Клеточные и молекулярные события нейрорегенерации в ЦНС рассмотрены на примере посттравматической регенерации спинного мозга.

Регенерация спинного мозга

1.     Глиальный и фиброзный рубец, клеточный состав

2.     Молекулы-ингибиторы роста аксонов

3.     Нейровоспаление, клеточные механизмы

4.     Терапевтические стратегии, молекулярные и клеточные мишени для восстановления структуры и функции

5.     Трансляция достижений фундаментальных исследований в клинику

 

1. Глиальный и фиброзный рубец, клеточный состав

Область травмы спинного мозга (ТСМ) — локализация глиального рубца. Наружная часть, или пенумбра, содержит гипертрофированные реактивные астроциты, в центральной части присутствуют глиальные NG2 клетки, фибробласты и макрофаги/микроглия.

 

Клеточные компоненты глиального/фиброзного рубца. После ТСМ провоспалительные каскады активируют многие клетки в области повреждения. Глиальный рубец состоит из астроцитов, NG2-клеток-предшественниц олигодендроцитов и микроглии.

Астроциты и предшественники олигодендроцитов в пенумбре важны для перестройки внеклеточного матрикса и регуляции ингибиторов роста аксонов хондроитинсульфат протеогликанов (CSPG).

Клетки в пенумбре функционируют совместно, ограничивая распространение провоспалительного эпицентра повреждения, который в основном включает макрофаги и фибробласты.

 

Фиброзный рубец

Клетки:

•        фибробласты

•        фибробластоподобные клетки

Внеклеточный матрикс:

•        коллагены I и IV

•        фибронектин

•        ламинины

Другие молекулы:

•        фосфакан

•        NG2-протеогликан

•        тенасцин

•        семафорин III

 

Глиальный рубец

Положительные эффекты:

•        поглощение избытка глутамата, предотвращая эксайтотоксичность

•        макрофаги улучшают состояние ткани, удаляя клеточный детрит

•        длительная сигнализация на восстановление тканей

•        физический барьер для предотвращения распространения патологического очага на окружающую ткань и ее защита.

Отрицательные эффекты:

•        стойкая аутоиммунная реакция, которая поддерживает фиброз

•        чрезмерное воспаление приводит к повреждению окружающих тканей

•        угнетение дифференцировки предшественников олигодендроцитов (OPCs)

•        депрессия аксоногенеза, пластичности нейрона и формирования миелина

•        физический барьер, затрудняющий миграцию трансплантированных или эндогенных клеток

•        избыточное образование свободных радикалов, активных форм кислорода (ROS) и глутамата, а также ионный дисбаланс.

 

2. Ингибиторы роста аксонов

•        Nogo-A

•        миелин-ассоциированный гликопротеин (myelin-associated glycoprotein, MAG) гликопротеин миелина олигодендроцитов (oligodendrocyte myelin glycoprotein, OMGp)

•        хондроитинсульфат протеогликаны (chondroitin sulfate proteoglycans, CSPGs)

Взаимодействие ингибиторных молекул-лигандов из реактивных астроцитов и олигодендроцитов со своими рецепторами в мембране нейрона активирует в нем внутриклеточный сигнальный каскад RhoA – ROCK и блокирует рост аксонов.

 

3. Нейровоспаление — клеточные механизмы

Поляризация микроглии, активация клеток микроглии, экспрессирующих провоспалительный фенотип.

Противовоспалительные молекулы проявляют себя через 1 неделю после травмы, а провоспалительные эффекты усиливаются через 1 неделю и сохраняются в течение месяцев или лет.

Влияние микроглии на астроциты при ТСМ. Противовоспалительные цитокины, включая инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1) и комбинированное действие интерлейкина 1альфа (IL-1α), фактора некроза опухоли (TNF) и компонента комплемента C1q способствуют пролиферации и активации астроцитов. Противовоспалительные факторы, такие как трансформирующий фактор роста бета (TGF-β) и фактора роста фибробластов (FGF), инактивируют астроциты. В свою очередь, астроциты активируют микроглию при помощи колониестимулирующего фактора гранулоцитов и макрофагов (GM-CSF) и хемокина CCL2. Активированная микроглия и астроциты являются неотъемлемой частью глиального рубца.

Влияние микроглии на олигодендроциты и их предшественники. Противовоспалительные цитокины поддерживают выживание предшественников олигодендроцитов и миелинизацию нервных волокон.

Влияние микроглии на нейральные стволовые клетки (НСК). Провоспалительные факторы снижают пролиферативную активность НСК, тогда как противовоспалительные цитокины увеличивают пролиферацию НСК. Провоспалительные факторы способствуют дифференциации НСК в нейроны, тогда как противовоспалительные молекулы способствуют дифференцировке НСК в олигодендроциты.

Влияние микроглии на эндотелиальные клетки при ТСМ. Провоспалительные цитокины вызывают окислительное повреждение эндотелиальных клеток, деградацию внеклеточного матрикса и повышенную проницаемость гематоэнцефалического барьера, в то время как противовоспалительные молекулы поддерживают ангиогенез.

