Существует надежда, что стволовые клетки предоставят неисчерпаемый источник нейронов и глии для терапии, нацеленной на замещение клеток или нейропротекцию при нарушениях, затрагивающих головной или спинной мозг (Fig. 1). Embryonic stem (ES) клетки и стволовые клетки из ЦНС плодов и взрослых или др. тканей могут быть пригодны для этих причин, но клетки человека скорее всего необходимы для клинического применения. Разработка терапии стволовыми клетками нуждается в детальном знании патологии болезни и как затрагиваются специфические типы клеток в различных областях ЦНС. Разные типы клеток и нейропротективные молекулы необходимы в зависимости от нарушения. При некоторых нарушениях выгода может быть получена возможно только за счет трансплантированных клеток, полученных из стволовых клеток
, тогда как в др. условиях стимуляция эндогенных стволовых клеток ЦНС может быть успешной.
Патологическим признаком болезни Паркинсона (PD) является постепенная потеря nigrostriatal dopamine-содержащих нейронов, но деградация происходит также в системах не-dopaminergic нейронов. Главными симптомами являются ригидность, бедность движений (bradykinesia), тремор и нестабильность поз. Современная терапия базируется на оральном применении агонистов L-dopa и dopamine рецепторов и на стимуляции глубоких отделов головного мозга в subthalamic ядре. Эти воздействия эффективны для некоторых симптомов, но связаны с побочными эффектами и не останавливают прогрессирования болезни. Чтобы быть клинически конкурентоспособной терапия с помощью стволовых клеток д.приводить к долговременному, существенному улучшению подвижности, ослаблять неподдающиеся сегодня лечению симптомы или противодействовать прогрессированию болезни.
Клинические испытания с трансплантацией плодных dopaminergic нейронов человека показали, замещение клеток может вызывать большое долго длящееся улучшение у некоторых пациентов
1. Так что это является многообещающим, что клетки со свойствами dopaminergic нейронов будут генерироваться
in vitro из стволовых клеток разных источников, таких как ES клетки и стволовые клетки, выделенные из костного мозга и головного мозга плодов1-3. Однако, может ли какой-либо из этих протоколов вызвать функциональное восстановление неясно, т.к еще не получено четкой демонстрации, что будучи трансплантированными в животных с экспериментальной PD, нейроны, генерированные
in vitro смогут эффективно ре-иннервировать striatum, высвобождать dopamine
in vivo и давать существенное восстановление от дефицитов, напоминающих симптомы у людей
1. Чтобы сделать терапию стволовыми клетками пригодной для PD, dopaminergic нейроны с характеристиками нейронов substantia nigra
4 д. продуцироваться в больших количествах. Для dopaminergic нейронов, генерируемых из ES клеток людей
5, выживаемость после трансплантации в животные модели низкая и нуждается в заметном увеличении перед клиническими испытаниями. Т.к. некоторые пациенты нуждаются в имплантах в несколько областей головного мозга
6, то оптимальное восстановление нуждается в трудоёмкой процедуре по трансплантации, базирующейся на преоперативной картине. Необходима также разработка стратегий, которые задерживают прогрессирование болезни. Один из возможных подходов к предупреждению гибели существующих нейронов д. быть трансплантации стволовых клеток человека, преобразованных, чтобы экспрессировать нейрозащитные молекулы, такие как glial-cell-line-derived neurotrophic factor (GDNF)
7.
Stroke
Инсульт, вызываемый блокадой церебральной артерии, ведет к фокальной ишемии, потере нейронов и глиальных клеток, к моторным, сенсорным или познавательным нарушениям. Не существует эффективного лечения по восстановлению, так что терапия, которая вызывает даже минорные улучшения является ценной. Трансплантируемые клетки из разных источников, таких как головной мозг плода, нейроэпителиальные или тератомокарциномные клеточные линии, костный мозг и пупочный канатик, дают некоторое улучшение у животных и в одном клиническом испытании у людей с инсультами1. В большинстве случаев трансплантаты действуют за счет предоставления трофических факторов. которые улучшают выживание и функцию клеток1. Однако, терапия стволовыми клетками имеет наибольшее клиническое значение, клетки человека д. б. способны заместить погибшие нейроны, ре-миелинировать аксоны и восстановить поврежденные нейральные рефлекторные дуги (circuitries).
