Перевод И.Г. Лильп (lilp@mail.ru)
Neural Stem Cells in Adult
НЕЙРОНАЛЬНЫЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ у ВЗРОСЛЫХ

Insulin-like growth factor-I and neurogenesis in the adult mammalian brain
M.F.Anderson, M.A.I. Aberg, M.Nilsson, P. S. Eriksson (per@neuro.gu.se)
Developmental Brain Research. (2002). V.134. P.115-122. 1, 11-21 (2000)

Стволовые - это не-дифференцированные клетки способные к
(а) пролиферации,
(б) самоподдержанию,
(в) продукции большого числа дифференцированного, функционального потомства,
(г) регенерации ткани после повреждения и
(д) пластичному использованию этих свойств.
Дочерняя клетка, вступившая на путь дифференцировки называется "transient amplifying cell".


(Рис.1.)
 |  Newly generated cells in the adult human dentate gyrus express a neuronal phenotype. Simultaneous detection of immunofluorescent labels for NeuN (a; scale bar represents 25 mm), BrdU (b) and GFAP (c) for detection of astrocytes and a merge of these signals in x-, y- and z-registration (d) examined by confocal microscopy showed that BrdU-labelled nuclei could specifically co-express NeuN without expressing GFAP (arrows in a-d). In addition to specific BrdU-labelling, some neurons contained non-specific fluorescence in the green and red emission, reflecting their accumulation of lipfuchsin granules (arrowheads in a-d). Red blood cells and endothelial cells, present in several small blood vessels, also emit non-specific green and red fluorescence (small blood vessel indicated by arrowheads, larger blood vessels indicated by asterisks in e-h). The specificity of BrdU-NeuN co-expression in three dimensions is demonstrated by a series of focal planes above (e,f) and below (g,h) the focal plane shown in (d) (arrows indicated the same cell as in d). Adapted from [Eriksson P. et al.1998] and reprinted with permission.


(Рис.2.)
 |  (a) Quantification of BrdU-positive cells in the adult rat hippocampus. The density of BrdU-positive cells (cells / mm3 / sample volume) in the granule cell layer at 1 and 15 days post injection (p.i.) was determined stereologically. IGF-I-treated animals (n =54 at 1day p.i.; n=57 at 15 days p.i.) are hx rats given L-thyroxine, cortisol and IGF-I. Controls (n=55 at 1 day p.i.; n=58 at 15 days p.i.) are hx rats given L-thyroxine and cortisol only. Means±S.E.M. are given. *, P<0.05, **, P<0.01. (b) Percentage of the surviving BrdU-positive cells after 20 days (15 days p.i.) of IGF-I treatment that differentiated into either neurons or astrocytes. Colocalization of BrdU immunoreactivity with cell-specific markers, the granule cell marker Calbindin D28K or the astrocyte marker GFAP, was monitored to determine the phenotype of newborn cells after treatment with IGF-I, when compared to controls in the granule cell layer (n=55 for controls and n=57 for IGF-I-treated animals). Means±S.E.M. are given. *, P<0.05. Adapted from [Aberg M. etal. 2000] and reprinted with permission.



Sally Temple
Stem cell plasticity - building the brain of our dreams
Nature Reviews Neuroscience 2, 513 -520 (2001)
Взрослые нейральные стволовые клетки высоко пластичны , а некоторые типы не-нейральных стволовых клеток м. генерировать нейральное потомство.

кликни
(Рис.1.)
 |  Examining the neuropotency of stem cells.

кликни
(Рис.2.)
 |  Blastocyst chimaeras made with adult neural stem cells.

кликни
(Рис.3.)
 |  Can non-neural stem cells generate neurons?



