Neuralne komórki macierzyste w neurobiologii rekonstrukcyjnej

Neuralne komórki macierzyste w neurobiologii rekonstrukcyjnej Katarzyna Czajkowska Zakład Embriologii Uniwersytetu Warszawskiego

Obalenie dogmatu Brak zdolności regeneracyjnych komórek układu nerwowego? Modele uszkodzeń mózgu (gryzonie) Nowe neurony w hipokampie dorosłych osób (Eriksson i in., 1998)

Neuralne komórki macierzyste (NSCs) Multipotencja NSCs różnicują w kierunku wszystkich komórek układu nerwowego neuronów i komórek glejowych

W miarę różnicowania komórki tracą zdolność proliferacji i zmiany toru rozwoju www.rndsystems.com

Neuralne komórki macierzyste Multipotencja NSCs różnicują w kierunku wszystkich komórek układu nerwowego neuronów i komórek glejowych Zdolność migracji do odległych miejsc uszkodzenia stymulowana wyższym poziomem wydzielania SDF-1 przez astrocyty i komórki endotelialne w uszkodzonych tkankach (CXCR4 - receptor SDF-1 na NSCs, Kabos i in., 2003; Imitola i in., 2004) NSCs jako źródło czynników odżywczych i ochronnych dla uszkodzonych/dysfunkcyjnych komórek (Ourednik i in, 2002)

Neurogeneza Ssaki małe zdolności do regeneracji i naprawy w obrębie centralnego układu nerwowego U ssaków neurogeneza in vivo zachodzi w: strefie przyziarnistej (SGZ, subgranular zone) zakrętu zębatego hipokampa oraz strefie przykomorowej (SVZ, subventricular zone) komór bocznych mózgu (Hess i Borlongan, 2008) Ograniczenie neurogenezy do SGZ i SVZ związane z lokalnym mikrośrodowiskiem w obszarach neurogenezy astrocyty wydzielają czynniki stymulujące różnicowanie neuronów (Barkho i in., 2006)

Neurogeneza W sytuacji miejscowego uszkodzenia mózgu dochodzi do neurogenezy i projekcji nowych neuronów do odległych od miejsca neurogenezy obszarów (Magavi i in., 2000; Chen i in., 2004) Neuroblasty migrują do kory i w miejscu uszkodzenia różnicują, tworząc aksonalne projekcje nawet do wzgórza czy rdzenia kręgowego Strategia medycyny regeneracyjnej stymulacja endogennego procesu naprawczego

Neurogeneza

Zdolność migracji NSCs Odpowiedź na spontaniczne i postępujące procesy degeneracyjne tkanki Migracja bardziej intensywna w mózgach starszych osobników niż młodych dorosłych osobników Po transplantacji do uszkodzonego mózgu osobników starszych NSCs wykazują zdolność do spontanicznego różnicowania reakcja na sygnały z uszkodzonej tkanki biorcy (Ourednik i in, 2002)

Medycyna regeneracyjna Zastosowanie komórek macierzystych: Zastępowanie uszkodzonych komórek nowymi Przywracanie uszkodzonym komórkom funkcjonalności

Zastosowanie NSCs i NPCs w terapii chorób i uszkodzeń układu nerwowego

Choroba Alzheimera W modelu mysim transplantacja NSCs do hipokampa zmniejsza deficyty w uczeniu się i pamięci (Blurton-Jones i in., 2009) Wzrost gęstości synaptycznej w hipokampie bez redukcji złogów amyloidowych Rola BDNF (brain-derived neurotrophic factor) (Blurton-Jones i in., 2009)

Choroba Parkinsona Utrata neuronów dopaminergicznych w istocie czarnej Szczurzy model po transplantacji NSCs różnicują w neurony i komórki glejowe, produkują hydroksylazę tyrozynową i łagodzą deficyty neurologiczne (Svendsen i in., 1996; Svendsen i in., 1997) NPC jako nośnik czynników wzrostu: GDNF (glial-derived neurotrophic factor), (Behrstock i in., 2006) Ogólne efekty niedostateczna kontrola motoryczna i dyskineza (Ourednik i in., 2002)

Choroba Huntingtona Mutacja w genie kodującym huntingtynę (Kim i de Vellis, 2009)

Stwardnienie rozsiane Demielinizacja o podłożu autoimmunologicznym Zastosowanie NPCs w mysim modelu choroby (Pluchino i in, 2005): Remielinizacja Stymulowanie komórek progenitorowych oligodendrocytów biorcy do proliferacji Akumulacja NPCs w miejscach stanu zapalnego, immunosupresja i działanie przeciwzapalne

Stwardnienie zanikowe boczne Postępująca degeneracja i utrata neuronów ruchowych (Kim i de Vellis, 2009)

Udar mózgu Neurogeneza indukowana udarem obejmuje: proliferację NSCs i NPCs różnicowanie NPCs migrację neuroblastów z SVZ do granic niedokrwienia, gdzie różnicują w kierunku neuronów oraz integrują się w tkankę (Zhang i in., 2004; Parent i in., 2002) W mysich NPCs z SVZ udar aktywuje wiele genów biorących udział w neurogenezie podczas rozwoju embrionalnego (Liu i in., 2007) Neurogenezę indukowaną udarem notowano w ludzkim mózgu nawet u osób w podeszłym wieku (ok. 60 87 l.) (Minger i in., 2007)

Udar mózgu (Kim i de Vellis, 2009)

