23.03.2020
Клеточные модели нарушений развития нервной ткани представляют собой ценную экспериментальную систему для исследования устройств заболевания и поиска терапевтических стратегий. Развитие мозга млекопитающих – довольно запутанный процесс. Отличия в таком процессе приводят к изменению нервных контуров, появлению когнитивных и поведенческих заморочек. Большущее количество генов, вовлеченное в развитие схожих болезней, и их дифференциальная экспрессия в различных типах клеток осложняет выбор экспериментальной модели.
Открытие человечьих эмбриональных стволовых клеток (чЭСК) в конце 1990-х и человечьих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК) в 2007 отдало новейшие способности для исследования людского развития и моделирования заболеваний.
С того времени были предприняты большие усилия для того, чтоб воспроизвести развитие нервной ткани: дифференцировка стволовых клеток в спец субпопуляции, перепрограммирование соматических клеток, создание ресурсов для скрининга фармацевтических средств. Большая часть исследовательских работ сосредоточены на разработке моделей конкретно нейронов для нарушений развития нервной ткани. Но Lee и соавторы считают, что нужны исследования и тех стволовых клеток, которые не относятся к нейрональному пулу. Они создали обзор исследовательских работ, в каких создаются модели для развития разных типов клеток мозга при расстройствах аутистического диапазона (РАС), синдроме Ретта, биполярном расстройстве и шизофрении.
Нарушения развития нервной ткани весьма сложны для моделирования по ряду обстоятельств. Во-1-х, в связи с наличием в мозге запутанной сети взаимодействий, обеспечивающих возникновение определенного фенотипа заболевания. Во-2-х, подобные нарушения могут быть вызваны целым рядом сочетаний и вариантов экспрессирующихся генов, вклад которых нелегко оценить. Классические способы получения клеток также имеют свои недочеты: неоптимально в этом случае внедрение ткани, приобретенной в итоге биопсии либо посмертно: в этом случае не удается корректно проследить течение и развитие заболевания. Не считая того, непонятно, какой вклад в наблюдающиеся процессы и конфигурации заносят медикаменты, приобретенные пациентом. Звериные в качестве модели также вызывают огромные вопросцы в силу специфики (масса мозга, размер коры и ее пространственная структура) и малой исследованности людского мозга. Потому кандидатура, к примеру, внедрение иПСК, так нужна.
Расстройства аутистического диапазона (РАС)
РАС – это свойственное для малышей нарушение развитие нервной ткани, на формирование которого оказывают воздействие как генетические, так и средовые причины. При всем этом генетический вклад очень значим, не считая того, его нередко обуславливают варианты, появляющиеся de novo. В базе заболевания лежат нарушения иммунной регуляции, связей меж нейронами и генетические недостатки неких белков синапса. Для РАС был проведен ряд исследовательских работ с внедрением иПСК, в том числе, позволившие найти de novo варианты, обусловившие развитие РАС у пациента. Для этого клеточки пульпы зуба пациента были перепрограммированы в иПСК и потом дифференцированы в нейроны, продемонстрировавшие фенотип с отклонениями. Отличия удалось показать и для астроцитов от остальных пациентов (без синдромов). Эти астроциты характеризовались завышенным уровнем воспалительных цитокинов, а нейроны, в свою очередь, были наименее физиологически активными, чем контрольные. При совместном культивировании дефектных астроцитов с нормальными нейронами, обычные нейроны показывают фенотип, соответствующий для нейронов пациентов с РАС. Интересно, что если поменять астроциты на обычные, то состояние нейронов опять улучшится. Это указывает, что воспаление в астроцитах может влиять на функции нейронов и заносить вклад в патогенез РАС.
Не считая двумерных клеточных моделей РАС, так же употребляются трехмерные модели органоидов. Mariani и коллеги сделали органоидную систему, которая включает слои круговой глии, промежные слои и нейроны из человечьих иПСК на ранешних стадиях развития. Но подобные системы все еще требуют доработки, в особенности с учетом того, что еще не все вероятные клеточные фенотипы РАС известны.
Синдром Ретта
Синдром Ретта – довольно редчайшее Х-хромосомное нарушение развития нервной ткани, которое характеризуется обычным ростом в ранешном возрасте с постепенным неспешным понижением либо резкой потерей языковых и моторных способностей. Синдром Ретта вызывается мутациями в гене транскрипционного репрессора метил-CpG-связывающего белка 2 (МеСР2) на Х-хромосоме. Были сделаны полосы иПСК, взятые от пациентов с синдромом Ретта и дифференцированы в предшественники нейрональных клеток и многофункциональные нейроны. Эти нейроны характеризовались сниженным числом дендритом и синапсов в сопоставлении с контрольными нейронами, также некими электрофизиологическими нарушениями.
