Лечение синдрома ретта стволовыми клетками
В исследовании на мышах продемонстрирована эффективность трансплантации костного мозга для лечения синдрома Ретта – тяжелого заболевания аутистического спектра, встречающегося с частотой 1 на 10-20 тыс. новорожденных девочек. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, показали, что одной из причин этого редкого наследственного заболевания является сбой работы особых клеток иммунной системы головного мозга – микроглии.
Синдром Ретта – психоневрологическое наследственное заболевание, являющееся следующей по частоте после синдрома Дауна специфической причиной тяжелой умственной отсталости у девочек (мальчики с данным синдромом умирают в течение нескольких недель после рождения). Для больных синдромом Ретта характерны регрессия психического развития, аутичное поведение, потеря целенаправленных движений и появление стереотипных двигательных актов.
Синдром Ретта возникает вследствие мутаций в гене МЕСР2, расположенном в X-хромосоме и кодирующем метил-СрG-связывающий белок 2. Если ген нормален, кодируемый им белок в определенный момент развития мозга «выключает» из работы несколько других генов, и тогда мозг ребенка развивается нормально. В случае мутаций в гене своевременное выключение не происходит. Мозг, пропустивший этот момент, начинает развиваться неправильно – так возникает синдром Ретта. Мальчики, рождающиеся с мутацией гена МЕСР2, расположенного в единственной Х-хромосоме, умирают в течение нескольких недель после рождения. У девочек, несущих мутный ген МЕСР2 только в одной из двух Х-хромосом, развивается синдром Ретта. Адекватного лечения больных с синдромом Ретта к настоящему моменту не разработано: пока оно сводится лишь к облегчению симптомов заболевания.
Известно, что белок MECP2 регулирует активность многих генов, но как именно изменения в этом белке влияют на развитие синдрома Ретта, до сих пор остается невыясненным.
Результаты нового исследования, проведенного научной группой из Медицинской Школы при Университете Виргинии (University of Virginia School of Medicine, США), дают основание полагать, что причиной развития синдрома Ретта является нарушение нормального функционирования микроглии – особых клеток иммунной системы, локализованных в головном мозге. Полученные данные свидетельствуют о том, что трансплантация костного мозга или использование других методов, стимулирующих размножение иммунных клеток костного мозга, может оказаться эффективным для лечения пациентов с синдромом Ретта.
В нейронах синтезируется больше белка MECP2, чем в каких-либо других клетках головного мозга. Ранее в исследованиях на мышах было показано, что восстановление нормальной функции гена MECP2 в нейронах животных c моделью синдромом Ретта приводит к устранению некоторых симптомов заболевания [2]. Однако недавно ученые предположили, что в развитии синдрома Ретта участвуют и другие типы клеток головного мозга. Было выяснено, что повторная активация гена MECP2 в одном из типов нейроглиальных клеток головного мозга – астроцитах, выполняющих опорную функцию – устраняет у подопытных мышей страх и проблемы с движениями [3].
Руководитель настоящего исследования Джонатан Кипнис (Jonathan Kipnis), нейробиолог из Медицинской Школы при Университете Виргинии, и его научная группа сосредоточились на изучении другого специализированного типа клеток головного мозга – микроглии. Эти клетки являются фагоцитами, распознающими и уничтожающими инфекционные агенты в своем окружении. В более ранних исследованиях была выявлена ассоциативная взаимосвязь между состоянием различных клеток иммунной системы и функционированием головного мозга [4]. Эти данные заинтересовали Кипниса, и в экспериментах на нокаутированных по гену MECP2 мышах ученый решил выяснить, приведет ли к устранению симптомов заболевания замена «дефектной» иммунной системы клетками, имеющими нормальный ген MECP2. Для этого ученые уничтожили клетки иммунной системы (включая микроглиальные клетки) у животных в возрасте четырех недель путем облучения, а затем трансплантировали мышам клетки костного мозга с функционирующим геном MECP2. В костном мозге животных стволовые клетки сформировали новые клетки иммунной системы.
