Международный неврологический журнал 4 (50) 2012

Нервные стволовые клетки находятся в хорошо изученных областях головного мозга взрослых людей и способны генерировать новые нейроны в течение жизни. У грызунов было доказано, что новообразованные нейроны вовлекаются в обоняние, а также в определенные формы памяти и обучения. У людей функциональная значимость нейрогенеза, протекающего во взрослом возрасте, продолжает исследоваться, включая его роль в этиопатологии разнообразных заболеваний головного мозга. Наличие нейрогенеза в головном мозге взрослых людей было открыто с помощью методов, заимствованных из исследований у грызунов, таких как иммуногистологическое определение выраженности пролиферации и клеточно-специфических биомаркеров в посмертной или биопсийной ткани. Однако в подавляющем большинстве случаев эти методы не могут быть применены для длительных исследований; следовательно, способность предполагаемых стволовых клеток формировать новые нейроны при различных болезненных состояниях не может быть оценена. Совсем недавно были разработаны новые методы специально для выявления и количественного подсчета нервных стволовых клеток в головном мозге живых людей. Эти технологии опираются на использование магнитно-резонансной визуализации, доступной в клиниках по всему миру. И хотя они требуют дальнейшей валидизации у грызунов и приматов, все эти новые методы обладают потенциалом для оценки вклада нейрогенеза у людей взрослого возраста в функционирование мозга в норме и при патологии.

Краткая история открытия нейрогенезав головном мозге взрослых млекопитающих

Открытие нейрогенеза у взрослых разрушило многовековую догму о том, что в головном мозге млекопитающих после рождения новые нейроны не образуются. Однако принятие данной находки научной общественностью происходило не без трудностей. В начале прошлого столетия, исходя из детальных сведений об анатомии мозга, представленных Santiago Ramon y Cajal и соавт., было установлено, что нервная система человека развивается in utero (Colucci-D’Amato и соавт., 2006). Считалось, что в мозге взрослых людей новые нейроны не могут образовываться, поскольку мозг не способен к макроскопической регенерации после повреждения (более детальные исторические сведения представлены в работах Watts и соавт., 2005; Whitman и Greer, 2009). Эта догма глубоко укоренилась среди представителей нейронаучной общественности, и потому открытие Altman (1962) новообразования клеток в хорошо известных областях головного мозга взрослых грызунов было практически полностью проигнорировано. Обнаруженный феномен был повторно исследован в 1970–1980-х гг., когда Michael Kaplan (Kaplan и Hinds, 1977) и Fernando Nottebohm (Goldman и Nottebohm, 1983) удалось продемонстрировать наличие новообразованных клеток в головном мозге соответственно взрослых мышей и канареек и показать, что эти клетки имеют ультраструктурные характеристики нейронов. Однако эти результаты не удалось воспроизвести у взрослых особей макаки-резус, у которых пролиферирующие клетки были глиальными и эндотелиальными, но не нейронами (Rakic, 1985; Eckenhoff и Rakic, 1988). Создавалось впечатление, что у взрослых приматов нейрогенез отсутствует (Eckenhoff и Rakic, 1988).

Наличие нейрогенеза у взрослых окончательно было подтверждено в 1990-х гг. с появлением новых технологий. Во-первых, применение 3Н-тимидина — радиоактивного нуклеотида, используемого для изучения пролиферации за счет его инкорпорирования в клетки во время S-фазы клеточного цикла, было заменено на его аналог, бромодезоксиуридин (BrdU), который может быть определен с помощью специфических антител. Применение BrdU для метки новообразованных клеток с помощью иммуногистохимии позволило проводить их дальнейшие исследования с помощью специфических нейрональных маркеров (Miller и Nowakowski, 1988). Было показано, что нервные клетки-предшественники (neuroprogenitor cells — NPCs), изолированные из головного мозга взрослых мышей, in vitro пролиферировали и дифференцировались в нейроны и астроциты (Reynolds и Weiss, 1992). Кроме того, NPCs, помеченные вирусными векторами, были способны мигрировать и дифференцироваться в нейроны в головном мозге взрослых мышей (Lois и Alvarez-Buylla, 1993), что подтверждало наличие нейрогенеза у взрослых грызунов. Наличие нейрогенеза в головном мозге взрослых людей было окончательно подтверждено в 1998 г., когда Gage и коллеги впервые продемонстрировали образование новых нейронов в гиппокампе (Eriksson и соавт., 1998).