В большинстве отделов мозга млекопитающих рождение нейронов ограничивается дискретными периодами развития. Основной нейроногенез заканчивается вскоре после рождения. Исключение составляют области, сохраняющие свою способность генерировать новые нейроны во взрослом состоянии. В мозге взрослых млекопитающих новые гранулярные нейроны постоянно образуются из стволовых клеток, локализованных в субгранулярной зоне зубчатой фасции гиппокампа, а также из вторичного пула стволовых клеток, находящихся в субвентрикулярной зоне. Такие нейрогенные области были обнаружены в мозге всех видов млекопитающих, включая человека (Рис.1) (Eriksson et al.1998; Roy et al.2000.)
Во время развития регуляция, пролиферации и судьба нервных клеток в ЦНС определяются комплексным взаимодействием между множеством ростовых факторов и нейротрансмиттеров (обзор: Cameron et al.1998). Нейрогенные области во взрослом мозге должны сохранять некоторые признаки раннего развития для осуществления пролиферации, дифференцировки и миграции стволовых клеток. Многие белки, у которых повышалась регуляция (upregulated) после повреждений мозга, оказывали эффекты на нормальный рост и развитие неонатального и раннего постнатального мозга (обзор: Cramer, Chopp, 2000). Некоторые из них способствовали клеточной выживаемости во время развития и, следовательно, их повышенная регуляция в ткани, окружающей место повреждения, возможно, является попыткой ЦНС защитить клетки и свести к минимуму влияние повреждения. Эти белковые факторы могут также опосредовать индукцию нейрогенеза и обширные перестройки проводящих путей после повреждений ЦНС у взрослых грызунов.
Одним из факторов, важных для нормального развития мозга, является инсулин-подобный ростовой фактор (insulin-like growth factor-I, IGF-I). Влияние IGF-I на развивающуюся нервную систему хорошо известно, продемонстрированы его эффекты на клеточную пролиферацию, дифференцировку и выживаемость клеток мозга в разные периоды развития (Anlar B., 1999). Влияние IGF-I на нейрогенез в нервной системе взрослых организмов выясняется только сейчас. Данные, полученные к настоящему времени, указывают, что IGF-I оказывает те же эффекты на нервные стволовые клетки во взрослой ЦНС, что и в развивающейся нервной системе.

IGF-I: структура и распределение


IGF-I является 70 аминокислотным полипептидным гормоном, сходным по структурным характеристикам с инсулином. Он продуцируется многими тканями, включая мозг. У крыс экспрессия mРНК IGF-I достигает максимальных значений во время развития нервной системы. У взрослых животных mРНК IGF-I экспрессируется в гиппокампе, обонятельных луковицах и мозжечке, т.е. их мозг способен к эндогенному образованию IGF-I. IGF-I проходит через гематоэнцефалический барьер и, следовательно, циркулирующий IGF-I оказывает влияние на мозговую ткань.
IGF-I оказывает воздействие сначала через IGF рецептор типа I (type I IGF receptor), но может взаимодействовать и с рецептором инсулина. IGF-I рецептор обнаружен во всех тканях, в мозге взрослых организмов эти рецепторы концентрируются в зубчатой фасции гиппокампа, обонятельных луковицах, гипоталамических областях, в эпендимных и эпителиальных клетках хороидных сплетений. IGF-связывающие белки (IGF binding proteins, IGFBPs) модулируют взаимодействие IGF-I с его рецептором. IGFBP-2, IGFBP-4 и IGFBP-5 являются доминирующими связывающими белками в мозге, IGFBP-3 встречается в мозге в низких концентрациях. Некоторые IGFBPs потенциируют эффект IGF-I, возможно, путем предоставления IGF-I большей эффективности для его рецептора, или посредством транспортирования или привлечения IGF-I в область повреждения.

IGF-I и нейрогенез


Мыши со сверхэкспрессией IGF-I и увеличенным размером мозга имеют повышенное число нейронов. И, напротив, мутации гена IGF-I или его рецептора приводят к выраженной задержке роста мозга у животных и человека. Такие эффекты мутаций IGF-I подтверждают, что IGF-I модулирует нейрональное развитие. Показано, что in vitro IGF-I «управляет» пролиферацией эмбриональных предшественников ЦНС и способствует нейрональному пути развития стволовых клеток (O’Kusky J.,2000). Более того, IGF-I воздействует на многие процессы во время созревания нейронов, включая синтез нейротрансмиттеров и электрическую активность клеток (обзор: Torres-Aleman I.,1999). Т.о., в развивающемся мозге IGF-I имеет крайне важное значение для пролиферации и созревания нейронов.

IGF-I индуцирует пролиферацию и дифференцировку стволовых нервных клеток взрослых организмов


Эффекты IGF-I на пролиферацию и дифференцировку нервных клеток сохраняются в нейрогенных зонах взрослых организмов. In vitro авторы статьи наблюдали IGF-I-индуцированную пролиферацию клеток, полученных из стволовых клеток взрослого гиппокампа, но только в тех случаях, когда количество инсулина в ростовой среде было снижено до концентрации, сводящей к минимуму его взаимодействие с IGF-I рецептором. На пролиферативный эффект указывало увеличение общего числа клеток, число клеток, входящих в М-фазу и включение метил-3Н-тимидина. Увеличение общего числа клеток в IGF-I-обработанной культуре не было связано с их низкой гибелью, т.к. доля TUNEL-позитивных клеток уменьшалась в контроле и опыте в равной степени.
IGF-1 усиливал пролиферацию и скорость нейрогенеза стволовых клеток гиппокампа взрослых крыс (in vitro) и индуцировал нейрональный фенотип стволовых клеток, изолированных из субвентрикулярной зоны (subventricular zone, SVZ) мозга взрослых мышей. Показано также, что нейрогенез, индуцированный устранением FGF-2, подавлялся добавлением в среду антител к IGF-I или IGF-связывающему белку 2 (IGF binding protein 2, IGFB-2), указывая на то, что нейрогенез опосредуется эндогенно продуцируемым IGF-I через взаимодействие с IGFB-2. Время и тип IGF-I воздействия влияли на развитие нейротрансмиттерного фенотипа, образуя два класса нейронов. Первый характеризовался коэкспрессией глутамата и ГАМК (гамма-аминомасляной кислоты), и имел сходство с судьбой стволовых клеток in vivo, второй - только экспрессией глутамата. Т.о., при разных условиях IGF-I может индуцировать пролиферацию и/или дифференцировку стволовых клеток, способствуя не только нейрогенезу, но и индукции нейронального фенотипа, что имеет сходство с эффектами IGF-I на нейроны во время плодного периода.
Первые доказательства того, что IGF-I индуцирует нейрогенез в мозге взрослых млекопитающих in vivo, получены недавно в лаборатории авторов (M. Aberg et al., J. Neurosci. 20 (2000) 2896). Скорость гиппокампального нейрогенеза измеряли у крыс, подвергавшихся подкожным инъекциям IGF-I. Использовали гипофизэктомированных (hx) крыс, характеризующихся низким уровнем циркулирующего IGF-I. 6-дневная обработка крыс IGF-I увеличивала пролиферацию стволовых нервных клеток в зубчатой фасции гиппокампа (оценивали по включению бромдезоксиуредина (BrdU) (Рис.2а). После 20-дневной обработки IGF-I значительная доля вновь рожденных клеток экспрессировала нейроспецифические белки, подтверждая, что IGF-I способствует нейрогенезу в гиппокампе взрослых организмов (Рис.2b). Эти находки были недавно подтверждены исследованиями, проведенными на нормальных (не hx ) крысах (Trejo J. et al. 2001).
Общее количество новых нейронов в зубчатой фасции взрослого мозга определяется балансом между нейрогенезом и апоптозом. Не исключено, что увеличение доли BrdU-меченых стволовых клеток обусловлено нейропротекторным эффектом IGF-I на вновь рожденные нейроны, а не его эффектом на нейрогенез. Известно, что IGF-I имеет потенциальный нейропротекторный эффект на нейроны как во время развития, так и во взрослом мозге после его повреждения. Механизм, лежащий в основе индукции IGF-I на пролиферацию, нейрогенез и клеточную выживаемость в новорожденных нейронах, пока не определен.

IGF-I опосредует эффекты упражнений


Доказательством того, что IGF-I контролирует нейрогенез при физиологических условиях, является исследование, показавшее, что индуцированный бегом нейрогенез (у модельных животных) опосредуется поглощением IGF-I в мозговой паренхиме. Введение антител, блокирующих прохождение системного IGF-I в мозг во время бега, ослабляло увеличение IGF-I в паренхиме, гиппокампальный нейрогенез и эффекты бега на циркуляцию IGF-I и нейрогенез. Бег также индуцирует FGF-2 экспрессию в гиппокампе, но в отличие от IGF-I, FGF-2 не усиливает нейрогенез в гиппокампе при его введении взрослым крысам, несмотря на его митогенный эффект в стволовых клетках гиппокампа in vitro. Но FGF-2 индуцирует повышенную регуляцию IGF-I рецептора и связывающего белка и может, таким образом, потенциировать митогенный эффект IGF-I на стволовые нервные клетки.

IGF-I и нейрогенез: физиологическое значение


Несмотря на то, что нейрогенез был обнаружен в зубчатой фасции гиппокампа мозга взрослого человека, значение этого явления пока неясно (Roy N. et al.2000). Скорость нейрогенеза во взрослом мозге может нарушаться при старении, стрессе и повреждении, и все эти состояния могут быть ассоциированы с изменениями в уровне IGF-I. Последствия изменения скорости образования нейронов при этих состояниях и потенциальная роль IGF-I в опосредовании этих эффектов, описаны ниже.

Память и старение


У грызунов имеется четкая связь между скоростью гиппокампального нейрогенеза и выполнением пространственной задачи, что подтверждает роль гиппокампального нейрогенеза в пространственном обучении и памяти. По очевидным причинам такие исследования не могут быть выполнены у человека. Тем не менее, MRI (магнитно-резонансное исследование) лондонских таксистов, подвергавшихся различным тестам на пространственную память, показали, что posterior portion гиппокампа значительно больше у водителей по сравнению с контрольной популяцией и что увеличение объема гиппокампа зависит от стажа работы водителем-таксистом.
У грызунов старение ассоциируется со снижением экспрессии IGF-I и его рецептора в особых участках мозга, включая гиппокамп. Снижение сывороточного IGF-I наблюдали при старении человека. Внутрицеребровентрикулярное введение IGF-I старым крысам усиливало нейрогенез и восстанавливало когнитивные функции. Старение также ассоциируется с увеличением сывороточных глюкокортикоидов, которые, в свою очередь, влияют на когнитивные нарушения и ингибируют нейрогенез. Глюкокортикоиды подавляют образование IGF-I при диабете и в культуре нервных клеток. Возможно, что редукция IGF-I подавляет нейрогенез в стареющем мозге в ответ на увеличение сывороточных глюкокортикоидов.

Стресс и депрессия


Показано снижение объема гиппокампа у больных с некоторыми нейропсихическими расстройствами (посттравматические стрессовые нарушения, синдром Кушинга, рецидивирующая депрессия и шизофрения). Это может быть обусловлено стресс-индуцированным снижением пролиферации гранулярных клеток зубчатой фасции, что было показано у приматов. Возможно, что подавление нейрогенеза может вносить определенный вклад в депрессивные состояния. Показано, что у животных моделей усиливалась клеточная пролиферация, нейрогенез и объем гиппокампа после воздействия электрошока, лития, серотонина, агонистов серотонина и других антидепрессантных средств, применяемых при лечении больных со стресс-индуцированной депрессией.
Хронический стресс индуцирует понижение регуляции (downregulation) серотонина и upregulation глюкокортикоидов (Jacobs B. et al. 2000;. McEwen B. 2000). Вероятно, высокий уровень глюкокортикоидов может подавлять нейрогенез, по крайней мере, частично, через IGF-I опосредованный путь. Серотонин может вызывать секрецию IGF-I в клетках разного типа и, следовательно, отсутствие этого нейротрансмиттера может косвенно влиять на нейрогенез. Однако и серотонин, и глюкокортикоиды могут модулировать нейрогенез и через другие механизмы.
Повреждение мозга и нейродегенерация
Нейрогенез может иметь значение для восстановления функции мозга после повреждений. До последнего времени считали, что улучшение функций мозга является исключительно результатом перестройки «выживших» проводящих путей. Недавние исследования показали увеличение скорости нейрогенеза в SVZ и зубчатой фасции в ответ на нарушения целостности мозга у грызунов (Dash P.K. et al. 2001). Кроме того, вновь рожденные нейроны были обнаружены в периинфарктной области коры, т.е. в не нейрогенной области мозга. Т.о., нейрогенез играет определенную роль в регенерации мозга.
Присутствие новых нейронов в коре после повреждений мозга указывает, что среда вокруг повреждения должна изменяться для поддержания локального нейрогенеза (т.е. находящихся в покое стволовых клеток) или для осуществления миграции вновь рожденных нейронов из нейрогенных зон, например, из SVZ. О том, что IGF-I играет определенную роль в поддержании нейрогенеза в поврежденном мозге, свидетельствует накопление IGF-I и IGFBPs в мозговой паренхиме и увеличение числа IGF-I рецепторов. Однако пока окончательно неясен вклад нейрогенеза в восстановление функций мозга.

Заключение


In vitro IGF-I индуцирует нейрогенез клеток-предшественников, полученных от взрослых организмов, и оказывает сходные эффекты на популяцию стволовых клеток гиппокампа in vivo. Имеется четкая связь между IGF-I и гиппокампальным нейрогенезом взрослых организмов у большого числа экспериментально-биологических моделей с повреждениями мозга, при некоторых психических заболеваниях и при старении. Такие выводы сделаны на основании корреляций, поэтому необходимы дальнейшие исследования о влиянии IGF-I на изменения скорости нейрогенеза при этих состояниях. Стимулирование нейрогенеза посредством IGF-I может иметь значение для выработки стратегии лечения больных, что может быть достигнуто прямым введением IGF-I или специальными тренировочными упражнениями.


Сайт создан в системе uCoz