Zagrożenia? Gdy NSCs otrzymywane z ESCs ryzyko rozwoju nowotworów po transplantacji (Parsons i in., 2009) Pacjent z zespołem ataksja-teleangiektazja glejak po transplantacji NSCs z tkanki płodu (Amariglio i in., 2009) ALE: skuteczne wykorzystanie NSCs w leczeniu np. rdzeniaka! (terapia enzym/prolek, Gutova i in., 2010)

Dlaczego NSCs? Zastępowanie uszkodzonych komórek Przywracanie uszkodzonym komórkom funkcjonalności - stymulacja endogennego procesu naprawczego Migracja do miejsca uszkodzenia i możliwość zastosowania zlokalizowanej terapii typu prolek/enzym Immunosupresja i efekt przeciwzapalny

Bibliografia Amariglio, N., Hirshberg, A., Scheithauer, B. W., Cohen, Y., Loewenthal, R., Trakhtenbrot, L., Paz, N., et al. (2009). Donor-derived brain tumor following neural stem cell transplantation in an ataxia telangiectasia patient. PLoS medicine, 6(2), e1000029. doi:10.1371/journal.pmed.1000029 Barkho BZ, Song H, Aimone JB, Smrt RD, Kuwabara T, Nakashima K, Gage FH, Zhao X (2006) Identification of astrocyte-expressed factors that modulate neural stem/progenitor cell differentiation. Stem Cells Dev. 15, 407 421. Blurton-Jones, M., Kitazawa, M., Martinez-Coria, H., Castello, N. a, Müller, F.-J., Loring, J. F., Yamasaki, T. R., et al. (2009). Neural stem cells improve cognition via BDNF in a transgenic model of Alzheimer disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106(32), 13594 9. doi:10.1073/pnas.0901402106 Chen J, Magavi SS, Macklis JD (2004) Neurogenesis of corticospinal motor neurons extending spinal projections in adult mice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 16357 16362 Eriksson PS, Perfilieva E, Bjork-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, Gage FH (1998) Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nat. Med. 4, 1313 1317. Gójska, A., & Nyka, W. M. (2010). Komórki macierzyste w udarze mózgu Stem cell in the cerebral stroke, (1), 23 31.

Bibliografia Gutova M., Khankaldyyan V., Herrmann K.A., Harutyunyan I., Abramyants Y., Annala A.J., Najbauer J., Moats R.A., Shackleford G.M., Barish M.E., Aboody K.S. (2010) Real-time in vivo imaging of neural stem cells for targeted therapy of medulloblastoma. Neuro Oncol 12 (suppl 4): iv112-iv119. doi: 10.1093/neuonc/noq116.s17 Hess, D. C., & Borlongan, C. V. (2008). Stem cells and neurological diseases. Cell proliferation, 41 Suppl 1, 94 114. doi:10.1111/j.1365-2184.2008.00486.x Imitola J, Raddassi K, Park KI, Mueller FJ, Nieto M, Teng YD, Frenkel D, Li J, Sidman RL, Walsh CA, Snyder EY, Khoury SJ (2004) Directed migration of neural stem cells to sites of CNS injury by the stromal cell-derived factor 1alpha/CXC chemokine receptor 4 pathway. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 18117 18122. Kabos P, Ehtesham M, Black KL, JS (2003) Neural stem cells as delivery vehicles. Expert Opin. Biol. Ther. 3, 759 770. Kim, S. U., & de Vellis, J. (2009). Stem cell-based cell therapy in neurological diseases: a review. Journal of neuroscience research, 87(10), 2183 200. doi:10.1002/jnr.22054 Liu X.S., Zhang Z.G., Zhang R.L. i wsp. (2007) Stroke induces gene profile changes associated with neurogenesis and angiogenesis in adult subventricular zone progenitor cells. J. Cereb. Blood Flow Metab. 27: 564 574.

Bibliografia Magavi SS, Leavitt BR, Macklis JD (2000) Induction of neurogenesis in the neocortex of adult mice. Nature 405, 951 955. Minger S.L., Ekonomou A., Carta E.M., Chinoy A., Perry R.H., Ballard C.G. Endogenous neurogenesis in the human brain following cerebral infarction. Regen. Med. 2007; 2: 69 74. Ourednik J, Ourednik V, Lynch WP, Schachner M, Snyder EY (2002) Neural stem cells display an inherent mechanism for rescuing dysfunctional neurons. Nat. Biotechnol. 20, 1103 1110. Parent J.M., Vexler Z.S., Gong C., Derugin N., Ferriero D.M. Rat forebrain neurogenesis and striatal neuron replacement after focal stroke. Ann. Neurol. 2002; 52: 802 813. Parsons X.H., Teng Y.D., Snyder E.Y. (2009) Important precautions when deriving patient-specific neural elements from pluripotent cells. Cytotherapy. 11(7): 815 824. doi:10.3109/14653240903180092. Zhang R., Zhang Z., Wang L. i wsp. Activated neural stem cells contribute to stroke-induced neurogenesis and neuroblast migration toward the infarct boundary in adult rats. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2004; 24: 441 448. www.rndsystems.com

Dziękuję za uwagę! Pytania?

Hodowla NSCs in vitro Rozrost NSCs w kulturze in vitro jest zależny od obecności: nabłonkowego czynnika wzrostu (EGF epidermal growth factor) oraz czynnika wzrostu fibroblastów (FGF-2 fibroblast growth factor-2)