Новый метод восстановления мозга после травм и болезни Альцгеймера

Исследователи из Университета штата Пенсильвания (Penn State University), США, разработали инновационную технологию восстановления нейронов перепрограммированными стволовыми клетками после черепно-мозговых травм, а также в моделях, используемых для исследований болезни Альцгеймера.

Учёные использовали глиальные клетки для восстановления функциональности нейронов, играющих главную роль в передаче сигналов в головном мозге.

Профессор Гонг Чен (Gong Chen), заведующий кафедрой естественных наук в Университете штата Пенсильвания, лидер исследовательской группы, назвал новый метод прорывом на пути восстановления мозга. «Эта технология может применяться при лечении травм спинного и головного мозга, инсульта, болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и других неврологических расстройств», — говорит Чен. Работа была опубликована в журнале Cell Stem Cell 19 декабря 2013 года.

При мозговых травмах, либо после болезни нейроны, как правило, отмирают или вырождаются, при этом так называемые «реактивные глиальные клетки» увеличивают свою численность и становятся более разветвленными. В результате формируется система защиты здоровых тканей от проникновения бактерий и токсинов. Однако, в конечном счёте, данный процесс приводит к появлению глиальных рубцов, ограничивающих рост здоровых нейронов.

Несколько лет назад лаборатория профессора Чена исследовала возможность восстановления глиальной рубцовой ткани в нормальную нейронную ткань.

«В местах повреждения тканей находится большое количество реактивных глиальных клеток и совсем немного функциональных нейронов, — говорит Чен, — поэтому мы предположили, что существует возможность преобразования глиальных клеток, образующих рубец в области повреждения мозга, в функциональные нейроны. На это исследование нас вдохновила работа в области исследования индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК) лауреата Нобелевской премии Шиньи Яманаки (Shinya Yamanaka), который показал возможность перепрограммирования клеток кожи в стволовые клетки», — сообщил Чен.

Команда Чена начала своё исследование с изучения реакции реактивных нейронов на белок NeuroD1, который, как известно, играет важную роль в формировании нейронов в области гиппокампа головного мозга взрослого организма. Учёные предположили, что экспрессия NeuroD1 в реактивных глиальных клетках в местах травмы сможет благоприятно повлиять на рост новых нейронов так же, как это происходит в гиппокампе.

Для подтверждения этой гипотезы исследователи инфицировали реактивные глиальные клетки ретровирусом, со встроенным генетическим кодом, отвечающим за синтез белка NeuroD1.
«Используемый нами ретровирус не способен реплицироваться и, следовательно, не в состоянии убить зараженные клетки как обычные вирусы», — говорит Чен. «Более того, данный ретровирус может инфицировать только делящиеся клетки, такие как реактивные глиальные клетки, но он не влияет на нейроны, что делает его идеальным для терапевтического использования с минимальными побочными эффектами для нормального функционирования головного мозга».

На первом этапе тестирования группа Чена определяла, возможно ли преобразование реактивных глиальных клеток в функциональные нейроны после введения ретровируса с NeuroD1 в область коры головного мозга взрослых мышей. Исследователи обнаружили, что два типа реактивных глиальных клеток– астроглиальные клетки и глиальные клетки NG2 были перепрограммированы в нейроны в течение одной недели после инфицирования ретровирусом с NeuroD1.

«Интересно, что реактивные астроглиальные клетки перепрограммировались в возбуждающие нейроны, тогда как клетки NG2 были перепрограммированы и в возбуждающие, и в тормозные нейроны, что позволило нам установить баланс между возбуждением и торможением в мозге после перепрограммирования», — отметил профессор Чен.

Его лаборатория также проводила электрофизиологические тесты, которые показали, что полученные с помощью NeuroD1 нервные клетки могут принимать нейротрансмиттерные сигналы от других нейронов, демонстрируя тем самым успешную интеграцию в локальную нейронную сеть.

Во втором этапе тестирования исследователи использовали трансгенных мышей в качестве модели болезни Альцгеймера, на которых показали, что реактивные глиальные клетки мозга больной мыши также могут быть преобразованы в функциональные нейроны.

Кроме того, команда продемонстрировала, что даже у 14-месячных мышей с болезнью Альцгеймера (возраст, примерно эквивалентен 60 годам у человека) инъекции в кору головного мозга ретровируса с NeuroD1 могут привести к образованию большого количества новообразованных нейронов, перепрограммированных из глиальных клеток.
«Таким образом, технология перепрограммирования, продемонстрированная нами на примере мозга мыши, потенциально может быть использована для восстановления функциональных нейронов у людей с болезнью Альцгеймера», — говорит Чен.

Для проверки полученных на мышах результатов, команда Чена провела дополнительные исследования на культуре клеток человека. «В течение трёх недель после экспрессии белка NeuroD1 , с помощью микроскопа мы обнаружили, что глиальные клетки человека стали меняться: из плоских клеток они превратились в полноценные нейроны с аксоном и дендритными ветвями»,- говорит Чен.
Дополнительная проверка функций новообразованных нейронов показала их способность производить нейромедиаторы, а также реагировать на них.

«Наша цель – развитие методики in vivo, с целью лечения людей, страдающих от травм мозга или неврологических расстройств», — говорит Чен. «Мы хотим добиться того, чтобы наш естественный метод перепрограммирования клеток помог пациентам с болезнью Альцгеймера укрепить и восстановить память, а больным, перенесшим инсульт, вновь встать на ноги».