ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2015, том 65, № 3, с. 271-305
= ОБЗОРЫ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ =
УДК 612.8:576.5
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ В МОЗГУ МЛЕКОПИТАЮЩИХ И ЧЕЛОВЕКА: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ
© 2015 г. М. А. Александрова1, 2, М. В. Марей2
1ФГБУН Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова, 2ФГБУН Центр акушерства, гинекологии и перинатологии им. В.И. Кулакова
e-mail: mariaaleks@inbox.ru Поступила в редакцию 02.02.2015 г.
Принята в печать 04.03.2015 г.
Стволовые клетки мозга чрезвычайно интригующий феномен. Целью обзора является попытка создать целостное представление о роли стволовых клеток в мозгу млекопитающих и человека и их клинических перспективах. За два последних десятилетия результаты исследований по биологии нейральных стволовых клеток внесли существенные коррективы в фундаментальные знания о процессах развитии и функционирования мозга. На базе изучения клеточных и молекулярных механизмов дифференцировки и поведения НСК сформировались новые представления об участии стволовых клеток в процессах обучения и памяти. В направлении регенеративной медицины развились оригинальные терапевтические подходы к нейродегенеративным заболеваниям в мозгу человека. В их основе лежит особенный регенеративный потенциал нейральных стволовых клеток и клеток предшественников, который суммируется из их способности замещать погибшие клетки и выделять многие биологически активные факторы, отсутствующие в патологическом мозгу. В настоящее время разработаны методы поддержания стволовых клеток в культуре и их дифференцировки в разные типы нейронов и глиальных клеток, которые необходимы для заместительной клеточной терапии в соответствующих заболеваниях. Благодаря успехам современных клеточных технологий значительно расширился арсенал необходимых для этого типов клеток. В ближайшие годы предстоит оценить, какие типы клеток окажутся наиболее перспективными для клеточной терапии у человека.
Ключевые слова: нейральные стволовые клетки, ниши стволовых клеток, молекулярные механизмы, культура клеток, клеточная терапия.
Stem Cells in the Brain of Mammals and Human: Fundamental and Applied Aspects
M. A. Aleksandrova1, 2, M. V. Marey2
1Federal State Budget Institution Koltzov Institute of Developmental Biology of Russian Academy of Sciences 2Federal State Budget Institution "Research Center for Obstetrics, Gynecology and Perinatology" Ministry of Healthcare
of the Russian Federation e-mail: mariaaleks@inbox.ru
Brain stem cells represent an extremely intriguing phenomenon. The aim of our review is to present an integrity vision of their role in the brain of mammals and humans, and their clinical perspectives. Over last two decades, investigations of biology of the neural stem cells produced significant changes in general knowledge about the processes of development and functioning of the brain. Researches on the cellular and molecular mechanisms of NSC differentiation and behavior led to new understanding of their involvement in learning and memory. In the regenerative medicine, original therapeutic approaches to neurodegenerative brain diseases have been elaborated due to fundamental achievements in this field. They are based on specific regenerative potential of neural stem cells and progenitor cells, which possess the ability to replace dead cells and express crucially significant biologically active factors that are missing in the pathological brain. For the needs of cell substitution therapy in the neural diseases, adequate methods of maintaining stem cells in culture and their differentiation into different types of neurons and glial cells, have been developed currently. The success of modern cellular technologies has significantly
expanded the range of cells used for cell therapy. The near future may bring new perspective and distinct progress in brain cell therapy due to optimizing the cells types most promising for medical needs.
Keywords: neural stem cells, stem cell niches, molecular mechanisms, cell culture, cell therapy. DOI: 10.7868/S004446771503003X
Открытие в мозгу взрослых млекопитающих нейрогенеза и нейральных стволовых клеток (НСК), обеспечивающих это процесс, изменило устоявшиеся представления о развитии и структуре мозга. Важнейшим биологическим свойством стволовых клеток и ней-ральных в их числе, является способность к симметричным и асимметричным митозам. В результате симметричного деления стволовые клетки поддерживают свое неограниченное самовоспроизведение. В то время как при асимметричных митозах образуются дочерние клетки предшественники (прогениторы), дифференцирующиеся в нейроны, астроци-ты и олигодендроциты [Викторов, 2001; Colucci-D'Amato, di Porzio, 2008; Gage, 2000]. На ранних этапах развития мозга стволовыми являются клетки нейроэпителия и радиальной глии, из которых формируются все нейроны и глиальные клетки. У взрослых млекопитающих столовые характеристики сохраняют своеобразные астроцитарные клетки, по морфологии и молекулярным свойствам сходные с клетками радиальной глии [Malat-esta, Götz, 2013]. Активность нейрогенеза коррелирует с физиологическими условиями, влиянием патологических факторов и особенностями поведенческих ситуаций. Нейрогенез усиливается при физической нагрузке [Farmer et al., 2004; van Praag et al., 1999], при умеренном голодании [Lee et al., 2002], при введении факторов роста [Zigova et al., 1998], под влиянием антидепрессантов [Malberg et al., 2000], в обогащенной среде [Kempermann et al., 1997], при обучении [Gould et al., 1999]. Снижение нейрогенеза связано с нейродегенеративными процессами [Simpson et al., 2011], стрессом [Gould et al., 1998], и главным образом со старением [Kuhn et al., 1996; Rao et al., 2006].
