające się i proliferujące wyspecjalizowane komórki. Te neurosfery mogą się różnicować, tworząc określone neurony, komórki glejowe i oligodendrocyty. We wcześniejszych badaniach hodowane neurosfery zostały przeszczepione do mózgów noworodków myszy z niedoborem odporności i wykazały wszczepienie, proliferację i różnicowanie nerwowe.

Komunikacja i migracja

NSC są stymulowane do rozpoczęcia różnicowania poprzez egzogenne sygnały z mikrośrodowiska lub niszy komórek macierzystych. Niektóre komórki nerwowe są migrowane z SVZ wzdłuż rostralnego strumienia migracyjnego, który po stymulacji zawiera strukturę podobną do szpiku z komórkami wyściółkowymi i astrocytami. Komórki wyściółki i astrocyty tworzą rurki glejowe wykorzystywane przez migrujące neuroblasty . Astrocyty w rurkach zapewniają wsparcie migrującym komórkom, a także izolację od sygnałów elektrycznych i chemicznych uwalnianych z otaczających komórek. Astrocyty są głównymi prekursorami szybkiej amplifikacji komórek. Neuroblasty tworzą ciasne łańcuchy i migrują w kierunku określonego miejsca uszkodzenia komórki, aby naprawić lub zastąpić komórki nerwowe. Jednym z przykładów jest neuroblast migrujący w kierunku opuszki węchowej, aby różnicować się w neurony okołokłębuszkowe lub ziarniste, które mają raczej wzór migracji promieniowej niż stycznej.

Starzenie się

Proliferacja nerwowych komórek macierzystych zmniejsza się w wyniku starzenia . Podjęto różne podejścia, aby przeciwdziałać temu spadkowi związanemu z wiekiem. Ponieważ białka FOX regulują homeostazę nerwowych komórek macierzystych , białka FOX zostały wykorzystane do ochrony nerwowych komórek macierzystych poprzez hamowanie sygnalizacji Wnt .

Funkcjonować

Czynnik wzrostu naskórka (EGF) i czynnik wzrostu fibroblastów (FGF) są mitogenami, które promują wzrost neuronalnych komórek progenitorowych i macierzystych in vitro , chociaż do optymalnego wzrostu wymagane są również inne czynniki syntetyzowane przez populacje neuronalnych komórek progenitorowych i macierzystych. Przypuszcza się, że neurogeneza w mózgu osoby dorosłej pochodzi z NSC. Pochodzenie i tożsamość NSC w mózgu osoby dorosłej pozostają do ustalenia.

Podczas różnicowania

Najszerzej akceptowanym modelem dorosłego NSC jest promienista, glejowa, włóknista komórka kwaśnego białka kwaśnego . Spoczynkowe komórki macierzyste to Typ B, które są w stanie pozostać w stanie spoczynku dzięki odnawialnej tkance dostarczanej przez specyficzne nisze składające się z naczyń krwionośnych, astrocytów, mikrogleju , komórek wyściółki i macierzy zewnątrzkomórkowej obecnej w mózgu. Te nisze zapewniają pożywienie, wsparcie strukturalne i ochronę dla komórek macierzystych, dopóki nie zostaną aktywowane przez bodźce zewnętrzne. Po aktywacji komórki typu B rozwijają się w komórki typu C, aktywne proliferujące komórki pośrednie, które następnie dzielą się na neuroblasty składające się z komórek typu A. Niezróżnicowane neuroblasty tworzą łańcuchy, które migrują i rozwijają się w dojrzałe neurony. W opuszce węchowej dojrzewają do neuronów ziarnistych GABAergicznych, podczas gdy w hipokampie dojrzewają do komórek ziarnistych zębatych.

Modyfikacja epigenetyczna

Modyfikacje epigenetyczne są ważnymi regulatorami ekspresji genów w różnicowaniu nerwowych komórek macierzystych . Kluczowe modyfikacje epigenetyczne obejmują metylację cytozyny DNA do 5-metylocytozyny i demetylację 5-metylocytozyny . Tego typu modyfikacje mają kluczowe znaczenie dla określenia losu komórek w rozwijającym się i dorosłym mózgu ssaka.