По словам Кипниса, мыши-самцы с синдромом Ретта, имеющие мутантный ген MECP2, погибали в течение двух месяцев, но животные, в организм которых были введены клетки костного мозга здоровых мышей-доноров, жили в течение одного года. После проведенного лечения подопытные самцы стали лучше себя чувствовать, у них нормализовалась двигательная функция, и они набрали больший вес по сравнению с мышами-самцами, которым не проводилась трансплантация. У мышей-самок с одним нормально функционирующим геном MECP2 через определенное время развивался синдром Ретта. Трансплантация костного мозга улучшала походку и функцию дыхания, нормализовала вес мышей-самок с синдромом Ретта.
На следующем этапе экспериментов исследовательской команде Кипниса необходимо было доказать, что наблюдаемые эффекты вызваны именно микроглиальными клетками головного мозга. Для этого ученые трансплантировали здоровый костный мозг мышам с моделью синдрома Ретта, которые перед этим не облучались, что позволило сохранить в головном мозге микроглиальные клетки. Результаты экспериментов показали, что трансплантация не повлияла на состояние здоровья этих мышей.
По мнению Кипниса, у микроглиальных клеток, полученных от мышей с синдромом Ретта, нарушена функция фагоцитоза, что приводит к патологическим изменениям функционирования нейронов. «Если эта гипотеза будет подтверждена результатами дополнительных исследований, можно будет попробовать провести клинические исследования, направленные на оценку эффективности трансплантации костного мозга у пациентов с синдромом Ретта», – считает Кипнис. При поддержке фонда Rett Syndrome Research Trust (Коннектикут, США) Кипнис обратился в центры трансплантации костного мозга для уточнения возможности проведения лечения больных таким методом. «Эти переговоры имеют предварительный характер, – отмечает Кипнис. – Метод обладает высокой эффективностью при применении на модели синдрома Ретта на мышах, но у мышей можно вылечить практически любое заболевание».
Более оптимистично Кипнис оценивает перспективы лечения больных с синдромом Ретта лекарственными препаратами, улучшающими функционирование микроглиальных клеток. Девочки с синдромом Ретта имеют один функционирующий ген MECP2, поэтому часть их микроглии может нормально работать.
«Результаты исследования подтверждают, что синдром Ретта – очень сложное заболевание, в патогенез которого вовлечены различные типы клеток и множество систем организма, – добавляет Гейл Мендел (Gail Mandel), нейробиолог из Орегонского Университета Науки и Здоровья (Oregon Health Sciences University, США). – Применение методов генной терапии может оказаться эффективным способом устранения всех этих проблем».
Синдром Ретта – заболевание аутистического спектра, вызывающее проблемы с общением и нарушающее координацию движения. (AP Photo/The Idaho Statesman)
Оригинальный текст: Ewen Callaway
По материалам Nature News
Литература:
1. Derecki, N. C. et al. Nature Advance online publication: https://nature.com/doifinder/10.1038/nature10907 (2012).
2. Guy, J., Gan, J., Selfridge, J., Cobb, S. & Bird, A. Science 315, 1143–1147 (2007).
3. Lioy, D. T. et al. Nature 475, 497–500 (2011).
4. Chen, S.-K. et al. Cell 141, 775–785 (2010).
Источник
Клеточные модели нарушений развития нервной ткани представляют собой ценную экспериментальную систему для изучения механизмов заболевания и поиска терапевтических стратегий. Развитие мозга млекопитающих – достаточно запутанный процесс. Отклонения в таком процессе приводят к изменению нервных контуров, возникновению когнитивных и поведенческих проблем. Огромное количество генов, вовлеченное в развитие подобных заболеваний, и их дифференциальная экспрессия в разных типах клеток осложняет выбор экспериментальной модели.
Открытие человеческих эмбриональных стволовых клеток (чЭСК) в конце 1990-х и человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК) в 2007 дало новые возможности для изучения человеческого развития и моделирования болезней.