В качестве первой ступени на пути к этой цели, трансплантировали neural stem (NS) клетки плода в головной мозг крыс, поврежденный инсультом (Fig. 2), в результате происходит миграция новых нейронов в направлении ишемического повреждения8. Др. исследование показало, что предшественники, полученные из ES клеток обезьян, трансплантированные в головной мозг мышей после инсультов, дифференцировались в различные типы нейронов и глиальные клетки, восстанавливали соединения с областями мишенями9 и вызывали улучшения моторной функции10. Терапевтическая эффективность такой стратегии может быть в дальнейшем улучшена генетическим модифицированием стволовых клеток: напр., за счет избыточной экспрессии антиапоптического гена11.
Интересно, что поврежденный инсультом головной мозг взрослых грызунов обладает некоторой способностью замещения нейронов за счет собственных NS клеток. С пустя несколько мес. после инсульта NS могут генерировать новые striatal нейроны. которые мигрируют в место повреждения
1,12. Сегодня важно установить, может ли эндогенный нейрогенез вносить вклад в функциональное восстановление после инсульта и происходит ли это у людей. И т.к. регенерация кортикальных нейронов д.быть основой функционального улучшения в большинстве случаев повреждений инсультом головного мозга, то существует также надежда узнать, могут ли собственные NS клетки из головного мозга запускаться и продуцировать кортикальные нейроны. Эффективная терапия зависит от стратегий по улучшению жизнеспособности новых нейронов и по усилению их инкорпорации в реорганизующиеся нервные circuitries.
Huntington's disease
Болезнь Гентингтона (HD) является фатальным, неизлечимым нарушением, которое характеризуется chorea (избыточными спонтанными движениями) и прогрессирующей деменцией. Она обусловлена гибелью проекций нейронов в striatum. Терапия стволовыми клетками имеет целью восстановление или сохранение функции головного мозга путем замещения и защиты striatal нейронов - стратегия, которая может быть недостаточной, т.к. пациенты страдают также прогрессирующей дегенерацией неокортекса. На животных моделях HD, замещение клеток с использованием трансплантаций striatal нейронов плода, способствовало функциональному восстановлению, а некоторые доказательства из клинических испытаний показали, что это может также происходить у пациентов
1. Напротив базирующиеся на стволовых клетках подходы всё ещё в детском возрасте, а восстановление рефлекторных дуг striatal нейронов не продемонстрированы даже у животных. Однако, NS клетки людей, имплантированные в головной мозг крыс уменьшали моторные нарушения при экспериментальном HD посредством трофических механизмов
13,14. Сегодня, используя стволовые клетки для доставки трофических факторов и нейропротекции, чтобы предупредить прогрессирование болезни, кажется наиболее доступной клинической целью при HD, чем замещение нейронов.
Amyotrophic lateral sclerosis
При амиотрофическом боковом склерозе (ALS), дисфункция и дегенерация моторных нейронов происходит не только в спинном мозге (lower motor neurons), но также в церебральном кортексе и стволе мозга (upper motor neurons). Мышечная слабость быстро прогрессирует и смерть наступает в течение нескольких лет. Не существует эффективного лечения. Терапия стволовыми клетками д. восстановить или сохранить функцию как высших, так и низших моторных нейронов, а новые нейроны д. включаться в существующие нейральные circuitries. В недавнем сообщении было показано, что возможно генерировать низшие моторные нейроны in vitro из стволовых клеток из разных источников, включая ES клетки и клетки из ЦНС плода1,15,16. Мышиные моторные нейроны, полученные из ES-клеток, устанавливают функциональные синапсы с мышечными волокнами in vitro17,18 и распространяют аксоны е вентральным корешкам после трансплантации во взрослых крыс17. Но могут ли эти нейроны интегрироваться в существующие нервные circuitries и восстанавливать моторную функцию, не установлено.