 

4. Терапевтические стратегии, молекулярные и клеточные мишени для восстановления структуры и функции

·       Сдерживание электрической активности нейронов в области повреждения

·       Синтетические миметики (аналоги) нейротрофических факторов (НТФ)

·       Клеточные технологии

·       Генная терапия

o   прямая

o   клеточно-опосредованная

·       Технология экзосом

·       Стимулирование роста аксонов

·       Ингибирование сигнального каскада малая ГТФаза Rho – Rho киназа (ROCK) – гомолог фосфатазы и тензина (PTEN)

·       Тканеинженерные технологии для преодоления полного разрыва спинного мозга.

 

5. Трансляция достижений фундаментальных исследований в клинику

По результатам доклинических исследований значимое восстановление функции травмировнного спинного мозга выявлено при применении следующих подходов.

·       Рилюзол – блокатор натриевых каналов

·       Цетрин (Cethrin, VX-210) – блокатор малой ГТФазы RhoA

·       Глибенкламид – противодиабетическое средство, связывается с SUR1-субъединицей Ca2+-активируемых, [ATФ]i-чувствительных неспецифических катионных каналов

·       Гипотермия системная

·       Колониестимулирующий фактор гранулоцитов (CSF-G)

·       Миноциклин

·       Антитела anti-Nogo-A

·       Хондроитиназа ABC

 

Комбинированные методы лечения, включающие использование биоматериалов, стволовых клеток, факторов роста, лекарственных препаратов и экзосом, продемонстрировали многообещающие результаты в стимулировании регенерации аксонов и восстановлении нервных связей.

 

Перспективные направления доклинических исследований при ТСМ

·       Сигнализация и активность нейронов

·       Микроокружение нейронов

·       Трансплантация нейральных стволовых клеток

·       Нейромодуляция

·       Биоинформатика

 

Нейромодуляция

Эпидуральная электростимуляция (ЭЭС) спинного мозга. На сегодняшний день в сочетании с нейрореабилитацией оказала наибольшее клиническое воздействие из всех нейромодуляторных подходов к лечению ТСМ. Электроды накладывают на дорсальную поверхность спинного мозга, чтобы стимулировать неповрежденные спинномозговые пути, которые не получают достаточного супраспинального воздействия. В сочетании с реабилитацией ЭЭС способствует восстановлению функции за счет повышения нейропластичности и реорганизации связей. Недавно разработанные беспроводные системы улучшают клиническую применимость и пространственно-временную точность ЭЭС.

Нейрохимическая стимуляция. Клинически значимые нейромодулирующие фармакологические агенты, включая агонисты серотонинергических и дофаминергических рецепторов, способствуют поддержанию возбудимости и увеличению нейропластичности спинного мозга в сочетании с электростимуляцией и / или нейрореабилитацией после травмы спинного мозга. Эти агенты обеспечиваютулучшение регенераци при использовании в комбинации с другими терапевтическими подходами, но неэффективны как самостоятельные методы лечения.

Стимуляция головного мозга. Клинически осуществимые подходы неинвазивной стимуляции головного мозга для лечения ТСМ включают транскраниальную стимуляцию постоянным током и транскраниальную магнитную стимуляцию, которые обычно увеличивают нейропластичность в сохраненных путях между головным и спинным мозгом. Эти методы имеют низкую пространственно-временную точность, но являются неинвазивными, клинически доступными и сравнительно недорогими.

Интерфейсы мозг-машина записывают и декодируют двигательные сигналы от головного мозга, что позволяет контролировать двигательную активность и преодолевать последствия повреждения спинного мозга у травмированных пациентов и животных. Эти устройства, также повышают нейропластичность, зависящую от активности. Этот подход клинически осуществим, но требуются существенные технологические усовершенствования.

Оптогенетика относится к модуляции активности нейронов светочувствительными ионными каналами, известными как опсины, которые могут быть доставлены в нейроны определенных популяций с помощью вирусных векторов или трансгенных технологий. Оптогенетический подход обладает высокой пространственно-временной точностью, но требует проведения хирургической операции по имплантации и в настоящее время не являются клинически применимым для лечения ТСМ.

Хемогенетика относится к модуляции нейрональной активности с помощью соединений, которые активируют сконструированные рецепторные комплексы, экспрессируемые в выбранных популяциях нейронов, обычно через промотор-специфичную вирусную трансдукцию. Этот подход имеет высокую пространственную, но низкую временную точность, и в настоящее время не является клинически применимым у пациентов с ТСМ.

Пути повышения пластичности при ТСМ:

·       нацеливание на ингибирующее микроокружение

·       транскрипционные факторы

·       клеточная терапия

·       нейромодуляция: сочетанные воздействия

·       нейрореабилитация

 

Для восстановления функции при ТСМ эффективно только комплексное воздействие.