В настоящее время нейрогенез является одной из наиболее горячих тем в нейронауке, особенно в связи с новыми возможностями, которые могут быть привнесены в лечение нейродегенеративных заболеваний либо путем вовлечения местных клеток-предшественников в регенерацию утраченной ткани (Sohur и соавт., 2006), либо путем применения клеточных трансплантатов (Goldman и Windrem, 2006). В настоящее время исследование нейрогенеза набирает обороты, о чем свидетельствует экспоненциальный рост публикаций по ключевым словам «adult» AND «neurogenesis OR neural stem cells» (что в русском варианте эквивалентно запросу «взрослые» И «нейрогенез ИЛИ нервные стволовые клетки». — Прим. перев.) (поиск в PubMed был выполнен по состоянию на 31 декабря 2010 г.): в общей сложности было опубликовано 6437 статей, из которых 57 % (3695) было опубликовано в течение последних 5 лет (рис. 1). Однако только в 8 % из опубликованных статей (530 статей) были представлены данные, полученные при исследовании людей (в поиск было включено ключевое слово «human» (что в русском варианте эквивалентно ключевому слову «люди». — Прим. перев.), которое должно было присутствовать в названии статьи). Это свидетельствует о том, что исследование нейрогенеза у взрослых людей все еще находится в начальном состоянии. Поэтому истинные знания о течении нейрогенеза у зрелых людей ограничены и во многих случаях прямо экстраполированы из исследований на грызунах. В рамках настоящего обзора мы рассмотрим методы, используемые для оценки нейрогенеза у взрослых людей, и его статус при ряде нейропсихиатрических расстройств.

Методы, используемые для оценки нейрогенеза у людей

Расширение наших знаний о течении нейрогенеза у людей взрослого возраста прямо коррелирует с набором методов, которые могут быть применены для исследования тканей головного мозга человека. Существует ряд методов, однако все они разнятся по чувствительности, специфичности и единицам количественного оценивания, что затрудняет сравнивание различных исследований между собой. Кроме того, ряд методов позволяет оценить только пролиферацию (NPCs или общее количество пролиферирующих клеток), в то время как другие позволяют получить данные о нейрогенезе (нейробласты (NBs, клетки, коммитированные в нейроны) или новообразованные нейроны).

Методы, используемые для оценки нейрогенеза invivo

Совсем недавно были разработаны специальные методы для оценки выраженности нейрогенеза в головном мозге живых людей с помощью магнитно-резонансной визуализации (магнитно-резонансная томография, МРТ; рис. 3). Находясь в МРТ-сканере, субъекты подвергаются воздействию безвредного магнитного поля, которое выравнивает магнитный спин всех протонов в ткани до низкоэнергетической конфигурации; затем субъектам выполняют радиочастотную электрическую стимуляцию, которая побуждает спины выходить из равновесия. Затем спины естественным образом возвращаются обратно в свою исходную конформацию с временными константами Т1 (время спин-решеточной релаксации, для продольного намагничивания) и Т2 (время спин-спиновой релаксации, для поперечного намагничивания; Maletic-Savatic и соавт., 2008). Разница во времени релаксации для различных молекул, таких как вода и жир, используется для того, чтобы получить детальные МРТ-изображения головного мозга. Помимо этого, из упомянутых констант может быть извлечена дополнительная информация и различные методы МРТ могут быть адаптированы для изучения нейрогенеза (Modo и Bulte, 2011).

Основные преимущества МРТ-методов сводятся к тому, что они выполняются у живых индивидуумов, без побочных эффектов, что дает возможность применять их повторно в ходе длительных исследований. Следовательно, эти методы дают возможность использовать более контролируемый экспериментальный дизайн, и такие переменные, как причина или возраст смерти, можно больше не принимать в расчет. Тем не менее эти методы полагаются на корреляции с непрямой оценкой нейрогенеза, и, следовательно, необходимо провести хорошую валидизацию этих методов у грызунов и у людей, чтобы убедиться, что они являются специфичными для нейрогенеза. Наиболее важно определить, коррелируют ли данные с количеством NPCs, пролиферирующими NPCs (по сравнению с другими типами клеток, которые пролиферируют) и новообразованными нейронами. Еще одним крупным преимуществом МРТ-методов является то, что МРТ-сканеры широко доступны в клиниках и в научно-исследовательских центрах по всему миру. Следовательно, эти методы могут быть легко реализованы во многих лабораториях и открывают уникальную возможность для исследователей углубить наше представление о роли нейрогенеза у взрослых людей.

Значимость нейрогенеза при заболеваниях у взрослых людей

В большинстве исследований нейрогенеза у людей производили сравнение данных здоровых людей с данными пациентов с различными неврологическими заболеваниями. В табл. 2 представлены обобщенные данные по изменению нейрогенеза в моделях заболеваний у грызунов и у пациентов с данными заболеваниями. В этих исследованиях для определения биомаркеров пролиферации и специфических типов клеток была использована иммуногистохимия, поэтому полученные в них данные могут быть использованы только для оценки различий в пролиферации и содержании pNPCs (клетки, предположительно являющиеся нервными клетками-предшественниками — putative neuroprogenitor cells) и pNBs (клетки, предположительно являющиеся нейробластами — putative neuroblasts), но не для оценки реального нейрогенеза (т.е. образования новых нейронов). Мы обозначили эти клетки как «предположительно являющиеся», поскольку ни в одном из исследований не было продемонстрировано, что пролиферирующие клетки дифференцируются в зрелые, функционирующие нейроны. Для того чтобы прямо убедиться, что имеет место именно нейрогенез, требуется отслеживание судьбы клеточной линии с помощью BrdU или других аналогов.

Болезнь Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера (БА) характеризуется накоплением а-амилоида и нейрофибриллярных клубков, содержащих гиперфосфорилированный tau-белок, в коре и гиппокампе, что приводит к прогрессированию деменции (Curtis и соавт., 2007a). Ряд патологических признаков БА может быть смоделирован на трансгенных мышах, экспрессирующих избыточное количество белка-предшественника амилоида и пресенилина 1 (APP/PS1). У этих мышей нарушение памяти и усиление пролиферации в гиппокампе наблюдали в 9-месячном, но не в 3-месячном возрасте (Yu и соавт., 2009). Однако в более ранних работах было показано, что у 6-месячных APP/PS1 мышей не менялась пролиферация и краткосрочная выживаемость (1–13 дней), в то время как наблюдалось достоверное снижение долгосрочной выживаемости (30–42 дня) и дифференцировки (Verret и соавт., 2007). В других моделях БА на трансгенных мышах были получены противоположные результаты. Например, у мышей, трансгенных по трем генам (APP/PS1/Tau), наблюдалось постепенное снижение пролиферации в субгранулярной зоне (СГЗ) начиная с 6-месячного возраста (Rodriguez и соавт., 2008). С другой стороны, у 3-месячных мышей, экспрессирующих мутированный APP, наблюдалось усиление пролиферации (Jin и соавт., 2004a), которое обращалось до контрольного уровня у животных более старшего возраста (Lopez-Toledano и Shelanski, 2007). Наконец, у 6-недельных трансгенных мышей, экспрессирующих человеческий APP, было выявлено ослабление пролиферации в контрольных условиях и снижение 4-недельной выживаемости в условиях обогащенной среды (Naumann и соавт., 2010). В посмертных образцах гиппокампа от пациентов с тяжелой БА было обнаружено увеличение экспрессии NBs белков (DCX, PSA-NCAM и NeuroD) по сравнению с аналогичным по возрасту контролем, что указывает на усиление нейрогенеза, возможно, как компенсаторного механизма, помогающего бороться со связанными с БА когнитивными нарушениями (Jin и соавт., 2004b). Однако в одном из последних исследований пациентов с пресенильной БА не удалось обнаружить усиление пролиферации в зубчатой извилине, хотя в других областях гиппокампа было показано усиление пролиферации (Ki67+-клетки), связанной с глиогенезом и ангиогенезом. Кроме того, в том же исследовании изменения в DCX-иммуноокрашивании связали с посмертными изменениями (Boekhoorn и соавт., 2006). Таким образом, становится ясным, что необходимо провести более глубокие исследования, чтобы прояснить изменения нейрогенеза в СГЗ при БА. Кроме того, необходимо выяснить взаимосвязь между потенциально нарушенным нейрогенезом и когнитивными нарушениями, наблюдаемыми при БА (Lazarov и соавт., 2010).

В субвентрикулярной зоне (СВЗ) у мышей с моделью БА также отмечено нарушение нейрогенеза. Например, при введении в боковые желудочки A-пептида мышам, трансгенным по APP и PS1, а также интактным мышам наблюдалось ослабление пролиферации в СВЗ по сравнению с контрольными животными (Haughey и соавт., 2002; Rodriguez и соавт., 2009; Veeraraghavalu и соавт., 2010). Ослабление пролиферации и нейронной дифференцировки наблюдалось также в культуре NPCs, изолированных из СВЗ с мутантным PS1 (Veeraraghavalu и соавт., 2010) и из СВЗ с мутантным APP/PS1 (Demars и соавт., 2010). У пациентов с БА в посмертных срезах наблюдалось ослабление пролиферации (Ki67+-клетки) с неожиданным увеличением экспрессии нестина (Ziabreva и соавт., 2006). Аналогично в культивируемых эмбриональных человеческих NPCs наблюдалось ослабление пролиферации и усиление апоптоза при введении Ab-пептида по сравнению с контрольными NPCs, куда Ab-пептид не добавлялся (Haughey и соавт., 2002). Таким образом, были обнаружены сопоставимо более низкие уровни нейрогенеза в СВЗ как у пациентов с БА, так и у грызунов с моделью БА, что подтверждает предположение о том, что нарушение нейрогенеза в СВЗ может иметь функциональные следствия при БА (Curtis и соавт., 2007a). Например, наличие обонятельного дефицита является хорошим прогностическим фактором развития БА у пациентов с легкими когнитивными нарушениями (Devanand и соавт., 2000), хотя связан ли этот обонятельный дефицит со снижением нейрогенеза в СВЗ, остается неясным.

