Стволовые клетки и нейродегенеративные заболевания (2)

Стволовые клетки и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки в нейродегенерации: что выбрать?

Продолжение. Начало статьи здесь.

Легче всего сказать, что клетки человеческого происхождения можно использовать непосредственно для получения более четкого представления о нейродегенеративных заболеваниях, однако на практике данный подход не так прост, как кажется. Развивающийся in vitro сценарий лишен интактной системы органов, межорганных взаимодействий, кровоснабжения и соединительной ткани. Каждое заболевание имеет характерные только для него клеточные, молекулярные, анатомические, генотипические и фенотипические параметры. Поддержание культуры таких специфичных клеток является еще одной сложной задачей, требующей разработки стандартизованных протоколов, условий культивирования и специальных навыков. Например, как описано в дальнейших разделах, болезнь Паркинсона требует культивировирования допаминергических нейронов, боковой амиотрофический склероз – культивирования клеток глии, двигательных нейронов и астроцитов, а болезнь Гентингтона – культивирования срединных шипиковых и стриальных нейронов. Клеточные технологии позволяют в значительной степени удовлетворить все эти требования.

Вкратце стволовые клетки являются «наивными» клетками организма, обладающими исключительной способностью к самообновлению, пролиферации, дифференцировке и программированию на превращение в клетки разных ростков. Они могут иметь плодное или эмбриональное происхождение, а также выделяться из тканей взрослого организма. Несмотря на ряд этических вопросов, биология стволовых клеток находит широкое применение как в научной, так и в медицинской сферах. Стволовые клетки можно конвертировать практически во все типы клеток, что позволяет использовать их в рутинном моделировании заболеваний. Моногенные заболевания с четким клеточным фенотипом и высокой пенетрантностью (показателем фенотипического проявления аллеля в популяции) сравнительно легче поддаются моделированию по сравнению с менее пенетрантными болезнями позднего возраста, в развитие которых вовлечено множество генов. В случае моногенных патологий ассоциированный с заболеванием ген преднамеренно мутируют с помощью методов генной инженерии для получения стволоклеточных моделей. Несущие хромосомные аберрации эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) используются для моделирования хромосомных заболеваний. Сложные заболевания позднего возраста, не выявляемые с помощью пренатальной диагностики, более эффективно моделируются на индуцированных плюрипотентных стволовых клетках самого пациента.

До сегодняшнего дня для экспериментального моделирования заболеваний использовались животные модели in vivo, однако получаемые при этом данные не позволяют достоверно воспроизводить заболевания человека и поэтому не могут быть непосредственно экстраполированы. Это является основным ограничением различных исследований на животных моделях. Преодолеть эту основную трудность позволяет только использование образцов человеческих тканей. Нейродегенерация ведет к прогрессирующей утрате функциональности головного мозга в результате необратимой постепенной гибели нейронов и других клеток центральной нервной системы. В связи с этим трансплантационная терапия может применяться для восстановления и обновления поврежденных нейронных сетей головного мозга, а также для пополнения гибнущей популяции нейронов. Успешное направление дифференцировки стволовых клеток в нейроны описано во множестве публикаций, и огромное количество протоколов позволяет добиться этого результата.

В этом отношении изучались такие заболевания, как ишемия головного мозга, спинальная мышечная атрофия, травмы спинного мозга, амиотрофический латеральный склероз, болезнь Мачадо-Джозефа и многие другие. Среди прочего к этим патологиям эффективно применялась терапия стволовыми клетками. Эмбриональные стволовые клетки по своей природе являются плюрипотентными и обладают исключительным потенциалом к восстановлению повреждений головного мозга и нейродегенеративных изменений посредством трансплантации, однако их широкое применение ограничивается риском развития опухолей. Мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки также нашли широкое применение благодаря своим иммуномодулирующим свойствам, обеспечивающим их способность избегать конфликта с иммунной системой и не вызывать развития реакции отторжения. Нервные клетки-предшественники, или нервные стволовые клетки, полученные из плодного головного мозга, также являются мультипотентными, однако могут дифференцироваться только в клетки нервной ткани. Эти клетки пригодны для клинического применения благодаря характерному для них сниженному риску формирования опухолей, однако они обычно малочисленны и очень трудны в выделении. Помимо наивных стволовых клеток широкое применение в настоящее время находят индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК), полученные путем обратного программирования соматических клеток. Эти клетки производятся в больших количествах и в настоящее время в коммерческом доступе имеются различные линии иПСК. На сегодняшний день подробно описано применение Parp1 (поли(АДФ-рибоза)-полимеразы-1) для получения иПСК, что также значительно снижает риск формирования опухолей. Однако полностью устранить риск формирования тератом на сегодняшний день не удалось. Получение иПСК из различных соматических клеток организма, в том числе из клеток периферической крови, гепатоцитов, клеток желудка и кератиноцитов, подробно описано в литературе. Для получения иПСК достаточно 10 мкл капиллярной крови, получаемой при уколе подушечки пальца. Выращенные из материала пациентов иПСК могут использоваться для непосредственного моделирования различных нейродегенеративных заболеваний человека. Различные исследовательские группы создали и описали специфичные для заболеваний линии иПСК. Стволовые клетки и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки используются не только для моделирования нейродегенеративных заболеваний, но и в трансплантационной терапии. Однако применение иПСК также имеет определенные ограничения. Для нейродегенеративных заболеваний, как правило, характерно позднее начало и их симптомы начинают манифестировать по мере старения. Поэтому создание их животных моделей требует не только больших временных затрат, но и существенных финансовых вложений. В целом принято считать, а также существуют доказательства того, что выделенные у пациента иПСК несут вызывающие заболевания мутации и эпигенетический профиль пациента, что делает их оптимальным материалом для создания in vitro моделей заболеваний. Однако при репрограммировании в индуцированное плюрипотентное состояние соматические клетки теряют ассоциированные с возрастом особенности и омолаживаются, приобретая статус, близкий к статусу эмбриональных клеток. Это проявляется утратой/снижением экспрессии маркеров физиологического старения, улучшением состояния митохондрий и увеличением длины теломер. Поэтому даже полученные из клеток пациента иПСК из-за утраты ассоциированных с возрастом фенотипов не позволяют эффективно моделировать возрастные нейродегенеративные заболевания. Однако эту проблему удалось преодолеть путем индукции преждевременного старения с помощью прогерина. Прогерин представляет собой усеченный транскрипт ламина А (белка ядерной оболочки), формирующийся в результате мутации гена LMNA. Накопление прогерина в ядерной мембране вызывает дисфункцию ламина А, что приводит к нарушениям организации хроматина, клеточного цикла, поддержания длины теломер и реакции на повреждения ДНК. Высокие уровни прогерина ассоциированы со старением. Под действием прогерина в иПСК развиваются возрастные фенотипы, такие как дегенерация дендритов, накопление нейромеланина, нарушение регуляции AKT, увеличение размеров митохондрий и снижение количества ТН-положительных нейронов (Tyrosine hydroxylase-positive neurons). Такие несущие маркеры старения иПСК позволяют более эффективно воспроизводить нейродегенеративные заболевания. В последующих разделах обсуждается применение стволовых клеток и иПСК в изучении наиболее распространенных во всем мире нейродегенеративных заболеваний.

Рисунок 1. Схематичное изображение прогресса, достигнутого в области
изучения стволовых клеток в контексте нейробиологии.

Продолжение: Стволовые клетки и болезнь Альцгеймера

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
28.02.2017