Исследовались также глиальные эффекты для синдрома Ретта: к примеру, в исследовании Williams и коллег. Они нашли недостатки в росте нейронов, вместе культивируемых с астроцитами от пациентов с синдромом Ретта. Эти нейроны показывали уменьшенный размер тела, укороченную длину аксонов и наименьшее число терминалей. Данные результаты принуждают задуматься о смене стратегий исцеления синдрома Ретта с нацеленных только на нейрональную активность и синаптическую передачу и учесть воздействие астроцитов.
Биполярное расстройство
Биполярное расстройство – хроническое болезнь, характеризующееся меняющимися эпизодами мании и депрессии, которые могут продолжаться от нескольких дней до нескольких месяцев. В неких вариантах расстройство приводит к самоубийству. В почти всех исследовательских работах отмечалась пониженная плотность глии в фронтальной поясной извилине коры и сниженное количество астроцитов и олигодендроцитов в гиппокампе и префронтальной коре у пациентов с биполярным расстройством.
Mertens и коллеги нашли митохондриальные нарушения в нейронах, приобретенных из иПСК от пациентов с биполярным расстройством и на данной же модели идентифицировали наиболее тыщи генов, экспрессия которых изменялась в сопоставлении с экспрессией генов обычных нейронов. Эти различия вызывают конфигурации в химической активности и приводят к лишней возбудимости клеток, которую исследователям, но, удалось направить благодаря использованию лития. Таковым образом, подходы с внедрением иПСК разрешают не только лишь учить механизмы, да и находить вероятные варианты исцеления для биполярного расстройства.
Шизофрения
Шизофрения – расстройство развития нервной ткани, характеризующееся широким диапазоном симптомов, включающих абсурд, галлюцинации, нарушения чувственного и общественного поведения. Генетический вклад в возникновение заболевания весьма существенен: наследуемость оценивается в 80-85%. Считается, что шизофрения связана с нарушениями связей меж нейронами, не считая того, отмечается принципиальная роль олигодендроцитов и клеток-предшественников, у каких находятся конфигурации в морфологии, экспрессии генов и плотности. Не считая того, нарушается миелинизация.
Robicsek и соавторы употребляли для моделирования иПСК, приобретенные из нейронов пациентов с шизофренией. Эти иПСК показывали нарушение дифферецировки в дофаминергические клетки-предшественники, сниженное число и длину аксонов, также пониженную экспрессию ряда маркеров зрелых нейронов (тирозингидроксилазы, синаптического транспортера дофамина), митохондриальную дисфункцию в процессе дифференциации и созревания.
Не так давно было проведено исследование с внедрением химерной мыши с глией с фенотипом шизофрении. Чтоб получить таковых мышей, была проведена неонатальная трансплантация клеток от пациента с шизофренией для мыши с нарушением, связанными с недостатком миелина. В целом эта система дозволила показать наличие изъянов при передвижения незрелых клеток, что и приводит к соответствующим для шизофрении понижению количества белоснежного вещества и гипомиелинизации в коре. Трансплантированные астроциты, приобретенные из иПСК с фенотипом шизофрении показывали нарушенную морфологию, наиболее неспешное созревание, что может оказывать эффект на формирование нервных контуров и миелинизацию, потому что эти процессы направляются астроцитами. Нарушения в созревании глии впрямую приводят к нарушению поведения у таковых химерных мышей, которое соответствует поведенческим патологиям у людей. Необходимо отметить, что таковая модель все таки не безупречна в силу различий генетического фона и развития мыши и человека.
Способности для использования иПСК в дальнейшем
Внедрение перепрограммирования иПСК довольно очень изменило исследования. Стал вероятным высокоэффективный поиск новейших фармацевтических средств и моделирование их воздействия (новейший термин – pharmaco-iPSCCellomics). Не считая того, такие клеточки можно трансплантировать in vivo, что уже было опробовано на модели заболевания Паркинсона у приматов. Это весьма симпатичный метод исцеления и для людей, но стоит держать в голове о том, что любой пациент просит индивидуального подхода в разработке трансплантата, также есть опасности развития опухолей.
В свою очередь, органоидные системы разрешают учить взаимодействия меж клеточками и создавать довольно четкие модели, прямо до самоорганизующегося трехмерного кортикального органоида с разными уровнями клеток и апико-базальной полярностью.
Но следует держать в голове и о ряде ограничений. Одно из самых огромных – малые размеры выборок, которые могут приводить к неверным результатам. Не считая того, показано, что эпигенетические различия меж клеточными линиями от 1-го и такого же пациента могут бы важными. Предполагается, что они возникают из-за методологических особенностей трансфекции и могут индуцировать онкогенный стресс. Также иПСК могут сохранять эпигенетическую “память”, которая может влиять на получаемые эффекты. Не считая того, почти все заболевания имеют сложную генетическую природу, при которой различные люди могут нести различные генетические композиции.
Создатель перевода: Колодяжная А.
Источник: Lee, K.M., Hawi, Z.H., Parkington, H.C. et al. The application of human pluripotent stem cells to model the neuronal and glial components of neurodevelopmental disorders. Mol Psychiatry 25, 368–378 (2020).
Источник
Читайте далее:
