Посещений:
Neural stem cells and gene therapy

Стволовые нервные клетки и генотерапия

Gene therapy: can neural stem cells deliver?
Franz-Josef Mu(e)ller, Evan Y. Snyder and Jeanne F. Loring
Nature Reviews Neuroscience V. 7. №1. Р.75-84

Перевод И.Г. Лильп (lilp@mail.ru)
Стволовые клетки нервной системы являются самообновляющейся популяцией, генерирующей нейроны и глию в развивающемся мозге. Эти клетки можно изолировать, размножить, провести с ними генетические манипуляции, дифференцировать in vitro и реинтродуцировать в мозг во время его развития, в мозг взрослого человека или мозг больного с поражением ЦНС. Cтволовые клетки мозга рассматривают и на предмет их использования в клеточной заместительной терапии при различных нейродегенеративных заболеваниях. Недавно были обнаружены совершенно неожиданные и ценные свойства этих клеток – они обладают высокой миграционной способностью и, как оказалось, достигают определенных областей мозга, например, с ишемическими или неопластическими повреждениями. В обзоре авторы обсуждают пути использования стволовых нервных клеток в качестве «переносчиков и доставщиков» при генотерапии нейродегенеративных заболеваний и поражений ЦНС.



(Рис.1.)
 |  Neural stem cell homing in brain tumours.


(Рис.2.)
 |  Determinants of neural stem cell homing to brain tumours for delivery of gene therapy.


(Рис.3.)
 |  Determinants of neural stem cell pathotropism.


(Рис.4.)
 |  Model of activated astrocyte mediation of neural stem cell homing to brain pathology.


Табл.1
Disease models with neural stem cell tropism


Табл.2
Cytokines potentially involved in neural stem cell pathotropism


Табл.3
Determinants of neural stem cell pathotropism

Стволовые нервные клетки можно определить как клетки, способные к постоянному самообновлению и имеющие потенции для генерирования промежуточных и зрелых клеток как глии, так и нейронов (1). Имеются разные субпопуляции стволовых нервных клеток (СНК), ограниченные определенными стадиями развития или областями зрелого мозга и каждая из этих популяций, вероятно, имеет специфические биологические свойства (2, 3). Однако пока неясно, являются ли культивируемые клетки, полученные из нервной ткани (попадающие под определение СНК), идентичными клеточным популяциям in vivo. Кроме того, поскольку существует несколько критериев, согласно которым клетки in vitro рассматривают как стволовые, то клетки, известные как СНК в одной лаборатории могут значительно отличаться от клеток с таким же названием в другой лаборатории. В данном обзоре авторы придерживаются мнения, что клетки, которые называют СНК, должны иметь общие признаки, дающие возможность генерализации. Однако авторы добавили пояснение – все утверждения, сделанные для одних клеточных линий СНК или препаратов, не могут быть распространены на все популяци (см.3-6, обзоры 2,7,8).

Хоминг СНК и доставка лекарств

Миграционные способности эндогенных и экзогенных СНК хорошо известны и в течение многих лет полагали, что это свойство, наряду со способностью клеток к дифференцировке, может быть использовано для замещения нейронов при нейродегенеративных расстройствах. В 2000 г. впервые было показано, как эти клетки можно использовать по иному – т.е. не для клеточного замещения, а для доставки терапевтических веществ в особые зоны мозга (9-11). В этих работах было показано, что СНК, трансплантированные в опухоль мозга животных, были обнаружены вблизи метастазирующих опухолевых клеток, причем достаточно далеко от участков их трансплантации (9 -11) (РИС. 1 и 2). Эти наблюдения подтвердили, что СНК, сконструированные для химиотерапии, могут быть использованы для отыскания и разрушения опухоли. Это стало открытием, позволяющим использовать СНК в качестве терапевтического средства. Более того, такая способность СНК позволяет решить один из наиболее трудноразрешимых вопросов в области генотерапии – как доставить «терапевтические» гены в пораженную ткань?

Обнаруженные свойства СНК позволяют использовать их в качестве терапевтических «доставщиков» и при заболеваниях ЦНС. В отличие от фибробластов, которые могут использоваться в качестве подходящих носителей к другим органам, СНК имеют потенции для интегрирования в мозг без нарушения его нормальных функций. Например, СНК могут дифференцироваться в глию или нейроны, но маловероятно, что они будут дифференцироваться в соединительную ткань. Кроме того, СНК могут размножаться достаточно длительный период времени и, следовательно, могут быть доступными для генетических манипуляций. Поскольку СНК могут распространяться по всему мозгу после трансплантации, использование этих клеток для прицельной доставки может быть предпочтительным при множественных стереотаксических инъекциях для доставки молекул, необходимых для всего мозга – таких, например, как ферменты при лизосомных болезнях накопления (12). Другой привлекательной чертой СНК является их тропное поведение по отношению к новообразованиям. Это свойство может быть использовано для таргетирования небольших метастазов в мозге и/или инфильтрирующих злокачественных саттелитов после резекции основной опухоли.

Патотропизм стволовых нервных клеток

Оказалось, что СНК (как эндогенные, так и трасплантированные) «притягиваются» к самым разным экспериментально-поврежденным участкам мозга –опухолям или зонам нейродегенерации. Например, СНК обладают тропизмом к глиомам и двигательным нейронам дегенерирующего спинного мозга у трансгенных мышиных моделей бокового амиотрофического склероза (amyotrophic lateral sclerosis – ALS) (11, 13, 14, ТАБЛ.1). Опухолевый тропизм не ограничивается первичной опухолью мозга, а наблюдается и на периферии (15).

Судьба СНК при повреждениях мозга пока понята плохо, поскольку в большинстве доклинических исследований используются лишь суррогатные маркеры (например, снижение «груза» опухоли или время выживаемости после лечения) (9, 16). При определенных патологиях – таких как инсульт, трансплантируемые клетки формируют астроциты и нейроны (17). Судьба глии может быть далека от идеальной, но было бы предпочтительней, если бы глия дифференцировалась по нейрональному пути, что может способствовать восстановлению поврежденных нейронных сетей.

