Celula stem neuronala - Neural stem cell

Celula stem neuronala
Celulele progenitoare neuronale (verzi) din bulbul olfactiv de șobolan
Detalii
Sistem	Sistem nervos
Identificatori
latin	Cellula nervosa praecursoria
Plasă	D058953
TH	H2.00.01.0.00010
FMA	86684
Termeni anatomici ai microanatomiei [ editați pe Wikidata ]

Celulele stem neurale ( NSCs ) sunt auto-reînnoire, multipotente celulele care genereaza in primul rand cele radiale celulelor progenitoare gliale care genereaza neuronii si Glia a sistemului nervos al tuturor animalelor în timpul dezvoltării embrionare . Unele celule stem progenitoare neuronale persistă în regiuni foarte restrânse din creierul vertebrat adult și continuă să producă neuroni de-a lungul vieții. Diferențele în mărimea sistemului nervos central se numără printre cele mai importante distincții dintre specii și, prin urmare, mutațiile genelor care reglează mărimea compartimentului de celule stem neurale sunt printre cei mai importanți factori de evoluție a vertebratelor.

Celulele stem se caracterizează prin capacitatea lor de a se diferenția în mai multe tipuri de celule. Ei suferă o diviziune celulară simetrică sau asimetrică în două celule fiice. În diviziunea celulară simetrică, ambele celule fiice sunt, de asemenea, celule stem. În diviziune asimetrică, o celulă stem produce o celulă stem și o celulă specializată. NSC se diferențiază în principal în neuroni , astrocite și oligodendrocite .

Localizarea creierului

În creierul mamifer adult, zona subgranulară din girusul dentat hipocampic, zona subventriculară din jurul ventriculilor laterali și hipotalamusul (tocmai în regiunea dorsală α1, α2 și „regiunea proliferativă hipotalamică”, situată în eminența mediană adiacentă) s-a raportat că conțin celule stem neuronale.

Dezvoltare

Origine in vivo

Celulele stem neuronale care se diferențiază de astrocite (verzi) și locurile receptorului hormonului de creștere prezentate în roșu

Există două tipuri de bază de celule stem: celulele stem adulte , care au o capacitate limitată de diferențiere , și celulele stem embrionare (ESC), care sunt pluripotente și au capacitatea de a se diferenția în orice tip de celulă.

Neurale celulele stem sunt mai specializate decât CSE , deoarece acestea generează numai celule gliale radiale care dau naștere la neuroni si Glia a sistemului nervos central (SNC). În timpul dezvoltării embrionare a vertebratelor, NSC-urile trec în celule gliale radiale (RGC) cunoscute și sub denumirea de celule progenitoare gliale radiale (RGP) și se află într-o zonă tranzitorie numită zona ventriculară (VZ). Neuronii sunt generați în număr mare de (RGP) pe parcursul unei perioade specifice de dezvoltare embrionară prin procesul de neurogeneză și continuă să fie generați în viața adultă în regiunile restricționate ale creierului adult. NSC-urile adulte se diferențiază în neuroni noi în zona subventriculară a adulților (SVZ), o rămășiță a neuroepiteliului germinal embrionar , precum și girusul dentat al hipocampului .

Origine in vitro

NSC-urile adulte au fost izolate pentru prima dată de striatul șoarecelui la începutul anilor 1990. Sunt capabili să formeze neurosfere multipotente atunci când sunt cultivate in vitro . Neurosferele pot produce celule specializate care se autoînnoiesc și proliferează. Aceste neurosfere se pot diferenția pentru a forma neuronii specificați, celulele gliale și oligodendrocitele. În studiile anterioare, neurosferele cultivate au fost transplantate în creierul șoarecilor neonatali imunodeficienți și au prezentat greutate, proliferare și diferențiere neuronală.

Comunicare și migrație

NSC-urile sunt stimulate să înceapă diferențierea prin indicii exogene din micro-mediu sau de nișa de celule stem. Unele celule neuronale sunt migrate din SVZ de-a lungul fluxului migrator rostral care conține o structură asemănătoare măduvei cu celule ependimale și astrocite atunci când sunt stimulate. Celulele ependimale și astrocitele formează tuburi gliale utilizate de neuroblastele migratoare . Astrocitele din tuburi oferă suport pentru celulele migratoare, precum și izolație de la semnalele electrice și chimice eliberate de celulele din jur. Astrocitele sunt primii precursori pentru amplificarea rapidă a celulelor. Neuroblastele formează lanțuri strânse și migrează către locul specificat de deteriorare a celulelor pentru a repara sau înlocui celulele neuronale. Un exemplu este un neuroblast care migrează spre bulbul olfactiv pentru a se diferenția în neuroni periglomerculari sau granulari care au un model de migrație radial mai degrabă decât unul tangențial.