С тех пор были предприняты огромные усилия для того, чтобы воспроизвести развитие нервной ткани: дифференцировка стволовых клеток в специализированные субпопуляции, перепрограммирование соматических клеток, создание ресурсов для скрининга лекарств. Большинство исследований сосредоточены на создании моделей именно нейронов для нарушений развития нервной ткани. Однако Lee и соавторы полагают, что необходимы исследования и тех стволовых клеток, которые не относятся к нейрональному пулу. Они сделали обзор исследований, в которых создаются модели для развития различных типов клеток мозга при расстройствах аутистического спектра (РАС), синдроме Ретта, биполярном расстройстве и шизофрении.
Нарушения развития нервной ткани очень сложны для моделирования по ряду причин. Во-первых, в связи с наличием в мозге запутанной сети взаимодействий, обеспечивающих появление конкретного фенотипа заболевания. Во-вторых, подобные нарушения могут быть вызваны целым рядом сочетаний и вариантов экспрессирующихся генов, вклад которых нелегко оценить. Традиционные методы получения клеток также имеют свои недостатки: неоптимально в данном случае использование ткани, полученной в результате биопсии или посмертно: в данном случае не удается корректно проследить течение и развитие заболевания. Кроме того, неясно, какой вклад в наблюдающиеся процессы и изменения вносят медикаменты, полученные пациентом. Животные в качестве модели также вызывают большие вопросы в силу специфичности (масса мозга, объем коры и ее пространственная структура) и малой исследованности человеческого мозга. Поэтому альтернатива, например, использование иПСК, так необходима.
РАС – это характерное для детей нарушение развитие нервной ткани, на формирование которого оказывают влияние как генетические, так и средовые факторы. При этом генетический вклад весьма значим, кроме того, его часто обуславливают варианты, появляющиеся de novo. В основе заболевания лежат нарушения иммунной регуляции, связей между нейронами и генетические дефекты некоторых белков синапса. Для РАС был проведен ряд исследований с использованием иПСК, в том числе, позволившие обнаружить de novo варианты, обусловившие развитие РАС у пациента. Для этого клетки пульпы зуба пациента были перепрограммированы в иПСК и затем дифференцированы в нейроны, продемонстрировавшие фенотип с отклонениями. Отклонения удалось показать и для астроцитов от других пациентов (без синдромов). Эти астроциты характеризовались повышенным уровнем воспалительных цитокинов, а нейроны, в свою очередь, были менее физиологически активными, чем контрольные. При совместном культивировании дефектных астроцитов с нормальными нейронами, нормальные нейроны демонстрируют фенотип, характерный для нейронов пациентов с РАС. Любопытно, что если заменить астроциты на нормальные, то состояние нейронов снова улучшится. Это показывает, что воспаление в астроцитах может влиять на функции нейронов и вносить вклад в патогенез РАС.
Кроме двумерных клеточных моделей РАС, так же используются трехмерные модели органоидов. Mariani и коллеги создали органоидную систему, которая включает слои радиальной глии, промежуточные слои и нейроны из человеческих иПСК на ранних стадиях развития. Однако подобные системы все еще требуют доработки, особенно с учетом того, что еще не все возможные клеточные фенотипы РАС известны.
Синдром Ретта – достаточно редкое Х-хромосомное нарушение развития нервной ткани, которое характеризуется нормальным ростом в раннем возрасте с постепенным медленным снижением или резкой потерей языковых и моторных навыков. Синдром Ретта вызывается мутациями в гене транскрипционного репрессора метил-CpG-связывающего белка 2 (МеСР2) на Х-хромосоме. Были созданы линии иПСК, взятые от пациентов с синдромом Ретта и дифференцированы в предшественники нейрональных клеток и функциональные нейроны. Эти нейроны характеризовались сниженным числом дендритом и синапсов в сравнении с контрольными нейронами, а также некоторыми электрофизиологическими нарушениями.
Исследовались также глиальные эффекты для синдрома Ретта: например, в исследовании Williams и коллег. Они обнаружили дефекты в росте нейронов, совместно культивируемых с астроцитами от пациентов с синдромом Ретта. Эти нейроны демонстрировали уменьшенный размер тела, укороченную длину аксонов и меньшее число терминалей. Данные результаты заставляют задуматься о смене стратегий лечения синдрома Ретта с ориентированных исключительно на нейрональную активность и синаптическую передачу и учитывать влияние астроцитов.
Биполярное расстройство – хроническое заболевание, характеризующееся меняющимися эпизодами мании и депрессии, которые могут длиться от нескольких дней до нескольких месяцев. В некоторых случаях расстройство приводит к самоубийству. Во многих исследованиях отмечалась пониженная плотность глии в передней поясной извилине коры и сниженное количество астроцитов и олигодендроцитов в гиппокампе и префронтальной коре у пациентов с биполярным расстройством.
Mertens и коллеги обнаружили митохондриальные нарушения в нейронах, полученных из иПСК от пациентов с биполярным расстройством и на этой же модели идентифицировали более тысячи генов, экспрессия которых менялась в сравнении с экспрессией генов нормальных нейронов. Эти различия вызывают изменения в электрохимической активности и приводят к чрезмерной возбудимости клеток, которую исследователям, однако, удалось обратить благодаря использованию лития. Таким образом, подходы с использованием иПСК позволяют не только изучать механизмы, но и искать возможные варианты лечения для биполярного расстройства.
Шизофрения – расстройство развития нервной ткани, характеризующееся широким спектром симптомов, включающих бред, галлюцинации, нарушения эмоционального и социального поведения. Генетический вклад в появление заболевания очень существенен: наследуемость оценивается в 80-85%. Считается, что шизофрения связана с нарушениями связей между нейронами, кроме того, отмечается важная роль олигодендроцитов и клеток-предшественников, у которых присутствуют изменения в морфологии, экспрессии генов и плотности. Кроме того, нарушается миелинизация.
Robicsek и соавторы использовали для моделирования иПСК, полученные из нейронов пациентов с шизофренией. Эти иПСК демонстрировали нарушение дифферецировки в дофаминергические клетки-предшественники, сниженное число и длину аксонов, а также пониженную экспрессию ряда маркеров зрелых нейронов (тирозингидроксилазы, синаптического транспортера дофамина), митохондриальную дисфункцию в процессе дифференциации и созревания.
Недавно было проведено исследование с использованием химерной мыши с глией с фенотипом шизофрении. Чтобы получить таких мышей, была проведена неонатальная трансплантация клеток от пациента с шизофренией для мыши с нарушением, связанными с дефицитом миелина. В целом эта система позволила показать наличие дефектов при миграции незрелых клеток, что и приводит к характерным для шизофрении снижению количества белого вещества и гипомиелинизации в коре. Трансплантированные астроциты, полученные из иПСК с фенотипом шизофрении демонстрировали нарушенную морфологию, более медленное созревание, что может оказывать эффект на формирование нервных контуров и миелинизацию, так как эти процессы направляются астроцитами. Нарушения в созревании глии напрямую приводят к нарушению поведения у таких химерных мышей, которое соответствует поведенческим патологиям у людей. Стоит отметить, что такая модель все же не идеальна в силу различий генетического фона и развития мыши и человека.
Использование перепрограммирования иПСК достаточно сильно изменило исследования. Стал возможным высокоэффективный поиск новых лекарств и моделирование их влияния (новый термин – pharmaco-iPSCCellomics). Кроме того, такие клетки можно трансплантировать in vivo, что уже было опробовано на модели болезни Паркинсона у приматов. Это очень привлекательный способ лечения и для людей, однако стоит помнить о том, что каждый пациент требует персонального подхода в создании трансплантата, а также существуют риски развития опухолей.
В свою очередь, органоидные системы позволяют изучать взаимодействия между клетками и создавать достаточно точные модели, вплоть до самоорганизующегося трехмерного кортикального органоида с различными уровнями клеток и апико-базальной полярностью.
