Одной из наиболее амбициозных задач регенеративной медицины является разработка новых лечебных технологий в терапии мозгового инсульта. До настоящего времени исследования в области применения стволовых клеток были нацелены на создание «лечебных» нейронов — для восстановления ткани мозга, поврежденной в результате недостаточного кровоснабжения из-за атеротромбоза или диссекции (разрыва) церебральных артерий. Вместе с тем результаты нового исследования ученых из Калифорнийского университета в Дэвисе (UC Davis), США, опубликованного в «Nature Communications», показали, что для решения данной задачи в большей степени подходят другие клетки головного мозга.
Согласно результатам, полученным в ходе крупного совместного исследования, установлено, что астроциты — нейтральные клетки, транспортирующие в мозг питательные вещества и формирующие гематоэнцефалический барьер, — могут выполнять также церебропротекторные функции и уменьшать выраженность неврологического дефицита после перенесенного мозгового инсульта или других ишемических повреждений мозга.
По мнению ученых, астроциты часто рассматривают в качестве клеток с «обслуживающими» функциями из-за их поддерживающей роли в отношении нейронов, однако в действительности их специализация значительно сложнее. Астроциты играют ключевую роль в обеспечении нескольких мозговых функций, кроме того, полагают, что именно они защищают нейроны мозга от повреждения и гибели. Данные клетки не обладают способностью к возбуждению, как нейроны, и поэтому более приемлемы для вовлечения в выполнение других функций.
Авторы планировали начать изучение терапевтического потенциала астроцитов в лечении неврологических заболеваний с решения проблемы восстановления мозговой ткани при инсульте.
До настоящего времени функциональные возможности астроцитов в указанном контексте не изучали, поскольку достижение уровня чистоты клеточного материала, необходимого для терапии стволовыми клетками, было достаточно сложной проблемой. Кроме того, отсутствовала ясность в понимании дифференцировки типов астроцитов с протекторными и репаративными свойствами в отношении поврежденной ткани мозга.
Ученые начали работу с применения транскрибирующего фактора (белка, активирующего гены) под названием Olig2 для дифференцировки эмбриональных стволовых клеток человека в астроциты. Применение данного подхода привело к созданию прежде неизвестного типа астроцитов, названного Olig2PC-Astros, и, что является особенно важным, позволило достичь практически 100% чистоты клеточной культуры. Затем сравнили эффекты полученной культуры астроцитов Olig2PC-Astros, стандартного типа астроцитов NPC-Astros и отсутствия какого либо воздействия в эксперименте в 3 группах лабораторных животных. У крыс 1-й группы, которым трансплантировали астроциты Olig2PC-Astros, выявлены признаки максимальной нейропротекции параллельно с высокими уровнями нейротрофического фактора мозга (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) — протеина, ассоциирующегося с процессами роста нервных клеток и сохранением их жизнеспособности. У крыс с трансплантированными астроцитами NPC-Astros и крыс без каких-либо вмешательств выявлено значительное количество погибших нейронов головного мозга.
В ходе изучения степени влияния трансплантированных астроцитов на поведенческие реакции животных ученые использовали водный лабиринт для оценки обучаемости крыс и их способности к запоминанию.
Водный лабиринт Мориса (Morris water maze) — один из наиболее широко применяемых тестов в неврологии для изучения физиологических процессов и нейрональных механизмов обучения и запоминания. Как правило, животных — крыс или мышей — помещают в круглую емкость с водой и побуждают с целью спасения выбраться на скрытую в воде платформу, расположение которой может быть определено лишь посредством пространственной памяти, поскольку отсутствуют какие-либо опознавательные знаки ее местонахождения. Концептуально тест ассоциируется с функцией нейронов в гиппокампе, распознающих или представляющих пространственные точки окружающей среды.
Водный лабиринт Мориса, первоначально созданный для оценки пространственной ориентации и пространственной памяти, в настоящее время достаточно часто используется для изучения когнитивных функций (в частности, на фоне старения, перенесенных инсультов и нейродегенеративных заболеваний), а также эффектов новых лекарственных препаратов в экспериментах на лабораторных животных.