Нормальное продвижение СНК и их миграция in vivo контролируются изначально микроокружением в области мозга, являющейся «убежищем» этих стволовых клеток. Микросреда, окружающая СНК, заселяется астроглией, микроглией и эндотелиальными клетками, являющимися важными регуляторами генерирования, миграции и дифференцировки стволовых клеток во время поддержания гомеостаза мозга (18-22). Разрушение этой среды, обусловленное патологией мозга, может нарушать поведение стволовых клеток, влиять на равновесие микроокружения и подвергать клетки влиянию тех факторов, с которыми они не сталкиваются в норме. Например, градиенты таких факторов как vascular endothelial growth factor (VEGF) или stromal cell-derived factor 1 (SDF1), которые происходят из отдаленных повреждений мозга, могут действовать как аттрактанты для стволовых клеток (23, 24).

Пытаясь прогнозировать поведение стволовых клеток в мозге, следует рассматривать как эндогенные стволовые клетки, так и клетки трансплантированные в мозг. Эндогенные и трансплантированные СНК часто обнаруживают реакцию сходную при патологии, но имеются и некоторые важные отличия, о которых нельзя забывать. Культивированные СНК, используемые для трансплантации, были размножены в культуре вне их ожидаемой пролиферативной способности in vivo. Поскольку условия культивирования оказывают сильное влияние на фенотип клеток, то культура может заметно изменять клеточную реакцию на их среду при реинтродуцировании клеток in vivo. Результаты недавних исследований показали, что обработка митогенным эпидермальным фактором роста (epidermal growth factor - EGF) может приводить к инвазивному и более «stem-like» фенотипу нейральных предшественников (4). Пока немного известно о рецепторах, экспрессируемых СНК in situ, и их эффектах на генетическом, эпигенетическом, транскрипционном и трансляционном уровнях, поэтому информацию об экзогенных популяциях следует принимать с большой осторожностью при интерпретации поведения экзогенных СНК (5, 6, 8).

Молекулярные основы патотропизма СНК изучены недостаточно и вполне возможно, что при разных патологиях оказывать влияние могут разные факторы. СНК экспрессируют широкий спектр рецепторов, делающих клетки способными отвечать на многие хемотаксические сигналы исходящие из поврежденного мозга (ТАБЛ.2). Экспериментальные исследования показали, что эти клетки двигаются в место повреждения и локализуются там после трансплантации (ТАБЛ.1). Некоторые факторы, ответственные за это явление, относятся к суперсемейству хемокинов (24-26) (хемотаксических хемокинов, см. ТАБЛ.2). Образование хемокинов и цитокинов является общим признаком при многих повреждениях мозга, в т.ч. при инсульте и новообразованиях. Т.е. что эти факторы могут быть важны в опосредовании реакции стволовых клеток на патологические изменения (24-26).

Регуляция тропизма СНК

Имеющаяся в настоящее время информация предполагает существование, по крайней мере, трех важных физиологических процессов, влияющих на миграционное поведение трансплантируемых СНК: воспаление, реактивный астроцитоз и ангиогенез (РИС.3).

Воспаление. In vitro микроглия может индуцировать миграцию СНК (22, 27). Гипотеза о том, что воспалительная реакция на патологические нарушения мозга является общим знаменателем, ответственным за привлечение стволовых клеток в зоны самых разных повреждений, достаточно привлекательна. Общее мнение, основанное на исследовании рассеянного склероза, эпилепсии, липосахарид-индуцированных энцефалитов и облученного мозга, заключается в том, что воспаление мозга пагубно для мозга в целом и в особенности для нейрогенеза (28-31). Микроглия является первой линией «обороны» при патологии мозга, функционируя как система защиты и реагируя на повреждение образованием цитокинов, которые, в свою очередь, инициируют последующие ответные реакции (32). Однако активированные иммунные клетки также высвобождают нейротрофины (29, 33), которые, вероятно, защищают нейроны, а клетки микроглии или воспалительные цитокины могут модулировать мобилизацию СНК как in vitro, так и in vivo. Это предполагает, что микроглия может играть роль в инициации и координации основанных на СНК репарационных механизмов (22, 27, 29, 34).

Реактивный астроцитоз. После того как воспалительные цитокины высвобождаются микроглией в ответ на патологический процесс, следует реактивный астроцитоз, для которого характерна гиперплазия, гипертрофия и увеличение кислого фибриллярного белка глии (glial fibrillary acidic protein – GFAP) (35, 36). Инициация и механизмы такого многогранного ответа поняты пока плохо, но известно, что одним из факторов, участвующих в этом процессе, является сходство астроцитов при патологии ЦНС, типе повреждения и типе продуцируемых цитокинов (например, интерлейкина-1β - IL-1β) (35, 37). Исследования эффектов воспалительных сигналов показало, что определенные типы активированных астроцитов способствуют выживаемости нейронов, регенерации ткани и миграции стволовых клеток (38-40) (РИС.4). Например, реактивные астроциты при инсульте (stroke penumbra) секретируют SDF1 (stromal cell-derived factor 1), который частично отвечает за привлечение СНК к месту повреждения (24). Зрелые астроциты также участвуют в направлении движения лейкоцитов и в глиальном хоминге к месту повреждения (41,42) и могут возвращаться к фенотипу, напоминающему радиальную глию в развивающемся мозге, в ответ на растворимые факторы, активизируемые тканевым повреждением (43). Эти клетки могут поддерживать направленную миграцию нейральных предшественников (43). И хотя некоторые типы активации глии могут оказывать благоприятный эффект, важно отметить, что определенные реактивные астроциты могут интерферировать с нейронально-глиальным сигнализированием и препятствовать хомингу нейрональных предшественников, формируя глиальные рубцы и секретируя факторы, таки как, например, slit homologue 2 (SLIT2), фактор некроза опухоли tumour necrosis factor-α (TNFα) и гиалуроновую кислоту с высоким молекулярным весом (44, 46).

