В ходе эмбриогенеза единственная универсальная (тотипотентная) стволовая клетка постепенно теряет свою уникальность. Последующие поколения всемогущей зиготы приобретают все большую специфичность – появляются предшественники, которые дают начало определенному «роду» клеток.
И даже в одной клеточной «семье» «родственники» не похожи друг на друга.
Ученые пока не знают, как можно вырастить в «лабораторном инкубаторе» терапевтически необходимые клетки, так как тонкости молекулярной подоплеки «внутривидового разнообразия» остаются неизученными. Да и для каждой клетки эти самые тонкости в должной мере уникальны – изменив одно из условий (или действующих веществ) биохимического каскада ученые рискуют в лучшем случае ничего не получить. В худшем – получить «неправильные» клетки, которые станут фатальными для организма.
Такие разные нейроны
Клетки нервной системы – не исключение, а, скорее, «задача со звездочкой». Вырастить нужные нейроны сложнее, чем это можно представить. Дело в том, что популяции нервных клеток имеют несколько сотен субпопуляций, у каждой из которых свой индивидуальный «маршрут» развития. Ученые пытаются найти эти самые биохимические «маршрутные карты» на молекулярном уровне. В конечном итоге эти знания должны помочь в лечении нейродегенеративных заболеваний. Ведь многие болезни нервной системы возникают из-за дисфункции только некоторых субпопуляций нейронов.
Соответственно, и восстанавливать нужно не все клетки, а те специфичные субпопуляции, которые оказались уязвимыми к конкретной болезни.
Например, при боковом амиотрофическом склерозе (БАС) отмирают только двигательные (мото-)нейроны, но и то не все. Особым «иммунитетом» обладают те, что отвечают за движения глаз и испражнения. То есть для лечения БАС нужны мотонейроны, а не глия, рецептор-специфичные зрительные или другие нервные клетки. Теоретически для лечения БАС необходимы либо здоровые мотонейроны, либо вещества, которые восстанавливают поврежденнные.
Предшествующие исследования позволили ученым описать соединения, которые помогают эмбриональным стволовым клеткам переродиться в дифференцированные популяции. Но целенаправленного превращения не получалось. Вместо желаемого вида мотонейронов у разных экспериментаторов почему-то все время получались клетки, которые обеспечивают связь центральной нервной системы с мышцами шейки матки (как говорят нейробиологи — иннервируют ее). Так что задача, до решения которой, казалось, рукой подать, постепенно переросла в огромную проблему.
организация
Motor Neuron Center for Biology and Disease
Совместное детище медицинского центра Университета округа Колумбия и Нейрологического института Нью-Йорка. Входит в структуру нейрологического факультета Университета округа Колумбия.
Нейробиологи под руководством Мирзы Пельйто (Mirza Peljto) из Центра по изучению биологии и патогенеза двигательных нейронов (Motor Neuron Center for Biology and Disease) тоже попытались вырастить двигательные нейроны. На этот раз те, что иннервируют конечности. Стоит отметить, что поставленная задача достаточно многосторонняя. Ведь нервные клетки конечностей располагаются в различных участках спинного мозга (в зависимости о того, что именно они контролируют). Более того, даже нейроны из «одной команды» сильно отличаются друг от друга, так как иннервируют различные мышцы одного органа. То есть ученым предстояло вырастить разноликие клетки, которые смогут взаимодействовать друг с другом и полностью контролировать работу иннервируемой части тела.
Нейроны из пробирки
С помощью ранее описанных эмбриональных соединений ученые вырастили дееспособные двигательные нейроны из эмбриональных стволовых клеток цыпленка. Правда, они не стали стимулировать рост определенного вида нейронов, добавляя те или иные стимуляторы (особенно те, что не присутствуют в зародыше на ранних стадиях развития эмбриона). Вместо этого исследователи сначала воссоздали биохимические условия эмбрионального нейрогенеза, после чего поочередно блокировали работу тех или иных факторов развития. Оказалось, что для появления полноценных мотонейронов стволовым клеткам необходимы эндогенные факторы Wnt, FGF и Hh. В присутствии этих соединений нейрональная стволовая клетка становится именно тем двигательным нейроном, который иннервирует конечности.
Экспериментаторы попытались выяснить, влияют ли молекулярные характеристики искусственно рожденных нейронов на их поведение. То есть смогут ли они самостоятельно найти свое место в строю нейронов спинного мозга или нет. Для этого ученые пересадили полученные in vitro нейроны цыпленка в спинной мозг мышиных эмбрионов. Оказалось, клетки могут самостоятельно находить нужное место. Однако новые нейроны не смешивались с теми, которые появились в ходе естественного биологического процесса, а держались обособленно. Ученые полагают, что подобное явление можно объяснить тем, что пересаженные нейроны принадлежат все-таки цыпленку, а не грызунам.
Нейробиологам пока не удалось выяснить, можно ли влиять на количество появляющихся мотонейронов, если менять уровень экспрессии Wnt, FGF и Hh. Также непонятна и биохимическая подоплека точечной специализации нейронов (почему каждая из клеток отвечает за свою мышцу и не лезет к другим). Исследователи отмечают, что в будущем они намерены ответить и на эти вопросы. А пока главным считают то, что полученные нейроны дифференцировались из стволовой клетки без воздействия неэмбриональных соединений. Более того, они самостоятельно нашли место своего назначения и оказались вполне дееспособными. «Полученные результаты указывают не только на то, что получить дифференцированные клетки можно и естественным путем (без дополнительных химических воздействий), но и открывают новые возможности для изучения и лечения таких заболеваний, как БАС», — пишут исследователи в статье Functional diversity of ESC-derived motor neuron subtypes revealed through intraspinal transplantation, опубликованной в журнале Stem Cell.