Инсульт/ишемия

Инсульт, или острое нарушение мозгового кровообращения, является результатом окклюзии мозговых артерий, приводящей к снижению локального кровотока (ишемия), либо результатом кровоизлияния. В ткани, поврежденной инсультом, можно выделить две области повреждения: центральную область инфаркта, где нейроны гибнут путем некроза и регенерация возможна лишь в очень малых пределах; и периферическую (переходную, краевую) область, которая окружает центральную область, кровоснабжается коллатеральными артериями и где повреждения носят обратимый характер. Учитывая, что ишемический инсульт является третьей наиболее частой причиной смертности в индустриальных странах, значительные усилия ученых направлены на поиск терапии, которая бы ускоряла восстановление после инсульта.

В моделях инсульта у взрослых грызунов и нечеловекообразных приматов, таких как окклюзия средней мозговой артерии (ОСМА), было показано усиление нейрогенеза в субвентрикулярной зоне — ростральном миграционном тракте — обонятельной луковице и гиппокампе (Jin и соавт., 2001; Zhang и соавт., 2001; Koketsu и соавт., 2006; Lledo и соавт., 2006). В дополнение к этому инсульт индуцирует эктопический нейрогенез в периферических областях, таких как стриатум, вследствие атипической миграции новообразованных клеток из СВЗ (Arvidsson и соавт., 2002). Некоторые исследователи обнаружили наличие кортикального нейрогенеза в периферической области при моделировании инсульта у грызунов (Gu и соавт., 2000; Jin и соавт., 2003), но не все (Arvidsson и соавт., 2002). Интересно, что новообразованные клетки дифференцировались в нейроны стриатума и приобретали тот же самый фенотип нейронов, которые гибли вследствие инсульта; это свидетельствует о том, что при инсульте стриатума может наблюдаться замещение нейронов (Arvidsson и соавт., 2002). И хотя большая часть новообразованных клеток стриатума погибала, возможно, вследствие неблагоприятного микроокружения (Arvidsson и соавт., 2002), индуцированный инсультом нейрогенез в стриатуме имеет, по-видимому, функциональное значение для грызунов, поскольку было показано, что трансгенная абляция NBs белка DCX предотвращала индуцированный инсультом нейрогенез и ухудшала сенсомоторный и поведенческий дефицит после ОСМА (Jin и соавт., 2010).

Результаты этого исследования показали, что вовлечение аберрантного нейрогенеза в стриатуме после инсульта может способствовать уменьшению неврологического дефицита у пациентов (по обзору Zhang и Chopp, 2009). У пациентов, перенесших ишемический инсульт в бассейне средней мозговой артерии, было отмечено усиление пролиферации предполагаемых В-клеток (Ki67-, GFAP+-клетки) и предполагаемых С-клеток (PSA-NCAM+-клетки) в ипсилатеральной СВЗ по сравнению с контралатеральной стороной инсульта (Marti-Fabregas и соавт., 2010). В дополнение к этому были обнаружены следы эктопического нейрогенеза не в стриатуме, но в коре. У пациентов с ишемическим инсультом в кортикальной периферической области было выявлено достоверное усиление пролиферации Ki67+-клеток и pNBs (PSA-NCAM+-клеток) по сравнению с таким же по возрасту контролем (Jin и соавт., 2006; Macas и соавт., 2006), равно как и в перигематомных областях у пациентов с внутримозговым кровоизлиянием (Shen и соавт., 2008). Значимость обнаруженного усиления кортикального нейрогенеза у пациентов с инсультом еще предстоит исследовать, однако наличие данного феномена вселяет надежду на то, что нейрогенез может быть использован в качестве терапии у пациентов с инсультом.

Выводы

Будущее исследований нейрогенеза у взрослых людей и перспективы использования его потенциала для лечения мозговых расстройств будут всецело зависеть от разработки и тщательной валидизации методов, пригодных для проведения in vivo оценок, поскольку они открывают уникальную возможность для проведения поперечных (кросс-секционных) и продольных (лонгитюдных) исследований нейрогенных ниш, которые остаются интактными внутри живых тканей головного мозга.

Перевод с англ. А.В. Савустьяненко
Оригинал статьи опубликован в
Frontiers in Neuroscience, April 2011, Volume 5