Ангиогенез. Доказательства влияния этого фактора на миграционные процессы СНК исходят из тесной взаимосвязи между морфогенезом ЦНС и эндотелиальными клетками (47, 48). Базальная пластинка, образованная эндотелиальными клетками, содержит множество компонентов важных для поддержания нейрогенетической ниши (21, 49). Следовательно, эндотелиальные клетки также могут участвовать в регуляции ответа СНК на патологические повреждения. Васкулогенез, возникающий в результате патологии мозга, может усиливать мобилизацию СНК путем продуцирования хемоаттрактантов – таких как VEGF (vascular endothelial growth factor). VEGF-опосредованный хоминг стволовых клеток может играть ключевую роль в развитии мозга так же, как и СНК в глиомном тропизме (23, 50, 51). Кроме того, SDF1 экспрессируется не только эндотелиальными клетками, но и астроцитами в месте повреждения, что важно для привлечения СНК (24). Поскольку оказалось, что СНК взаимодействуют с активированными патологией эндотелиальными клетками, а их слипание и трансмиграция имеют сходство с лейкоцитами (52,53), то, возможно, что они могут быть доставлены и через кровяной поток. Недавние исследование показали, что СНК, инъецированные в кровяное русло мышей (модели рассеянного склероза), заняли атипичную нишу вокруг кровеносных сосудов, где они оставались в недифференцированном состоянии и подавляли воспалительный процесс (53,54), что свидетельствуют в пользу такого предположения.

Выбор транспорта для доставки

Существует большое разнообразие линий СНК, однако не все они годятся для терапии. Идеальная система доставки предполагает стабильность ткани, культуры и способность длительной, преимущественно регулируемой, экспрессии терапевтических молекул. Клетки должны иметь предсказуемый и соответствующий паттерн дифференцировки в культуре и после трансплантации, а также хорошую выживаемость in vivo без образования опухолей. Для эффективной терапии отобранные СНК должны отвечать на хемотаксические сигналы, продуцируемые определенным типом патологии. В идеале желательно иметь средства относительно легкой доставки СНК, например, через кровяное русло.

Должны ли быть линии клеток иммортализованными? Исторически сложилось так, что неопухолевые клетки должны быть иммортализованы. Иммортализованные клетки обычно имеют интродуцированный онкоген, позволяющий клеткам размножаться длительное время и не подвергаться старению. Идентификация ростовых факторов, усиливающих продолжительность жизни культуры неиммортализованных СНК, сделала иммортализацию не столь необходимой. Использование же иммортализованных клеток вызывает некоторое беспокойство, особенно в клинических исследованиях. Иммортализованные СНК имеют характеристики, нетипичные для большинства популяций СНК – это необычно высокая миграционная способность клеток in vivo (55,56) и высокая степень мультипотентности, способная увеличить вероятность образования опухоли из-за быстрого роста стволовых клеток (57,58).

Однако бывают случаи, когда онкогенная иммортализация становится положительным фактором. Забота о безопасности может уменьшить терапевтическую ценность инвазивности и миграционной способности иммортализованных СНК. На практике иммортализация способствует размножению клеток с определенными почти идентичными свойствами. Поэтому могут быть получены клональные популяции с заданными свойствами. Более того, было показано, что если иммортализованные клетки относительно не злокачественны, то намного легче контролировать их качество, чем качество исходных клеточных препаратов для использования в клинических испытаниях, т.к. эти клеточные линии могут быть подвергнуты тщательному анализу

Первичные клетки для трансплантации. Вероятно, идеальным типом клеток для трансплантации были бы клетки идентичные (насколько это возможно) эндогенными СНК. Однако существуют некоторые ограничения для использования первичных (исходных) клеток. В отличие от гематопоэтических стволовых клеток костного мозга, маловероятно, что единственная СНК или небольшая группа этих клеток достаточны для регенерации поврежденной мозговой ткани. Именно поэтому необходимо размножение клеток в культуре для получения их достаточного объема. Число СНК, достаточных для трансплантации, должно определяться эмпирически для каждого заболевания.

Культура клеток in vitro имеет свои собственные проблемы. Используется множество линий СНК и препаратов, и каждая из них была получена в разных условиях и из разных источников и поддерживается в разных условиях культивирования. Если СНК использовать в клинических целях, то исследователи должны согласовать вопрос об условиях культивирования СНК и выработать определенные критерии для этих клеток.

Безопасны ли стволовые эмбриональные клетки человека? Эмбриональные стволовые клетки человека (embryonic stem – ES) имеют несколько явных преимуществ по сравнению с другими типами стволовых клеток при терапии. ES клетки – это клеточные линии, происходящие от 30-50 клеток внутренней клеточной массы эмбриона на стадии бластоцисты. В отличие от СНК, дифференцировка ES клеток не ограничивается элементами нервной системы. ES клетки также иммортализованы и не подвержены старению после длительного периода культивирования. И что важно – усилия, направленные на изучение характеристик ES клеток во многих лабораториях привели к тому, что ученые могут начинать работу с одними и теми же хорошо изученными и охарактеризованными клеточными популяциями. Это устраняет проблемы, связанные с воспроизводимостью и контролем качества ES клеток, что является проблемой при использовании других стволовых клеток. ES человека могут быть направлены на дифференцировку и по нейрональному типу (59), а также изолированы на стадии, когда они напоминают соматические СНК. Однако и в случае использования ES клеток в терапевтических целях не удается избежать некоторых проблем. Во-первых, следует иметь в виду, что поскольку клетки не имеют «опыта» в отношении ориентиров во время развития, они могут не формировать определенный клеточный фенотип, а это может привести к непредсказуемым результатам in vivo (56). В настоящее время крайне мало данных о миграционных способностях нейрональных ES клеток человека в сравнении с СНК. Более того, популяции ES-производных трансплантированных клеток не должны иметь канцерогенных клеток, что характерно для недифференцированных популяций. Важно также иметь в виду, что при использовании ES клеток иногда возникают этические проблемы, связанные с получением этих клеток из эмбриона человека.

Как решить проблему? Решение по использованию тех или иных клеточных препаратов должно базироваться на главном принципе медицины – «не навреди». В настоящее время широко распространено мнение, что первичные и ES-полученные клетки являются наиболее подходящими терапевтическими системами для лечения патологии мозга. Однако пока нет доказательств о безопасном использовании любых типов клеток. В связи с этим необходимы всесторонние исследовании, при которых бы сравнивались разные клеточные популяции в одних и тех же доклинических испытаниях (3). Новые подходы, в т.ч. современные методы наблюдения за клетками, будут важны для решения данной проблемы (60, 61).