В то время как замещение нейронов у ALS пациентов, по-видимому, далеко от цели, использование стволовых клеток для защиты моторных нейронов от гибели является более реальным. Это подтверждается исследованием, показавшим, что эмбриональные зародышевые клетки человека вводимые в спинномозговую жидкость крыс с повреждениями моторных нейронов, могут мигрировать в спинной мозг вызывать восстановление моторной активности возможно благодаря нейропротекции
19. Эффективность этого подхода может быть улучшена генетическим модифицированием стволовых клеток, чтобы они секретировали молекулы, способствующие выживанию моторных нейронов. Напр., было показано, что кортикальные предшественники человека, которые преобразованы, чтобы экспрессировать GDNF, периживали трансплантации в спинной мозг ALS крыс и высвобождали нейротрофический фактор
20.
Alzheimer's disease
Болезнь Алцгеймера (AD) характеризуется потерей нейронов и синапсов по всему головному мозгу, захватывая базовую холинэргическую систему переднего мозга, amygdala, гиппокампа и некоторых кортикальных областей. Память и познавательная способность пациентов прогрессивно ухудшается; у них развивается деменция и они скорее всего погибают преждевременно. Современная терапия, такая как лечение с помощью ингибиторов acetylcholinesterase для улучшения cholinergic функции, дает только частичное и временное ослабление симптомов.
Патологические изменения, наблюдаемые при AD, обнаруживают чрезвычайно проблематичную ситуацию для клеточного замещения. Учитывая широко распространенные и прогрессирующие повреждения в головном мозге пациентов с AD, мало вероятно, что механизмы для инструктирования трансплантированных NS клеток, чтобы они дифференцировались в новые нейроны, будут интактными. Теоретически, когнитивная способность снижающаяся из-за дегенерации базальных холинэргических нейронов, может быть предупреждена трансплантациями холинергических нейронов, генерируемых из NS клеток in vitro. Но для обеспечения длительного симптоматического улучшения этот подход д. нуждаться в существовании интактных клеток мишеней в головном мозге пациентов, а они скорее всего повреждены.
Однако, т.к стволовые клетки может быть модифицированы генетически и обладать миграторной способностью после трансплантации, то они может быть использованы для доставки факторов, которые могут модифицировать ход болезни. В подтверждение этого подхода служит то, что трансплантации фибробластов из базальной части переднего мозга, которые продуцируют nerve growth factor (NGF) - который противодействует гибели холинэргических нейронов, стимулируют клеточную функцию и улучшают память у животных моделей - вызывают некоторые благоприятные эффекты у пациентов с AD
21.
Multiple sclerosis
Множественный склероз (MS) вызывается индуцированной воспалением деструкцией миелиновой оболочки, окружающей аксоны, что приводит к дефициту проведения и разнообразным нейрологическим симптомам, у некоторых пациентов к значительной недееспособности. Потеря аксонов в следствие острого воспаления или хронической демиелинизации является важной причиной функциональных нарушений. Лечение иммуномодуляторами и иммуносупрессорами эффективно лишь частично.
Продуцирующие миелин oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) многочисленны в головном мозге взрослых людей22. Спонтанная ремиелинизация происходит в варьирующей степени на ранних стадиях MS, a OPCs присутствуют также при хронических demyelinated MS повреждениях.Важной областью исследований является та, которая сфокусирована на поиске путей, усиливающих ремиелинизацию с помощью этих клеток и идентифицирующих факторы, которые ведут к неспособности клеток продуцировать миелин в первую очередь. Back et al.23 недавно показали, что продуцируемый астроцитами hyaluronan накапливается в демиелинизированных повреждениях у MS пациентов и предупреждает созревание эндогенных OPCs.