Metylacja cytozyny DNA jest katalizowana przez metylotransferazy DNA (DNMT) . Demetylacja metylocytozyny jest katalizowana w kilku odrębnych etapach przez enzymy TET, które przeprowadzają reakcje oksydacyjne (np. 5-metylocytozyna do 5-hydroksymetylocytozyny ) oraz enzymy szlaku naprawy przez wycinanie zasad DNA (BER).

Podczas choroby

NSC odgrywają ważną rolę podczas rozwoju, wytwarzając ogromną różnorodność neuronów, astrocytów i oligodendrocytów w rozwijającym się OUN. Odgrywają również ważną rolę u dorosłych zwierząt, na przykład w uczeniu się i plastyczności hipokampa u dorosłych myszy, oprócz dostarczania neuronów do opuszki węchowej u myszy.

W szczególności rola NSC podczas chorób jest obecnie wyjaśniana przez kilka grup badawczych na całym świecie. Odpowiedzi podczas udaru , stwardnienia rozsianego i choroby Parkinsona w modelach zwierzęcych iu ludzi są częścią obecnego badania. Wyniki tego trwającego badania mogą mieć przyszłe zastosowania w leczeniu chorób neurologicznych u ludzi.

Wykazano, że nerwowe komórki macierzyste angażują się w migrację i zastępowanie umierających neuronów w klasycznych eksperymentach przeprowadzonych przez Sanjay Magavi i Jeffrey Macklis . Wykorzystując wywołane laserem uszkodzenie warstw korowych , Magavi wykazał, że progenitory neuronalne SVZ wyrażające Doublecortin , cząsteczkę krytyczną dla migracji neuroblastów, migrowały na duże odległości do obszaru uszkodzenia i różnicowały się w dojrzałe neurony z ekspresją markera NeuN . Ponadto grupa Masato Nakafuku z Japonii po raz pierwszy wykazała rolę hipokampalnych komórek macierzystych podczas udaru u myszy. Wyniki te pokazały, że NSC mogą angażować się w mózg dorosłego człowieka w wyniku urazu. Co więcej, w 2004 roku grupa Evana Y. Snydera wykazała, że ​​NSC migrują do guzów mózgu w sposób ukierunkowany. Jaime Imitola , MD i koledzy z Harvardu po raz pierwszy zademonstrowali molekularny mechanizm odpowiedzi NSC na uraz. Wykazali, że chemokiny uwalniane podczas urazu, takie jak SDF-1a, były odpowiedzialne za ukierunkowaną migrację ludzkich i mysich NSC do obszarów urazu u myszy. Od tego czasu odkryto, że inne cząsteczki uczestniczą w odpowiedziach NSC na uszkodzenie. Wszystkie te wyniki zostały szeroko powtórzone i rozszerzone przez innych badaczy, którzy dołączyli do klasycznej pracy Richarda L. Sidmana w autoradiografii w celu wizualizacji neurogenezy podczas rozwoju i neurogenezy u dorosłych przez Josepha Altmana w latach 60. XX wieku, jako dowód odpowiedzi na aktywność dorosłych NSC i neurogenezę podczas homeostazy i urazu.

Poszukiwanie dodatkowych mechanizmów działających w środowisku urazowym oraz ich wpływu na reakcje NSC podczas ostrej i przewlekłej choroby jest przedmiotem intensywnych badań.

Badania

Terapia regeneracyjna OUN

Śmierć komórki jest charakterystyczna dla ostrych zaburzeń OUN, a także chorób neurodegeneracyjnych. Utrata komórek jest wzmacniana przez brak zdolności regeneracyjnych do wymiany i naprawy komórek w OUN. Jednym ze sposobów na obejście tego jest zastosowanie terapii zastępowania komórek za pomocą regeneracyjnych NSC. NSC można hodować in vitro jako neurosfery. Te neurosfery składają się z nerwowych komórek macierzystych i prekursorów (NSPC) z czynnikami wzrostu, takimi jak EGF i FGF. Usunięcie tych czynników wzrostu aktywuje różnicowanie do neuronów, astrocytów lub oligodendrocytów, które można przeszczepić do mózgu w miejscu uszkodzenia. Korzyści z tego podejścia terapeutycznego zostały zbadane w leczeniu choroby Parkinsona , choroby Huntingtona i stwardnienie rozsiane . NSPC indukują naprawę neuronalną poprzez wewnętrzne właściwości neuroprotekcji i immunomodulacji . Niektóre możliwe drogi przeszczepu obejmują przeszczep domózgowy i ksenotransplantację .