Генотерапия, основанная на использовании СНК

Полагают, что в нервной системе замещение нейронов является основной целью генотерапии. Однако клетки, включая стволовые, уже были использованы как инструмент для доставки генов и «спасения» нейронов, а не их замещения. В целом генотерапия рациональна, когда болезнь, вызванная отсутствием критического белка, может быть вылечена посредством восстановления этого белка с использованием соотвсетвстующих экспрессирующих этот ген векторов. Эта идея впервые была предложена для лечения лизосомных болезней накопления (62). Теоретически, направленная терапевтическая экспрессия замещенного гена в- или вблизи пораженной области должна восстановить нарушенный метаболизм. Эта концепция и легла в основу генотерапевтического лечения заболеваний. Например, генотерапия для болезни Альцгеймера включает таргетированную экспрессию холин ацетилтрансферазы для компенсации ацетилхолина (63). Как стволовые клетки будут использоваться для генотерапии, зависит от природы заболевания или повреждения, требующего лечения.

СНК могут быть трансдуцированы in vitro и in vivo (12, 64). В настоящее время наиболее эффективным и популярным путем интродукции генов в СНК является использование лентивирусных (lentiviral) векторов. Главной проблемой при этом подходе является частое трансгенное умолчание (frequent transgene silencing) in situ и активизация близлежащих онкогенов в результате интеграции трансгена, что может привести к селекции аномально растущих субклонов (58, 65, 66).

Чтобы разобраться в разных стратегиях систем доставки генов с помощью стволовых клето, авторы обсуждают шесть примеров заболеваний нервной системы, которые могут быть вылечены с помощью такой терапии.

Болезнь Паркинсона. Отсутствие дофамина в скорлупе (подкорковой структуре) мозга (вызванное дегенерацией иннервирующих нейронов в черной субстанции) играет центральную роль в патогенезе Parkinson’s disease (PD). Систематическая l-DOPA (3,4(OH)2-phenylalanine) терапия является эффективным методом лечения симптомов PD на ранних стадиях заболевания, но не устраняет продолжающуюся дегенерацию и, в конце концов, становится неэффективной. Поскольку дегенерация при этом заболевании относительно локализована, то PD стала одной из первых болезней, при которой применили клеточную терапию. Первые экспериментальные трансплантаты фетальных дофаминергических нейронов в скорлупу (putamen) были произведены еще в 1980-х годах. Оказалось, что у больных PD трансплантаты работали как дофаминовые насосы, что было похоже на систематическое введение l-DOPA. Но главным преимуществом трансплантатов было сглаживание цикла on–off симптомов, при которых у больных наступали периоды неспособности к передвижению или появлялись неконтролируемые движения (67,68). Однако наблюдали значительную вариабельность между больными, частично обусловленную несовместимостью плодной ткани, используемой для трансплантата, а также обусловленную особенностями заболевания у каждого больного. Лучшие результаты при использовании трансплантата были сравнимы с наилучшими достижениями при симптоматическом лечении с использованием l-DOPA у одних и тех же больных (68). Механизмы, посредством которых работают трансплантаты, неясны из-за малочисленности функциональных связей у многих трансплантатов. Предполагали, что трансплантированные клетки работали скорее как генотерапевтические средства для доставки дофамина, а не как клетки, замещающие нейроны. Однако эффекты фетальных трансплантатов не ограничивались их действием только как дофаминовых насосов. В некоторых случаях наблюдали образование функциональных связей, а это означает, что трансплантированные клетки могут продуцировать трофические факторы, способствующие защите оставшихся дофаминергическхе нейронов. При доклинических исследованиях проводится проверка использования генетически индуцированного образования нейротрофических факторов, таких как glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) или VEGF в тансплантатах СНК (69-71).

Болезнь Альцгеймера. Лечение этого заболевания с помощью генотерапевтических подходов более проблематично в сравнении с PD, поскольку дегенерация нейронов не ограничена локальными областями, а распространена довольно широко –в гиппокампе, коре и амигдале, она распространяется и на другие области мозга. В настоящее время стратегия клеточной и генотерапии сфокусирована на использовании клеток, способных доставить нейротрофические факторы. Полагают, что нейротрофические факторы защищают нейроны от дегенерации и реактивируют нарушенные связи при нейродегенеративных расстройствах. Первая фаза клинических испытаний с использованием фибробластов для доставки фактора роста нервов (nerve growth factor - NGF) недавно была завершена (72). Дальнейшие планы предполагают использование аденоассоциированного вируса (adenoassociated virus - AAV) для доставки NGF экспрессирующего вектора непосредственно в мозг.

Недавно авторы предположили, что способность к хомингу СНК может быть использована для непосредственной доставки терапевтических ферментов в амилоидные бляшки ((F.-J.M. and J.F.L., unpublished observations).

Боковой амиотрофический склероз. (Amyotrophic lateral sclerosis- ALS). Экспериментальные исследования показали, что сверхэкспрессия ростовых факторов - GDNF, insulin-like growth factor 1 (IGF1) или VEGF может оказывать положительный эффект на течение ALS у экспериментальных моделей (73,74). Проблема для применения такой терапии в клинике заключается в проникновении этих крупных молекул через гематоэнцефалический барьер. До сих пор вирусные векторы являются лучшими средствами увеличения продукции этих факторов in situ. Клеточная терапия может оказаться более эффективным средством доставки этих крупных белков в специфические области ЦНС, что может способствовать лучшей выживаемости нейронов (75).

Злокачественные новообразования мозга. Оказалось, что СНК привлекаются определенными опухолями мозга, что позволяет использовать эти клетки для локальной химиотерапии (РИС.2). Основной целью в доклинических исследованиях является оптимальный выбор типа стволовых клеток и использование наиболее эффективной терапевтической системы (ТАБЛ.3). До сих пор в большинстве исследований на экспериментальных моделях использовали иммортализованные стволовые cell-like клетки. Большое разнообразие терапевтических систем тестировано encompasses lytic viruses prodrug-converting enzymes, immunomodulatory cytokines, proteins with anti-angiogenic activity and cytokines with direct anti-tumoural activity (9–11,76,77).

Заболевания с нарушениями метаболизма мозга. Врожденные генетические дефекты, поражающие ЦНС, такие как лизосомные болезни накопления, являются наиболее перспективными мишенями для использования методов терапии стволовыми клетками. Применение генетически нормальных стволовых клеток позволило бы восстановить недостающую ферментативную активность во многих областях мозга (12, 78). Проводимые в настоящее время доклинические испытания нацелены как раз на этот вид генотерапии, причем при таком подходе может быть выбрано оптимальное время воздействия (например, in utero), и нужный тип стволовых клеток. Наиболее оптимальными мишеням при такой терапии являются болезни накопления (например, при дефиците галактоцереброзидазы - болезнь Краббе у человека и у мышей twitcher), часто сопровождающиеся выраженным нейровоспалительным компонентом. Значительный прогресс достигнут в предохранении самих СНК от воспалительных повреждений, что также может найти практическое применение (30,31,79).