Трансплантация ремиелинизирующих клеток представляет др. подход лечения потери миелина при MS. Взрослые
22 и ES-клеток производные
24 OPCs, как было показано, миелинизируют демиелинизированный головной и спинной мозг мышей после трансплантации. Однако, основным является то, что воспалительное окружение может расстраивать трансплантированные OPCs и ингибировать их созревание. Иммуносупрессивное и антивоспалительное лечение, следовательно, необходимо. Др. проблема заключается в том, что демиелинизирующие повреждения при MS распределены по множественным местам по всей ЦНС. Эффективная терапия будет нуждаться, чтобы имплантированные OPCs мигрировали в эти места. Интересно, что после системного применения у мышей, NS клетки мигрировали в воспалительные демиелинизирующие повреждения, где некоторые становились OPCs и ремиелинизировали аксоны
25. Большинство клеток остается недифференцированными и супрессирует провоспалительные механизмы
26.
Spinal cord lesions
Повреждения спинного мозга прерывают восходящие и нисходящие пути аксонов и вызывают потерю нейронов и глии, воспаление и демиелинизацию. Повреждения ведут к потере подвижности, чувствительности и автономного контроля ниже места повреждения. Это не лечится и современное лечение - высокие дозы methylprednisolone - имеет сомнительный успех.
Трансплантация стволовых клеток в поврежденный спинной мозг может приводить к функциональному успеху27,28, главным образом благодаря секреции трофического фактора или ремиелинизации распространяющихся аксонов. Было показано, что NS клетки человека, имплантированные в поврежденный спинной мозг мышей генерировали новые нейроны и олигодендроциты, ведущие к восстановлению подвижности29. Однако, существует риск побочных эффектов, т.к. дифференцировка NS-клеток после трансплантации не контролируется. Дифференцировка астроцитов и аберрантное врастание аксонов после имплантации NS-клеток в поврежденные спинной мозг крыс м. вызывать гиперчувствительность к стимулам, которые обычно не болезненны30.
Вообще-то наиболее реалистичной целью кратковременных клинических исследовании является использование стволовых клеток для ремиелинизации, которая возможно происходит до некоторой степени после повреждений с помощью эндогенных OPCs
31. В одном исследовании сообщалось, что после имплантации NS-клеток в поврежденный спинной мозг крыс наблюдалась хорошая корреляция между количеством произошедших из трансплантата олигодендроцитов, количеством миелина и степенью функционального восстановления
30. В др. исследовании сообщалось, что трансплантированные олигодендроциты из ES клеток человека могут миелинизировать поврежденный спинной мозг грызунов и улучшать моторную функцию
32.
Perspectives
It would be premature to launch clinical trials to use stem cells to treat neurological disorders. However, steady progress supports the hope that stem-cell-based therapies to restore and preserve function in the brain and spinal cord can be developed. For each disease, it is now possible to develop a road map that defines the necessary scientific and clinical advances required for stem cells to reach the clinic. Before we apply stem-cell therapies to patients, we must be able to control the proliferation and differentiation of stem cells into specific cellular phenotypes and to prevent tumour formation. Furthermore, the efficacy of stem cells and their mechanisms of action should be demonstrated in animal models with pathology and symptomatology resembling the human disease. Even so, it may be difficult to translate data obtained in animals to humans because of species differences in the degree of neuronal plasticity and an incomplete knowledge of disease mechanisms. We must understand how to influence the pathological tissue environment, including inflammatory and immune reactions, to allow efficient repair. Finally, we must remember that however exciting the neurobiological mechanisms might be, the clinical usefulness of stem cells will be determined by their ability to provide patients with neurological disorders with safe, long-lasting and substantial improvements in quality of life.
Сайт создан в системе
uCoz