Îmbătrânire

Proliferarea neuronală a celulelor stem scade ca o consecință a îmbătrânirii . Au fost adoptate diverse abordări pentru a contracara acest declin legat de vârstă. Deoarece proteinele FOX reglează homeostazia celulelor stem neurale , proteinele FOX au fost utilizate pentru a proteja celulele stem neuronale prin inhibarea semnalizării Wnt .

Funcţie

Factorul de creștere epidermică (EGF) și factorul de creștere a fibroblastelor (FGF) sunt mitogeni care promovează creșterea progenitorului neuronal și a celulelor stem in vitro , deși sunt necesari și alți factori sintetizați de progenitorul neuronal și populațiile de celule stem pentru o creștere optimă. Se presupune că neurogeneza din creierul adultului provine din NSC. Originea și identitatea NSC-urilor din creierul adult rămân a fi definite.

În timpul diferențierii

Cel mai larg acceptat model al unui NSC adult este o celulă pozitivă a proteinelor acide fibrilare gliale radiale . Celulele stem în repaus sunt de tip B care sunt capabile să rămână în starea de repaus datorită țesutului regenerabil furnizat de nișele specifice compuse din vase de sânge, astrocite, microglia , celule ependimale și matrice extracelulară prezente în creier. Aceste nișe oferă hrană, sprijin structural și protecție pentru celulele stem până când sunt activate de stimuli externi. Odată activate, celulele de tip B se dezvoltă în celule de tip C, celule intermediare proliferante active, care apoi se împart în neuroblaste formate din celule de tip A. Neuroblastele nediferențiate formează lanțuri care migrează și se dezvoltă în neuroni maturi. În bulbul olfactiv, acestea se maturizează în neuroni granulari GABAergici, în timp ce în hipocamp se maturizează în celule granulare dentate.

Modificarea epigenetică

Modificările epigenetice sunt regulatori importanți ai expresiei genelor în diferențierea celulelor stem neuronale . Modificările epigenetice cheie includ metilarea citozinei ADN pentru a forma 5-metilcitozina și demetilarea 5-metilcitozinei . Aceste tipuri de modificări sunt esențiale pentru determinarea sorții celulare în creierul mamiferelor în curs de dezvoltare și adult.

Metilarea citozinei ADN este catalizată de ADN metiltransferazele (DNMT) . Demetilarea metilcitozinei este catalizată în mai multe etape distincte de enzimele TET care efectuează reacții oxidative (de exemplu, 5-metilcitozină la 5-hidroximetilcitozină ) și enzime ale căii de reparare a exciziei bazei ADN (BER).

În timpul bolii

NSC-urile au un rol important în timpul dezvoltării producând diversitatea enormă de neuroni, astrocite și oligodendrocite în SNC în curs de dezvoltare. Ei au, de asemenea, un rol important la animalele adulte, de exemplu în procesul de învățare și plasticitate hipocampală la șoareci adulți, în plus față de furnizarea de neuroni bulbului olfactiv la șoareci.

În special, rolul NSC în timpul bolilor este acum elucidat de mai multe grupuri de cercetare din întreaga lume. Răspunsurile în timpul accidentului vascular cerebral , sclerozei multiple și bolii Parkinson la modelele animale și la oameni fac parte din ancheta actuală. Rezultatele acestei investigații în curs pot avea aplicații viitoare pentru tratarea bolilor neurologice umane.

Celulele stem neuronale s-au dovedit a se angaja în migrarea și înlocuirea neuronilor pe moarte în experimentele clasice efectuate de Sanjay Magavi și Jeffrey Macklis . Folosind o deteriorare indusă de laser a straturilor corticale , Magavi a arătat că progenitorii neuronali SVZ care exprimă Doublecortina , o moleculă critică pentru migrația neuroblastelor, au migrat pe distanțe lungi către zona de deteriorare și s-au diferențiat în neuroni maturi care exprimă marker NeuN . În plus, grupul lui Masato Nakafuku din Japonia a arătat pentru prima dată rolul celulelor stem ale hipocampului în timpul accidentului vascular cerebral la șoareci. Aceste rezultate au demonstrat că NSC-urile se pot angaja în creierul adult ca urmare a rănirii. Mai mult, în 2004 , grupul lui Evan Y. Snyder a arătat că NSC migrează către tumorile cerebrale într-un mod direcționat. Jaime Imitola , MD și colegii de la Harvard au demonstrat pentru prima dată un mecanism molecular pentru răspunsurile NSC la leziuni. Ei au arătat că chemokinele eliberate în timpul rănirii, cum ar fi SDF-1a, au fost responsabile pentru migrarea direcționată a NSC-urilor umane și de șoareci în zonele de rănire la șoareci. De atunci, s-a descoperit că alte molecule participă la răspunsurile NSC la leziuni. Toate aceste rezultate au fost reproduse și extinse pe scară largă de către alți cercetători care s-au alăturat lucrării clasice a lui Richard L. Sidman în autoradiografie pentru a vizualiza neurogeneza în timpul dezvoltării și neurogeneza la adult de Joseph Altman în anii 1960, ca dovadă a răspunsurilor activităților NSC pentru adulți. și neurogeneză în timpul homeostazei și leziunilor.