Нейропатическая боль. Доставка клеток и генов для лечения определенных форм нейропатической боли – одно из активно развивающихся направлений исследований (ТАБЛ.3). Оказалось, что потенциальные терапевтические молекулы, такие как ростовые факторы и нейротрансмиттеры, доставленные стволовыми или другими клетками, облегчают некоторые формы хронической боли у экспериментальных животных. Неожиданно также обнаружилось, что СНК (и их производные астроциты и олигодендроциты) могут быть полезными для модулирования боли, индуцированной травмой, влияя на нейроны и возбудимость (80,81).

Начиная с первых работ по болезни Паркинсона и до изучения терапевтических возможностей стволовых клеток при болезни Альцгеймера, ученые с большим интересом и активностью проводят исследования по использованию стволовых клеток для лечения разных заболеваний нервной системы. Доставка препаратов с помощью СНК, вероятно, сможет обеспечить максимально возможное положительное терапевтическое воздействия лекарств. Однако большинство работ по терапии заболеваний стволовыми клетками все еще находится на стадии доклиничеких исследований и должны пройти нелегкий путь, прежде чем эти клетки будут использоваться в лечении заболеваний человека.

Заключение

СНК могут быть использованы для доставки «терапевтических» молекул при лечении заболеваний ЦНС. Эти клетки обладают тропизмом к патологии мозга, который очевидно опосредуется (по крайней мере, частично), хемокинами. Главной проблемой этого подхода при лечении заболеваний человека является отбор именно тех СНК, которые годны для каждого конкретного случая. Нужно знать какие гены и химические соединения могут быть доставлены с помощью СНК и какие заболевания являются наиболее подходящими мишенями для такого лечения.

Важно помнить, что в настоящее время доминирующей концепцией в этой области исследований является пригодность СНК в основном для клеточной заместительной терапии. И хотя эксперименты дают обнадеживающие результаты, конечный результат может преподнести неожиданные сюрпризы, новые открытия и новую интерпретацию полученных результатов, о которых мы сегодня даже не подозреваем.