Однако следует помнить и о ряде ограничений. Одно из самых больших – малые размеры выборок, которые могут приводить к ошибочным результатам. Кроме того, показано, что эпигенетические различия между клеточными линиями от одного и того же пациента могут бы значимыми. Предполагается, что они появляются из-за методологических особенностей трансфекции и могут индуцировать онкогенный стресс. Также иПСК могут сохранять эпигенетическую “память”, которая может влиять на получаемые эффекты. Кроме того, многие заболевания имеют сложную генетическую природу, при которой разные люди могут нести разные генетические комбинации.
Автор перевода: Колодяжная А.
Источник: Lee, K.M., Hawi, Z.H., Parkington, H.C. et al. The application of human pluripotent stem cells to model the neuronal and glial components of neurodevelopmental disorders. Mol Psychiatry 25, 368–378 (2020).
Источник
Синдром Ретта возникает из-за неполадок в иммунной системе мозга: местные клетки-уборщики начинают плохо выполнять свою работу. Положение можно поправить с помощью здоровых стволовых клеток костного мозга, которые буду производить здоровые иммунные клетки нервной ткани. Синдром Ретта проявляется у девочек примерно между первыми полу- и полутора годами жизни. Поначалу он похож на обычный аутизм: у ребёнка появляются навязчивые действия, нарушается речь, движения замедляются, дитя находится в «отсутствующем» психологическом состоянии, впоследствии начинаются проблемы с дыханием. Заболевание неизлечимо и заканчивается смертельным исходом к 20–30 годам. Частота синдрома Ретта довольно высока: один случай на 10–15 тысяч. При этом известно, что его вызывает мутация гена MECP2, находящегося на Х-хромосоме. Это объясняет, почему синдром Ретта долгое время не был описан у мальчиков: эта мутация смертельна, если мутантный ген не продублирован нормальным на второй Х-хромосоме. Мальчики с синдромом Ретта умирают в первую неделю после рождения.
Белок, закодированный в MECP2, управляет активностью многих генов, но почему мутация в нём вызывает синдром Ретта, долгое время оставалось загадкой. В нейронах этого белка больше, чем в других клетках, и в ряде исследований удалось погасить симптомы заболевания, снабдив нейроны добавочным количеством MECP2. Впоследствии, однако, учёные начали подозревать, что дело тут не только в нейронах. Оказалось, что и клетки нейроглии вносят вклад в развитие синдрома Ретта: если в астроцитах восстанавливали синтез MECP2, у мышей исчезали характерные проблемы с координацией движений и снижался уровень тревожности.
В новой работе на эту тему учёные из Университета Виргинии (США) взялись исследовать роль других клеток нервной ткани — микроглии. Клетки микроглии — это макрофаги мозга, убирающие отходы жизнедеятельности других клеток;; они служат представительством иммунной системы в мозгу. Про связь иммунитета и неврологических заболеваний, выражающихся в том числе повторяющимся и навязчивым поведением, известно давно. Поэтому в данном случае логика исследователей вполне понятна.
Учёные предположили, что болезнь возникает из-за отключения гена MECP2 в иммунных клетках мозга. В ходе эксперимента клетки микроглии мышей с синдромом Ретта замещались нормальными иммунными клетками. Для этого у больных мышей иммунитет уничтожался радиоактивным излучением, после чего им пересаживали стволовые клетки костного мозга, которые дают начало всем иммунным клеткам, и микроглиальным тоже. Симптомы болезни исчезали и у самцов, и у самок: животные набирали вес, начинали нормально ходить и нормально дышать. Чтобы убедиться, что всё дело в мозговых иммунных клетках, при облучении мозг мышей оставляли нетронутым. При таком раскладе пересаженные нормальные стволовые клетки костного мозга не могли победить болезнь.
Скорее всего, клетки микроглии с мутантным геном MECP2 плохо выполняют свою работу, нервная ткань загрязняется, и нейроны начинают испытывать сильный дискомфорт. Разумеется, лечить синдром Ретта у людей с помощью инактивации и замены иммунитета пока что никто не предлагает; это всё-таки чересчур радикальный метод. Для начала исследователи попробуют найти средство, которое повышало бы уровень белка MECP2 в клетках микроглии, чтобы те могли нормально функционировать.
по информации: compulenta.ru
Источник