Căutarea unor mecanisme suplimentare care să funcționeze în mediul leziunilor și modul în care acestea influențează răspunsurile NSC în timpul bolilor acute și cronice este o chestiune de cercetare intensă.

Cercetare

Terapia regenerativă a SNC

Moartea celulară este o caracteristică a tulburărilor acute ale SNC, precum și a bolilor neurodegenerative. Pierderea celulelor este amplificată de lipsa abilităților regenerative pentru înlocuirea și repararea celulelor în SNC. O modalitate de a ocoli acest lucru este utilizarea terapiei de substituție celulară prin NSC regenerative. NSC-urile pot fi cultivate in vitro ca neurosfere. Aceste neurosfere sunt compuse din celule stem neuronale și progenitori (NSPC) cu factori de creștere precum EGF și FGF. Retragerea acestor factori de creștere activează diferențierea în neuroni, astrocite sau oligodendrocite care pot fi transplantate în creier la locul leziunii. Beneficiile acestei abordări terapeutice au fost examinate in boala Parkinson , boala Huntington și scleroză multiplă . NSPC induc repararea neuronală prin proprietăți intrinseci ale neuroprotecției și imunomodulării . Unele căi posibile de transplant includ transplantul intracerebral și xenotransplantul .

O abordare terapeutică alternativă la transplantul de NSPC este activarea farmacologică a NSPC endogene (eNSPC). ENSPC-urile activate produc factori neurotrofici, mai multe tratamente care activează o cale care implică fosforilarea STAT3 pe reziduul de serină și creșterea ulterioară a expresiei Hes3 ( STAT3-Ser / Hes3 Signaling Axis ) se opun morții neuronale și progresiei bolii în modele de tulburare neurologică.

Generarea de modele 3D in vitro ale SNC uman

Celulele progenitoare neuronale derivate din creierul uman (hmNPC) au capacitatea de a diferenția mai multe linii de celule neuronale care duc la neurosfere, precum și la fenotipuri neuronale multiple. HmNPC poate fi utilizat pentru a dezvolta un model 3D in vitro al SNC uman. Există două moduri de a cultiva hmNPC-urile, monostratul aderent și sistemele de cultură a neurosferei. Sistemul de cultură a neurosferei a fost folosit anterior pentru a izola și extinde celulele stem ale SNC prin capacitatea sa de a agrega și prolifera hmNPC în condiții de mediu fără ser, precum și cu prezența factorului de creștere epidermică (EGF) și a factorului de creștere fibroblast-2 (FGF2 ). Inițial, hmNPC-urile au fost izolate și extinse înainte de a efectua o diferențiere 2D care a fost utilizată pentru a produce o suspensie cu o singură celulă . Această suspensie cu o singură celulă a contribuit la realizarea unei structuri 3D omogene de dimensiuni agregate uniforme. Agregarea 3D a format neurosfere care au fost utilizate pentru a forma un model 3D SNC in vitro .

Schele bioactive ca tratament traumatic al leziunilor cerebrale

Leziunea traumatică a creierului (TBI) poate deforma țesutul cerebral, ducând la necroză leziuni primare care pot apărea apoi în cascadă și pot activa leziuni secundare, cum ar fi excitotoxicitatea , inflamația , ischemia și defalcarea barierei hematoencefalice . Deteriorarea poate crește și, în cele din urmă, poate duce la apoptoză sau moarte celulară. Tratamentele actuale se concentrează pe prevenirea deteriorării ulterioare prin stabilizarea sângerării, scăderea presiunii și inflamației intracraniene și inhibarea cascadelor pro-apoptotice. Pentru a repara daunele TBI, o optiune terapeutica viitoare implica utilizarea NSCs derivate din perioperatorie embrionar ventricular regiune. Celulele stem pot fi cultivate într-un mediu 3-dimensional favorabil, citotoxic scăzut , un hidrogel , care va crește supraviețuirea NSC atunci când sunt injectate la pacienții cu TBI. S-au observat că NSC-urile injectate intracerebral migrează către țesutul deteriorat și se diferențiază în oligodendrocite sau celule neuronale care secretă factori neuroprotectori.