Литература

1. Gage, F. H. Mammalian neural stem cells. Science 287, 1433–1438 (2000).
2. Pevny, L. & Rao, M. S. The stem-cell menagerie. Trends Neurosci. 26, 351–359 (2003).
3. Soares, S. & Sotelo, C. Adult neural stem cells from the mouse subventricular zone are limited in migratory ability compared to progenitor cells of similar origin. Neuroscience 128, 807–817 (2004).
4. Doetsch, F., Petreanu, L., Caille, I., Garcia-Verdugo, J. M. & Alvarez-Buylla, A. EGF сonverts transit-amplifying neurogenic precursors in the adult brain into multipotent stem cells. Neuron 36, 1021–1034 (2002).
5. Maslov, A. Y., Barone, T. A., Plunkett, R. J. & Pruitt, S. C. Neural stem cell detection, characterization, and agerelated changes in the subventricular zone of mice.J. Neurosci. 24, 1726–1733 (2004).
6. Mi, R. et al. Immortalized neural stem cells differ from nonimmortalized cortical neurospheres and cerebellar granule cell progenitors. Exp. Neurol. 194, 301–319 (2005).
7. Lie, D. C., Song, H., Colamarino, S. A., Ming, G. L. & Gage, F. H. Neurogenesis in the adult brain: new strategies for central nervous system diseases. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 44, 399–421 (2004).
8. Emsley, J. G., Mitchell, B. D., Kempermann, G. &Macklis, J. D. Adult neurogenesis and repair of the adult CNS with neural progenitors, precursors, and stem cells. Prog. Neurobiol. 75, 321–341 (2005).
9. Benedetti, S. et al. Gene therapy of experimental brain tumors using neural progenitor cells. Nature Med. 6, 447–450 (2000).
10. Herrlinger, U. et al. Neural precursor cells for delivery of replication-conditional HSV-1 vectors to intracerebral gliomas. Mol. Ther. 1, 347–357 (2000).
11. Aboody, K. S. et al. Neural stem cells display extensive tropism for pathology in adult brain: evidence from intracranial gliomas. Proc. Natl Acad. Sci. USA 97, 12846–12851 (2000).
12. Consiglio, A. et al. Robust in vivo gene transfer into adult mammalian neural stem cells by lentiviral vectors. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 14835–14840 (2004).
13. Glass, R. et al. Glioblastoma-induced attraction of endogenous neural precursor cells is associated with improved survival. J. Neurosci. 25, 2637–2646 (2005).
14. Chi, L. et al. Motor neuron degeneration promotes neural progenitor cell proliferation, migration and neurogenesis in the spinal cords of ALS mice. Stem Cells Express 11 Aug 2005 (doi:10.1634/stemcells.2005-0076).
15. Brown, A. B. et al. Intravascular delivery of neural stem cell lines to target intracranial and extracranial tumors of neural and non-neural origin. Hum. Gene Ther. 14, 1777–1785 (2003).
16. Li, S. et al. Bystander effect-mediated gene therapy of gliomas using genetically engineered neural stem cells.Cancer Gene Ther. 12, 600–607 (2005).
17. Kelly, S. et al. Transplanted human fetal neural stem cells survive, migrate, and differentiate in ischemic rat cerebral cortex. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 11839–11844 (2004).
18. Song, H., Stevens, C. F. & Gage, F. H. Astroglia induce neurogenesis from adult neural stem cells. Nature 417, 39–44 (2002).
19. Palmer, T. D., Willhoite, A. R. & Gage, F. H. Vascular niche for adult hippocampal neurogenesis. J. Comp. Neurol. 425, 479–494 (2000).
20. Shen, Q. et al. Endothelial cells stimulate self-renewal and expand neurogenesis of neural stem cells. Science 304, 1338–1340 (2004).
21. Mercier, F., Kitasako, J. T. & Hatton, G. I. Anatomy of the brain neurogenic zones revisited: fractones and the fibroblast/macrophage network. J. Comp. Neurol. 451, 170–188 (2002).
22. Aarum, J., Sandberg, K., Haeberlein, S. L. &Persson, M. A. Migration and differentiation of neural precursor cells can be directed by microglia. Proc. Natl Acad. Sci. USA 100, 15983–15988 (2003).
23. Schmidt, N. O. et al. Brain tumor tropism of transplanted human neural stem cells is induced by vascular endothelial growth factor. Neoplasia 7, 623–629 (2005).
24. Imitola, J. et al. Directed migration of neural stem cells to sites of CNS injury by the stromal cell-derived factor 1α/CXC chemokine receptor 4 pathway. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 18117–18122 (2004).
25. Ehtesham, M. et al. Glioma tropic neural stem cells consist of astrocytic precursors and their migratory capacity is mediated by CXCR4. Neoplasia 6, 287–293 (2004).
26. Widera, D. et al. MCP-1 induces migration of adult neural stem cells. Eur. J. Cell Biol. 83, 381–387 (2004).
27. Ben-Hur, T. et al. Effects of proinflammatory cytokines on the growth, fate, and motility of multipotential neural precursor cells. Mol. Cell. Neurosci. 24, 623–631 (2003).
28. Block, M. L. & Hong, J. S. Microglia and inflammationmediated neurodegeneration: multiple triggers with a common mechanism. Prog. Neurobiol. 76, 77–98 (2005).
29. Aharoni, R., Arnon, R. & Eilam, R. Neurogenesis and neuroprotection induced by peripheral immunomodulatory treatment of experimental autoimmune encephalomyelitis. J. Neurosci. 25, 8217–8228 (2005).
30. Ekdahl, C. T., Claasen, J. H., Bonde, S., Kokaia, Z. & Lindvall, O. Inflammation is detrimental for neurogenesis in adult brain. Proc. Natl Acad. Sci. USA 100, 13632–13637 (2003).
31. Monje, M. L., Toda, H. & Palmer, T. D. Inflammatory blockade restores adult hippocampal neurogenesis. Science 302, 1760–1765 (2003).
32. Nimmerjahn, A., Kirchhoff, F. & Helmchen, F. Resting microglial cells are highly dynamic surveillants of brain parenchyma in vivo. Science 308, 1314–1318 (2005).
33. Barouch, R. & Schwartz, M. Autoreactive T cells induce neurotrophin production by immune and neural cells in injured rat optic nerve: implications for protective autoimmunity. FASEB J. 16, 1304–1306 (2002).
34. Wong, G., Goldshmit, Y. & Turnley, A. M. Interferon-α but not TNF ? promotes neuronal differentiation and neurite outgrowth of murine adult neural stem cells. Exp. Neurol. 187, 171–177 (2004).
35. Fernaud-Espinosa, I., Nieto-Sampedro, M. & Bovolenta, P. Differential activation of microglia and astrocytes in aniso- and isomorphic gliotic tissue. Glia 8, 277–291 (1993).
36. Wang, K. & Walz, W. Unusual topographical pattern of proximal astrogliosis around a cortical devascularizing lesion. J. Neurosci. Res. 73, 497–506 (2003).
37. da Cunha, A. et al. Control of astrocytosis by interleukin-1 and transforming growth factor-β 1 in human brain. Brain Res. 631, 39–45 (1993).
38. Spranger, M. et al. Regulation of nerve growth factor (NGF) synthesis in the rat central nervous system: comparison between the effects of interleukin-1 and various growth factors in astrocyte cultures and in vivo. Eur. J. Neurosci. 2, 69–76 (1990).