Спустя 14 дней после трансплантации крысам с астроцитами Olig2PC-Astros для навигации в лабиринте требовалось значительно меньше времени по сравнению с крысами из двух других групп.
Протекторные свойства астроцитов в отношении защиты нейронов от оксидативного стресса, играющего значительную роль в повреждении ткани мозга после перенесенного инсульта, изучали с использованием клеточной культуры. Клеточные культуры из нейронов головного мозга и астроцитов каждого типа подвергали воздействию перекиси водорода (hydrogen peroxide) с целью моделирования оксидативного стресса. Нейропротекторные свойства выявлены у обоих типов астроцитов, однако у клеток Olig2PC-Astros антиоксидантные эффекты выражены значительно сильнее. В ходе дальнейших исследований у астроцитов Olig2PC-Astros отмечали более высокие уровни белка Nrf2, повышающего антиоксидантную активность в нейронах мышей.
Выявленные выраженные нейропротекторные антиоксидантные свойства астроцитов Olig2PC-Astros стали для ученых неожиданной находкой в дополнение к свойствам данных клеток восстанавливать нейрональную активность и улучшать когнитивные функции и память.
Изучены также генетические свойства нового типа астроцитов. В многочисленных исследованиях подтверждена их генетическая идентичность со стандартными астроцитами NPC-Astros. Вместе с тем установлено, что для нового типа клеток Olig2PC-Astros характерна экспрессия большего количества генов, таких как BDNF, и сосудистого эндотелиального фактора роста (vasoactive endothelial growth factor — VEGF), ассоциирующихся с нейропротекторными функциями. Большинство этих генов регулируют формирование и функционирование синапсов, обеспечивающих межнейрональную передачу импульсов.
Дополнительные эксперименты показали, что как Olig2PC-Astros, так и NPC-Astros, ускоряли формирование синапсов в нейронах мышей. Однако протекторные свойства Olig2PC-Astros значительно превосходили таковые у астроцитов NPC-Astros.
В дополнение к благоприятным терапевтическим эффектам у астроцитов Olig2PC-Astros не выявлено опухолеобразующих свойств, кроме того, клетки продемонстрировали топическую стабильность, оставаясь в локусе трансплантации. Кроме того, не выявлено дифференцировки новых астроцитов в клетки другого типа, например, в нейроны.
Результаты исследования убедительно продемонстрировали преимущества нового метода деривации астроцитов из стволовых эмбриональных клеток по сравнению со стандартными методами деривации астроцитов. Новая методика обеспечивает высокую степень чистоты клеточной культуры и высокую функциональную эффективность астроцитов Olig2PC-Astros. По мнению ученых, функциональные изменения мозга в экспериментах с ишемическим повреждением мозговой ткани, как и повышение уровней BDNF, являются впечатляющими результатами.
Авторы надеются расширить область изучения терапевтических эффектов синтезированных астроцитов при других заболеваниях с повреждением ткани мозга, таких как Болезнь Хантингтона и др., для которых установлены положительные эффекты BDNF. Кроме того, ученые убеждены, что полученные результаты будут способствовать применению стволово-клеточной терапии в лечении многих нейродегенеративных заболеваний.
Создание высокоочищенной клеточной популяции астроцитов с демонстрацией их терапевтической эффективности и безопасности применения открывает возможности для применения созданных клеток в восстановлении мозговых функций при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, эпилепсия, травматические повреждения мозга, детский церебральный паралич и повреждения спинного мозга.
Jiang P., Chen C., Wang R. et al. (2013) hESC-derived Olig2 progenitors generate a subtype of astroglia with protective effects against ischaemic brain injury. Nature Communications, July 23 [Epub ahead of print].
University of California — Davis Health System (2013) A new weapon against stroke. ScienceDaily, July 24 (www.sciencedaily.com/releases/2013/07/130723113659.htm).
Ольга Федорова
