Kontrolowana specjalizacja komórek macierzystych w neurony

Świat nauki wiąże ogromne nadzieje na wykorzystanie komórek macierzystych w leczeniu nieuleczalnych dotąd chorób. Jednak same, wyizolowane z organizmu komórki macierzyste nie różnią się znacząco od każdej innej komórki. To otoczenie, w jakim się znajdują i z którego odbierają sygnały kierujące ich rozwojem ma kluczowe znaczenie w ich potencjalnym zastosowaniu. Dotychczas naukowcy nie potrafili odtworzyć w warunkach in vitro kaskady sygnałów sterujących różnicowaniem się komórek macierzystych. Niedawno, pierwszy raz udało się pokierować różnicowaniem się embrionalnych komórek macierzystych w neurony ziarniste implantując je w odpowiedni region mózgu myszy.

Naukowcy z Uniwersytetu Rockefellera pokazali, że zaindukowane embrionalne komórki macierzyste myszy przeniesione do mózgu są w stanie rozwinąć się w pełni zróżnicowane neurony ziarniste, dominujący typ komórek móżdżku. Wyniki eksperymentu zostały opublikowane w internetowym wydaniu Proceedings of the National Academy of Sciences.

Nadzieje na wykorzystanie embrionalnych komórek macierzystych wiąże się przede wszystkim z leczeniem chorób serca, regeneracją organów, a także leczeniem neurodegradacyjnych chorób takich jak choroba Parkinsona i Alzheimera. Jak dotąd, jednak, próby ich wykorzystania kończyły się częściej porażką niż sukcesem.

Komórki macierzyste zaangażowane w tworzenie mózgu podczas rozwoju organizmu nazywane są neuronalnymi komórkami macierzystymi. Ulegają one specjalizacji po przejściu całego cyklu rozwojowego. Wiąże się to z utratą zdolności do dalszego różnicowania się. Jak już wcześniej stwierdzono, komórki macierzyste potrzebują ściśle określonych warunków aby przekształcić się w dany typ komórki.

Móżdżek jest częścią mózgowia, występuje w tylnej, dolnej jego części i jest odpowiedzialny za koordynacje ruchów i utrzymywanie równowagi ciała. Kora móżdżku jest strukturą warstwową składającą się głównie z komórek ziarnistych, komórek Purkinjego i interneuronów modulujących sygnały z komórek Purkinjego do jądra móżdżku. Móżdżek jest także najczęstszą lokalizacją guzów występujących w układzie nerwowym dzieci.

Kontrola różnicowania się neuronalnych komórek macierzystych w ziarniste neurony może pomóc w zrozumieniu, w jaki sposób następuje regulacja tych komórek w warunkach in vivo. Wiedza ta, z kolei, może być wykorzystana w terapii regeneracyjnej mózgu po usunięciu guza.

Aby „zmusić” embrionalne komórki macierzyste do różnicowania się i przechodzenia przez kolejne etapy rozwoju neurony ziarnistego, komórki muszą zostać poddane inudkcyjnemu działaniu czynników transkrypcyjnych w odpowiedniej kolejności. Białka te mają zdolność włączania i wyłączania ekspresji określonych genów w komórce, czego następstwem jest dalszy rozwój komórki w danym kierunku.

Naukowcy wykorzystali do swojego eksperymentu transgeniczne myszy ekspresjonujące gen reporterowy razem z markerem prekursorowych komórek ziarnistych – genem Pde-1c. Sprawdzano wpływ indukujących czynników podczas embriogenezy, które powodują przekształcanie się embrionalnych komórek macierzystych w prekursorowe neurony ziarniste.

Podczas eksperymentu embrionalne komórki macierzyste były hodowane przez 2 dni w kulturze zawierającej FGF8 (fibroblastyczny czynnik wzrostu 8) oraz kwas retinowy. Czynniki te spowodowały indukcję ekspresji markerów neuronalnych (nestin, EN1, PAX2, neurod) w komórkach embrionalnych. Oznacza to, że komórki te zaczęły się przekształcać pod wpływem FGF8 i kwasu retinowego w prekursorowe komórki neuronalne. Nie wykazywały one jednak ekspresji markerów charakterystycznych dla prekursorowych komórek ziarnistych (MATH1 i ZIC1). Naukowcy testowali różne czynniki wzrostu i czynniki transkrypcyjne, czy będą one w stanie spowodować różnicowanie się neuronalnych komórek macierzystych w progenitorowe komórki ziarniste. Testowano w ustalonej kolejności czynniki takie jak: WNT (białko wingless), BMP7 i BMP6 (białka morfogenetyczne kości 7 i 6), GDF7 (polipeptydowy czynnik różnicowania i wzrostu 7). Próbowano zainicjować indukcję ekspresji markerów ziarnistych komórek progenitorowych. Gdy się to udało, komórki były poddawane działaniu czynników o charakterze mitogenów: Sonic Hedgehog (SHH), JAG1 oraz cykliny D2.

Przed implantacją prekursorowych komórek ziarnistych do mózgu nowonarodzonych myszy, komórki te były hodowane z wyizolowanymi komórkami prekursorowymi, a także z komórkami glejowymi. Te pierwsze miały zaindukowaną ekspresję markerów charakterystycznych dla prekursorowych komórek ziarnistych (Pde-1c) podczas gdy komórki macierzyste hodowane z nieneuronalnymi komórkami glejowymi nie ekspresjonowały tych markerów, czyli nie wykazywały różnicowania w kierunku prekursorowych komórek ziarnistych.

Implantacja zróżnicowanych prekursorowych komórek ziarnistych do zewnętrznej warstwy mózgu mysich noworodków skutkowała w ich przemieszczaniu się do warstw wewnętrznych i wytwarzaniu połączeń z włóknami aferentnymi występujących tam aksonów.

Naukowcy zasugerowali, że prekursorowe komórki macierzyste pochodzące z embrionalnych komórek macierzystych były zdolne do pełnego różnicowania i integracji z komórkami kory móżdżku.

Naukowcy szukali potwierdzenia, że embrionalne komórki macierzyste naprawdę przekształciły się w neurony warstwy ziarnistej, a nie tylko przeszły charakterystyczny dla nich cykl rozwojowy. Szukali oni markerów charakterystycznych dla młodych komórek ziarnistych, wskazujących przynależność do móżdżku. Informacja czy komórki rzeczywiście przekształciły się w pełni działające komórki neuronalne jest bardzo istotna i oznaczałaby sukces, dlatego następnym krokiem badań będzie potwierdzanie genetycznego pokrewieństwa komórek ziarnistych normalnie występujących w móżdżku i tych pochodzących z embrionalnych komórek.

Źródło:
Salero, E., Hatten, M.E. (2007) Differentiation of ES cells into cerebellar neurons. PNAS 104(8):2997-3002.