39. Friedman, W. J. et al. Regulation of β-nerve growth factor expression by inflammatory mediators in hippocampal cultures. J. Neurosci. Res. 27, 374–382 (1990).
40. Liberto, C. M., Albrecht, P. J., Herx, L. M., Yong, V. W. & Levison, S. W. Pro-regenerative properties of cytokine-activated astrocytes. J. Neurochem. 89, 1092–1100 (2004).
41. Babcock, A. A., Kuziel, W. A., Rivest, S. & Owens, T. Chemokine expression by glial cells directs leukocytes to sites of axonal injury in the CNS. J. Neurosci. 23, 7922–7930 (2003).
42. Wang, K., Bekar, L. K., Furber, K. & Walz, W. Vimentin-expressing proximal reactive astrocytes correlate with migration rather than proliferation following focal brain injury. Brain Res. 1024, 193–202 (2004).
43. Leavitt, B. R., Hernit-Grant, C. S. & Macklis, J. D. Mature astrocytes transform into transitional radial glia within adult mouse neocortex that supports directed migration of transplanted immature neurons. Exp. Neurol. 157, 43–57 (1999).
44. Hagino, S. et al. Slit and glypican-1 mRNAs are coexpressed in the reactive astrocytes of the injured adult brain. Glia 42, 130–138 (2003).
45. Fawcett, J. W. & Asher, R. A. The glial scar and central nervous system repair. Brain Res. Bull. 49, 377–391 (1999).
46. Back, S. A. et al. Hyaluronan accumulates in demyelinated lesions and inhibits oligodendrocyte progenitor maturation. Nature Med. 11, 966–972 (2005).
47. Cleaver, O. & Melton, D. A. Endothelial signaling during development. Nature Med. 9, 661–668 (2003).
48. Carmeliet, P. & Tessier-Lavigne, M. Common mechanisms of nerve and blood vessel wiring. Nature 436, 193–200 (2005).
49. Alvarez-Buylla, A. & Lim, D. A. For the long run: maintaining germinal niches in the adult brain. Neuron 41, 683–686 (2004).
50. Bagnard, D. et al. Semaphorin 3A–vascular endothelial growth factor-165 balance mediates migration and apoptosis of neural progenitor cells by the recruitment of shared receptor. J. Neurosci. 21, 3332–3341 (2001).
51. Zhang, H., Vutskits, L., Pepper, M. S. & Kiss, J. Z. VEGF is a chemoattractant for FGF-2-stimulated neural progenitors. J. Cell Biol. 163, 1375–1384.(2003).
52. Allport, J. R., Shinde Patil, V. R. & Weissleder, R.Murine neuronal progenitor cells are preferentially recruited to tumor vasculature via ?4-integrin and SDF-1?-dependent mechanisms. Cancer Biol. Ther. 3, 838–844 (2004).
53. Pluchino, S. et al. Injection of adult neurospheres induces recovery in a chronic model of multiple sclerosis. Nature 422, 688–694 (2003).
54. Pluchino, S. et al. Neurosphere-derived multipotent precursors promote neuroprotection by an immunomodulatory mechanism. Nature 436, 266–271 (2005).
55. Ourednik, J., Ourednik, V., Lynch, W. P., Schachner, M. & Snyder, E. Y. Neural stem cells display an inherent mechanism for rescuing dysfunctional neurons. Nature Biotechnol. 20, 1103–1110 (2002).
56. Ruschenschmidt, C., Koch, P. G., Brustle, O. & Beck, H. Functional properties of ES cell-derived neurons engrafted into the hippocampus of adult normal and chronically epileptic rats. Epilepsia 46 (Suppl. 5), 174–183 (2005).
57. Gao, W. Q. & Hatten, M. E. Immortalizing oncogenes subvert the establishment of granule cell identity in developing cerebellum. Development 120, 1059–1070 (1994).
58. Imren, S. et al. High-level ?-globin expression and preferred intragenic integration after lentiviral transduction of human cord blood stem cells. J. Clin. Invest. 114, 953–962 (2004).
59. Carpenter, M. K. et al. Enrichment of neurons and neural precursors from human embryonic stem cells. Exp. Neurol. 172, 383–397 (2001).
60. Tang, Y. et al. In vivo tracking of neural progenitor cell migration to glioblastomas. Hum. Gene Ther. 14, 1247–1254 (2003).
61. Hoehn, M. et al. Monitoring of implanted stem cell migration in vivo: a highly resolved in vivo magnetic resonance imaging investigation of experimental stroke in rat. Proc. Natl Acad. Sci. USA 99, 16267–16272 (2002).
62. Gene Therapy Wikipedia [online], (2005).
63. Pizzo, D. P., Coufal, N. G., Lortie, M. J., Gage, F. H. & Thal, L. J. Regulatable acetylcholine-producing fibroblasts enhance cognitive performance. Mol.Ther. 26 Sep 2005 (doi:10.1016/j.mythe.2005.08.001).
64. Bharali, D. J. et al. Organically modified silica nanoparticles: a nonviral vector for in vivo gene delivery and expression in the brain. Proc. Natl Acad. Sci. USA 102, 11539–11544 (2005).
65. Kustikova, O. et al. Clonal dominance of hematopoietic stem cells triggered by retroviral gene marking. Science 308, 1171–1174 (2005).
66. Vroemen, M., Weidner, N. & Blesch, A. Loss of gene expression in lentivirus- and retrovirus-transduced neural progenitor cells is correlated to migration and differentiation in the adult spinal cord. Exp. Neurol.195, 127–139 (2005).
67. Zurn, A. D., Tseng, J. & Aebischer, P. Treatment of Parkinson’s disease. Symptomatic cell therapies: cells as biological minipumps. Eur. Neurol. 36, 405–408 (1996).
68. Freed, C. R., Breeze, R. E., Fahn, S. & Eidelberg, D. Preoperative response to levodopa is the best predictor of transplant outcome. Ann. Neurol. 55, 896; author reply 896–897 (2004).
69. Akerud, P., Canals, J. M., Snyder, E. Y. & Arenas, E. Neuroprotection through delivery of glial cell linederived neurotrophic factor by neural stem cells in a mouse model of Parkinson’s disease. J. Neurosci. 21, 8108–8118 (2001).
70. Casper, D. et al. Enhanced vascularization and survival of neural transplants with ex vivo angiogenic gene transfer. Cell Transplant. 11, 331–349 (2002).
71. Yasuhara, T. et al. Neurorescue effects of VEGF on a rat model of Parkinson’s disease. Brain Res. 1053, 10–18 (2005).
72. Tuszynski, M. H. et al. A phase 1 clinical trial of nerve growth factor gene therapy for Alzheimer disease. Nature Med. 11, 551–555 (2005).
73. Kaspar, B. K., Llado, J., Sherkat, N., Rothstein, J. D. &Gage, F. H. Retrograde viral delivery of IGF-1 prolongs survival in a mouse ALS model. Science 301, 839–842 (2003).
74. Azzouz, M. et al. VEGF delivery with retrogradely transported lentivector prolongs survival in a mouse ALS model. Nature 429, 413–417 (2004).
75. Klein, S. M. et al. GDNF delivery using human neural progenitor cells in a rat model of ALS. Hum. Gene Ther. 16, 509–521 (2005).
76. Ehtesham, M. et al. Induction of glioblastoma apoptosis using neural stem cell-mediated delivery of tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand. Cancer Res. 62, 7170–7174 (2002).
77. Kim, S. K. et al. PEX-producing human neural stem cells inhibit tumor growth in a mouse glioma model.Clin. Cancer Res. 11, 5965–5970 (2005).
78. Snyder, E. Y., Taylor, R. M. & Wolfe, J. H. Neural progenitor cell engraftment corrects lysosomal storage throughout the MPS VII mouse brain. Nature 374, 367–370 (1995).