Galectina-1 în celulele stem neuronale

Galectina-1 este exprimată în NSC adulți și s-a dovedit că are un rol fiziologic în tratamentul tulburărilor neurologice la modelele animale. Există două abordări ale utilizării NSC-urilor ca tratament terapeutic: (1) stimulează NSC-urile intrinseci pentru a promova proliferarea în scopul înlocuirii țesutului rănit și (2) transplantul de NSC-uri în zona creierului deteriorat pentru a permite NSC-urilor să refacă țesutul. Vectorii Lentivirus au fost folosiți pentru a infecta NSC umane (hNSC) cu Galectin-1 care au fost ulterior transplantate în țesutul deteriorat. HGal-1-hNSC au indus o recuperare cerebrală mai bună și mai rapidă a țesutului vătămat, precum și o reducere a deficitelor motorii și senzoriale în comparație cu doar transplantul de hNSC.

Analize

Celulele stem neuronale sunt studiate de rutină in vitro folosind o metodă denumită Neurosphere Assay (sau sistemul de cultură Neurosphere), dezvoltată pentru prima dată de Reynolds și Weiss. Neurosferele sunt entități celulare intrinsec eterogene formate aproape în întregime de o mică fracțiune (1 până la 5%) de celule stem neuronale care se împart lent și de descendenții lor, o populație de celule progenitoare pozitive nestin cu diviziune rapidă . Numărul total al acestor progenitori determină dimensiunea unei neurosfere și, ca rezultat, disparitățile în dimensiunea sferei în cadrul diferitelor populații ale neurosferei pot reflecta modificări ale proliferării, supraviețuirii și / sau statutului de diferențiere a progenitorilor lor neuronali. Într-adevăr, s-a raportat că pierderea β1- integrinei într-o cultură de neurosferă nu afectează în mod semnificativ capacitatea celulelor stem cu deficit de β1-integrină de a forma noi neurosfere, dar influențează dimensiunea neurosferei: neurosferele cu deficit de β1-integrină au fost în general mai mici datorită creșterii morții celulare și reducerii proliferării.

În timp ce Analiza Neurosferei a fost metoda aleasă pentru izolare, expansiune și chiar enumerarea celulelor stem neurale și progenitoare, mai multe publicații recente au evidențiat unele dintre limitările sistemului de cultură a neurosferei ca metodă pentru determinarea frecvențelor celulelor stem neuronale. În colaborare cu Reynolds, STEMCELL Technologies a dezvoltat un test bazat pe colagen , numit Test Neural Colony-Forming Cell (NCFC), pentru cuantificarea celulelor stem neuronale. Important, această analiză permite discriminarea între celulele stem neuronale și celulele progenitoare.

Istorie

Primele dovezi că neurogeneza apare în anumite regiuni ale creierului mamiferelor adulte au provenit din studiile de etichetare [3H] -timidină efectuate de Altman și Das în 1965, care au arătat neurogeneza hipocampului postnatal la șobolanii tineri. În 1989, Sally Temple a descris celule stem, progenitoare și autoînnoitoare multipotente, în zona subventriculară (SVZ) a creierului șoarecelui. În 1992, Brent A. Reynolds și Samuel Weiss au fost primii care au izolat progenitorul neuronal și celulele stem din țesutul striatal adult , inclusiv SVZ - una dintre zonele neurogene - a șoarecilor adulți țesutul cerebral. În același an, echipa lui Constance Cepko și Evan Y. Snyder au fost primele care au izolat celulele multipotente din cerebelul șoarecilor și le-au transfectat stabil cu oncogene v-myc . Această moleculă este una dintre genele utilizate pe scară largă acum pentru reprogramarea celulelor adulte non-stem în celule stem pluripotente. De atunci, progenitorul neuronal și celulele stem au fost izolate din diferite zone ale sistemului nervos central adult, inclusiv din zone non-neurogene, cum ar fi măduva spinării , și din diferite specii, inclusiv oameni.

Vezi si

• Celule stem pluripotente induse
• Lista tipurilor de celule umane derivate din straturile germinale

Referințe

• Jaganathan, Arun; Tiwari, Meena; Phansekar, Rahul; Panta, Rajkumar; Huilgol, Nagraj (2011). "Intensitatea modulată a radiațiilor pentru a proteja celulele stem neuronale în tumorile cerebrale: o platformă de calcul pentru evaluarea metricelor fizice și biologice ale dozei" . Journal of Cancer Research and Therapeutics . 7 (1): 58–63. doi : 10.4103 / 0973-1482.80463 . PMID  21546744 .

linkuri externe

• Medii legate de celulele stem neuronale la Wikimedia Commons