Alternatywnym podejściem terapeutycznym do przeszczepu NSPC jest farmakologiczna aktywacja endogennych NSPC (eNSPC). Aktywowane eNSPC wytwarzają czynniki neurotroficzne, kilka terapii, które aktywują szlak, który obejmuje fosforylację STAT3 na reszcie seryny, a następnie podwyższenie ekspresji Hes3 ( oś sygnalizacji STAT3-Ser/Hes3 ) przeciwdziała śmierci neuronów i progresji choroby w modelach zaburzeń neurologicznych.

Generowanie modeli 3D in vitro ludzkiego OUN

Ludzki śródmózgowia pochodzące z A neuronowe progenitorowe (hmNPCs) mają zdolność do różnicowania się w dół kilku liniach komórek nerwowych, które prowadzą do neurosfer oraz wielu fenotypowych nerwowych. hmNPC można wykorzystać do opracowania trójwymiarowego modelu ludzkiego OUN in vitro . Istnieją dwa sposoby hodowania hmNPC, przylegającej monowarstwy i systemów hodowli neurosfery. System hodowli neurosfery był wcześniej używany do izolacji i ekspansji komórek macierzystych OUN dzięki ich zdolności do agregacji i proliferacji hmNPC w warunkach pożywki bez surowicy, a także w obecności naskórkowego czynnika wzrostu (EGF) i czynnika wzrostu fibroblastów-2 (FGF2). ). Początkowo hmNPC izolowano i namnażano przed przeprowadzeniem różnicowania 2D, które zastosowano do wytworzenia zawiesiny pojedynczych komórek . Ta jednokomórkowa zawiesina pomogła uzyskać jednorodną strukturę 3D o jednakowej wielkości kruszywa. Agregacja 3D utworzyła neurosfery, które wykorzystano do utworzenia modelu 3D OUN in vitro .

Bioaktywne rusztowania jako leczenie urazowego uszkodzenia mózgu

Urazowe uszkodzenie mózgu (TBI) może deformować tkankę mózgową, prowadząc do pierwotnych uszkodzeń martwicy, które następnie mogą kaskadowo i aktywować wtórne uszkodzenia, takie jak ekscytotoksyczność , stan zapalny , niedokrwienie i rozpad bariery krew-mózg . Uszkodzenia mogą się nasilać i ostatecznie prowadzić do apoptozy lub śmierci komórki. Obecne metody leczenia koncentrują się na zapobieganiu dalszym uszkodzeniom poprzez stabilizację krwawienia, zmniejszenie ciśnienia śródczaszkowego i stanu zapalnego oraz hamowanie kaskad proapoptotycznych. W celu naprawy uszkodzeń TBI, nadchodzące opcja terapeutyczna obejmuje stosowanie NSC pochodzących z zarodkowych około- komorowego regionie. Komórki macierzyste mogą być hodowane w korzystnym trójwymiarowym środowisku o niskiej cytotoksyczności , hydrożelu , który zwiększy przeżywalność NSC po wstrzyknięciu pacjentom z TBI. Zaobserwowano, że wstrzyknięte śródmózgowo, napiętnowane NSC migrują do uszkodzonej tkanki i różnicują się w oligodendrocyty lub komórki neuronalne, które wydzielają czynniki neuroprotekcyjne.

Galektyna-1 w nerwowych komórkach macierzystych

Galektyna-1 jest wyrażana w dorosłych NSC i wykazano, że odgrywa fizjologiczną rolę w leczeniu zaburzeń neurologicznych w modelach zwierzęcych. Istnieją dwa podejścia do stosowania NSC jako leczenia terapeutycznego: (1) stymulowanie wewnętrznych NSC w celu promowania proliferacji w celu zastąpienia uszkodzonej tkanki oraz (2) przeszczepienie NSC do uszkodzonego obszaru mózgu w celu umożliwienia NSC odtworzenia tkanki. Wektory lentiwirusowe zastosowano do zakażenia ludzkich NSC (hNSC) galektyną-1, które później przeszczepiono do uszkodzonej tkanki. hGal-1-hNSC indukowały lepszą i szybszą regenerację uszkodzonej tkanki w mózgu, jak również zmniejszenie deficytów motorycznych i czuciowych w porównaniu z przeszczepem tylko hNSC.

Testy

Nerwowe komórki macierzyste są rutynowo badane in vitro metodą określaną jako Test Neurosphere (lub system hodowli Neurosphere), po raz pierwszy opracowaną przez Reynoldsa i Weissa. Neurosfery są z natury niejednorodnymi jednostkami komórkowymi, prawie całkowicie utworzonymi przez niewielką frakcję (1 do 5%) wolno dzielących się nerwowych komórek macierzystych i ich potomstwo, populację szybko dzielących się komórek macierzystych z pozytywnym wynikiem nestyny . Całkowita liczba tych progenitorów determinuje wielkość neurosfery iw rezultacie różnice w wielkości sfery w różnych populacjach neurosfer mogą odzwierciedlać zmiany w proliferacji, przetrwaniu i/lub stanie różnicowania ich neuronalnych przodków. Rzeczywiście, doniesiono, że utrata integryny β1 w hodowli neurosfery nie wpływa znacząco na zdolność komórek macierzystych z niedoborem integryny β1 do tworzenia nowych neurosfer, ale wpływa na wielkość neurosfery: ogólnie neurosfery z niedoborem integryny β1 mniejsze ze względu na zwiększoną śmierć komórek i zmniejszoną proliferację.

Chociaż test neurosfery był metodą z wyboru do izolacji, ekspansji, a nawet zliczania nerwowych komórek macierzystych i progenitorowych, kilka ostatnich publikacji zwróciło uwagę na pewne ograniczenia systemu hodowli neurosfery jako metody określania częstotliwości nerwowych komórek macierzystych. We współpracy z Reynolds, firma STEMCELL Technologies opracowała oparty na kolagenie test, zwany testem komórek tworzących kolonie nerwowe (NCFC), do ilościowego oznaczania nerwowych komórek macierzystych. Co ważne, test ten umożliwia rozróżnienie między nerwowymi komórkami macierzystymi a progenitorowymi.

Historia

Pierwszy dowód na to, że neurogeneza występuje w pewnych obszarach mózgu dorosłych ssaków pochodzi z badań znakowania [3H]-tymidyny przeprowadzonych przez Altmana i Dasa w 1965 roku, które wykazały pourodzeniową neurogenezę w hipokampie u młodych szczurów. W 1989 roku Sally Temple opisała multipotencjalne, samoodnawiające się komórki progenitorowe i macierzyste w strefie podkomorowej (SVZ) mózgu myszy. W 1992 roku Brent A. Reynolds i Samuel Weiss jako pierwsi wyizolowali neuronalne komórki progenitorowe i macierzyste z tkanki dorosłego prążkowia , w tym SVZ — jednego z obszarów neurogennych — tkanki mózgowej dorosłych myszy. W tym samym roku zespół Constance Cepko i Evana Y. Snydera jako pierwszy wyizolował komórki multipotencjalne z móżdżku myszy i stabilnie transfekował je onkogenem v-myc . Ta cząsteczka jest jednym z genów szeroko stosowanych obecnie do przeprogramowania dorosłych komórek niemacierzystych w pluripotencjalne komórki macierzyste. Od tego czasu neuronalne komórki progenitorowe i macierzyste izolowano z różnych obszarów ośrodkowego układu nerwowego dorosłych, w tym obszarów nieneurogennych, takich jak rdzeń kręgowy , oraz z różnych gatunków, w tym ludzi.

Zobacz też

• Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste
• Lista typów komórek ludzkich pochodzących z listków zarodkowych

Bibliografia

• Jaganathan, Arun; Tiwari, Meena; Phansekar, Rahul; Panta, Rajkumar; Huilgol, Nagraj (2011). „Promieniowanie o modulowanej intensywności w celu oszczędzania nerwowych komórek macierzystych w guzach mózgu: platforma obliczeniowa do oceny fizycznych i biologicznych wskaźników dawki” . Journal of Cancer Research and Therapeutics . 7 (1): 58–63. doi : 10.4103/0973-1482.80463 . PMID  21546744 .

Zewnętrzne linki

• Multimedia związane z nerwowymi komórkami macierzystymi w Wikimedia Commons