79. Monje, M. L. & Palmer, T. Prevention of deficits in neurogenesis with anti-inflammatory agents. US Patent application 20040254152 (2004).
80. Hains, B. C., Johnson, K. M., Eaton, M. J., Willis, W. D. & Hulsebosch, C. E. Serotonergic neural precursor cell grafts attenuate bilateral hyperexcitability of dorsal horn neurons after spinal hemisection in rat.Neuroscience 116, 1097–1110 (2003).
81. Hofstetter, C. P. et al. Allodynia limits the usefulness of intraspinal neural stem cell grafts; directed differentiation improves outcome. Nature Neurosci.8, 346–353 (2005).
82. Weissleder, R. & Ntziachristos, V. Shedding light onto live molecular targets. Nature Med. 9, 123–128 (2003).
83. Allport, J. R., Shinde Patil, V. R. & Weissleder, R.Murine neuronal progenitor cells are preferentially recruited to tumor vasculature via ?4-integrin and SDF-1?-dependent mechanisms. Cancer Biol. Ther.3, 838–844 (2004).
84. Burnstein, R. M. et al. Differentiation and migration of long term expanded human neural progenitors in a partial lesion model of Parkinson’s disease. Int.J. Biochem. Cell Biol. 36, 702–713 (2004).
85. Ahn, T. B., Kim, J. M., Kwon, K. M., Lee, S. H. &Jeon, B. S. Survival and migration of transplanted neural stem cell-derived dopamine cells in the brain of parkinsonian rat. Int. J. Neurosci. 114, 575–585 (2004).
86. Chen, J., Magavi, S. S. & Macklis, J. D. Neurogenesis of corticospinal motor neurons extending spinal projections in adult mice. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 16357–16362 (2004).
87. Shihabuddin, L. S. et al. Intracerebral transplantation of adult mouse neural progenitor cells into the Niemann–Pick-A mouse leads to a marked decrease in lysosomal storage pathology. J. Neurosci. 24, 10642–10651 (2004).
88. Hayashi, T. et al. Neural precursor cells division and migration in neonatal rat brain after ischemic/hypoxic injury. Brain Res. 1038, 41–49 (2005).
89. Shear, D. A. et al. Neural progenitor cell transplants promote long-term functional recovery after traumatic brain injury. Brain Res. 1026, 11–22 (2004).
90. Wennersten, A., Meier, X., Holmin, S., Wahlberg, L. &Mathiesen, T. Proliferation, migration, and differentiation of human neural stem/progenitor cells after transplantation into a rat model of traumatic brain injury. J. Neurosurg. 100, 88–96 (2004).
91. Picard-Riera, N. et al. Experimental autoimmune encephalomyelitis mobilizes neural progenitors from the subventricular zone to undergo oligodendrogenesis in adult mice. Proc. Natl Acad. Sci.USA 99, 13211–13216 (2002).
92. Ben-Hur, T. et al. Transplanted multipotential neural precursor cells migrate into the inflamed white matter in response to experimental autoimmune encephalomyelitis. Glia 41, 73–80 (2003).
93. Totoiu, M. O., Nistor, G. I., Lane, T. E. & Keirstead, H. S. Remyelination, axonal sparing, and locomotor recovery following transplantation of glial-committed progenitor cells into the MHV model of multiple sclerosis. Exp. Neurol. 187, 254–265 (2004).
94. Ji, J. F., He, B. P., Dheen, S. T. & Tay, S. S.Expression of chemokine receptors CXCR4, CCR2, CCR5 and CX3CR1 in neural progenitor cells isolated from the subventricular zone of the adult rat brain. Neurosci. Lett. 355, 236–240 (2004).
95. Krathwohl, M. D. & Kaiser, J. L. Chemokines promote quiescence and survival of human neural progenitor cells. Stem Cells 22, 109–118 (2004).
96. Martinez-Serrano, A. & Bjorklund, A. Ex vivo nerve growth factor gene transfer to the basal forebrain in presymptomatic middle-aged rats prevents the development of cholinergic neuron atrophy and cognitive impairment during aging. Proc. Natl Acad. Sci. USA 95, 1858–1863 (1998).
97. Sun, L., Lee, J. & Fine, H. A. Neuronally expressed stem cell factor induces neural stem cell migration to areas of brain injury. J. Clin. Invest. 113, 1364–1374 (2004).
98. Jin, K., Mao, X. O., Sun, Y., Xie, L. &Greenberg, D. A. Stem cell factor stimulates neurogenesis in vitro and in vivo. J. Clin. Invest. 110, 311–319 (2002).
99. Schanzer, A. et al. Direct stimulation of adult neural stem cells in vitro and neurogenesis in vivo by vascular endothelial growth factor. Brain Pathol.14, 237–248 (2004).
100. Martinez-Serrano, A., Hantzopoulos, P. A. & Bjorklund,A. Ex vivo gene transfer of brain-derived neurotrophic factor to the intact rat forebrain: neurotrophic effects on cholinergic neurons. Eur.J. Neurosci. 8, 727–735 (1996).
101. Low, W. C. et al. Function recovery following neural transplantation of embryonic septal nuclei in adult rats with septohippocampal lesions. Nature 300, 260–262 (1982).
102. Ehtesham, M. et al. The use of interleukin 12-secreting neural stem cells for the treatment of intracranial glioma. Cancer Res. 62, 5657–5663 (2002).
103. Barresi, V. et al. Transplantation of prodrug-converting neural progenitor cells for brain tumor therapy. Cancer Gene Ther. 10, 396–402 (2003).
104. Lee, J. et al. Cellular and genetic characterization of human adult bone marrow-derived neural stem-like cells: a potential antiglioma cellular vector. Cancer Res. 63, 8877–8889 (2003).
105. Shah, K. et al. Glioma therapy and real-time imaging of neural precursor cell migration and tumor regression.Ann. Neurol. 57, 34–41 (2005).
106. Eaton, M. J., Santiago, D. I., Dancausse, H. A. & Whittemore, S. R. Lumbar transplants of immortalized serotonergic neurons alleviate chronic neuropathic pain. Pain 72, 59–69 (1997).
107. Eaton, M. J., Plunkett, J. A., Karmally, S.,Martinez, M. A. & Montanez, K. Changes in GAD and GABA-immunoreactivity in the spinal dorsal horn after peripheral nerve injury and promotion of recovery by lumbar transplant of immortalized serotonergic precursors. J. Chem. Neuroanat. 16, 57–72 (1998).
108. Eaton, M. J. et al. Transplants of neuronal cells bioengineered to synthesize GABA alleviate chronic neuropathic pain. Cell Transplant. 8, 87–101(1999).
109. Eaton, M. J. et al. Lumbar transplant of neurons genetically modified to secrete galanin reverse pain-like behaviors after partial sciatic nerve injury. J. Peripher. Nerv. Syst. 4, 245–257 (1999).
110. Cejas, P. J. et al. Lumbar transplant of neurons genetically modified to secrete brain-derived neurotrophic factor attenuates allodynia and hyperalgesia after sciatic nerve constriction. Pain 86,195–210 (2000).
111. Lin, C. R. et al. Intrathecal spinal progenitor cell transplantation for the treatment of neuropathic pain. Cell Transplant. 11, 17–24 (2002). This correspondence relates to the article: Imaging implicit perception: promise and pitfalls Hannula, D. E., Simons, D. J. and Cohen, N. J. Nature Rev. Neurosci. 6, 247–255 (2005)
Сайт создан в системе uCoz