Постоянное возникновение новых нейронов из НСК и их интеграция (хотя и в ограниченных областях мозга в норме) свидетельствуют о том, что в дифференцированном мозгу возможна регенерация и функциональная адаптации нервных клеток в существующую информационную систему. Это дало надежду на то, что активация эндогенных НСК
или трансплантация размноженных in vitro НСК и клеток предшественников нейронов и глии позволит реконструировать мозг при травмах и нейродегенеративных заболеваниях — ишемии, болезни Паркинсона, Гентингтона, Альцгеймера и других нарушениях [Braun, Jessberger, 2014]. Около 25 лет назад изучение биологии НСК активно началось по многим направлениям. В настоящее время ведутся исследования механизмов цитогенеза НСК в развивающемся и во взрослом мозгу, механизмов поддержания стволовых свойств и диффе-ренцировки НСК in vitro, изучается регенеративный потенциал стволовых клеток и клеток предшественников при трансплантации в нормальный и патологически измененный мозг.
1. СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ В РАЗВИТИИ МОЗГА
Идея, что в мозгу взрослых млекопитающих могут возникать новые нейроны из недифференцированных предшественников (например, из эпендимных клеток) была высказана Д. Альтманом в 1962 году. Он использовал новый тогда метод авторадиографии для выявления пролиферирующих клеток после травмы мозга и обнаружил включившие меченный тимидин не только глиальные клетки, но и нейробласты [Altman, 1962]. Дальнейшие исследования обнаружили делящиеся клетки в субвентрикулярной зоне, гиппокампе и обонятельных луковицах у постнатальных грызунов и подтвердили, что среди вновь образованных клеток много ней-робластов и нейронов [Altman, Das, 1965]. Авторы уже тогда высказали предположение, что нейрогенез в гиппокампе может иметь отношение к процессам обучения и памяти, однако его изучение началось только с появлением адекватных методов в конце 90-х, начале 2000 годов. А в те годы Д. Альтман и его коллега Г. Дас вероятно поняли, что интеграция малодифференцированных клеток представляет собой фундаментальное свойство взрослого мозга. Поэтому они сосредоточились на исследовании проблемы взаимодействия нейробла-стов с клетками дифференцированного мозга.
Для ее решения авторы использовали классический метод экспериментальной эмбриологии — трансплантацию кусочков мозга от эмбрионов в мозг новорожденных и взрослых животных [Das, Altman, 1972]. Именно тогда (несмотря на ранние спорадические работы), трансплантация вошла в нейробиологию, как принципиально новый метод для исследования развития и дифференцировки нервной ткани, формирования межнейрональных взаимодействий, стимуляции восстановительных процессов и регенерации в мозгу млекопитающих [Александрова, 2001; Виноградова, 1984; Журавлева, 2004; Полежаев, 1985]. Многочисленные исследования в этой области заложили основу современной клеточной терапии и, как ни парадоксально, они с одной стороны отодвинули открытие стволовых клеток, а с другой спровоцировали их.
В то время основными источниками клеток для нейротрансплантации служили эмбриональные и фетальные ткани мозга (животных и человека). К 90-м годам уже были накоплены значительные фундаментальные знания в этой области. Но когда некоторые исследования перешли в фазу клинических испытаний, во многих странах ввели новый этический регламент, и использование тканей, выделенных непосредственно из абортивных плодов человека, попало под запрет. Однако достижения в этой области исследований были столь значимы для нейробиоло-гии и клиники, что их необходимо было продолжать. Поэтому встала проблема поиска альтернативного источника малодифферен-цированных нейральных клеток.
Это совпало с тем, что Б. Рейнольдс и С. Вейс разработали новый метод культивирования клеток, который использовали для поддержания клеток, полученных из нейро-генных областей мозга взрослых мышей (которые описал Альтман 30 лет назад). Совершенно неожиданно оказалось, что в бессывороточных средах со специальными добавками клетки поддерживались и размножались длительное время. Клетки образовывали свободноплавающие клоны шарообразной формы — нейро-сферы, которые можно было диссоциировать и высаживать их единичные клетки, которые вновь формировали нейросферы. Эту процедуры повторяли много раз. Исследование дифференцировки клеток нейросфер показано, что они развиваются в нейроны, астроци-ты и олигоденд
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.