Поиск Кабинет

Роль базальных клеток обонятельного эпителия в нейрогенезе

Гены & Клетки: Том VI, №1, 2011 год, стр.: 49-54

 

Авторы

Обухова Л.М., Мухина И.В.

ДЛЯ ТОГО ЧТОБЫ СКАЧАТЬ СТАТЬЮ В ФОРМАТЕ PDF ВАМ НЕОБХОДИМО АВТОРИЗОВАТЬСЯ, ЛИБО ЗАРЕГИСТРИРОВАТЬСЯ

Обонятельная слизистая оболочка является оптимальным источником аутологичных нейральных стволовых клеток для трансплантации при повреждениях и дегенеративных заболеваниях ЦНС. В качестве возможных кандидатов для заместительной терапии рассмотрены обкладочные нейроэпителиальные, горизонтальные и шаровидные базальные клетки. Обкладочные нейроэпителиальные клетки способствуют аксональной регенерации нейронов и ремиелинизации аксонов, но не относятся к стволовым. Горизонтальные и шаровидные базальные клетки являются единственными мультипотентными прогениторами обонятельного эпителия. Они способствуют возобновлению нейрональных и не нейрональных клеток, как в норме, так и при восстановлении после травмы нервной ткани. Имеются экспериментальные данные и о существовании мезенхимоподобных стволовых/ прогениторных клеток в базальной мембране обонятельной слизистой. Нейральные клетки взрослого обонятельного эпителия способны дифференцироваться в нейрональном и глиальном направлении, причем из них возможно получение нейронов различного типа.

Ткань обонятельной слизистой оболочки является потенциальным источником аутологичных нейральных стволовых клеток для заместительной клеточной терапии при патологии ЦНС. Существуют работы, в которых проведена экспериментальная трансплантация как ткани обонятельного эпителия в целом в поврежденные отделы ЦНС [1], так и отдельных, входящих в состав обонятельной слизистой оболочки мультипотентных клеток, предварительно культивированных in vitro. Так, обкладочные нейроэпителиальные клетки, пересаженные в поврежденные участки спинного мозга, демонстрировали стимуляцию его восстановления и способность поддерживать ремиелинизацию демиелинизированных аксонов [2, 3], хотя в отдельных работах была продемонстрирована невысокая эффективность их применения [4]. Другими авторами показано более целесообразное использование стволовых клеток обонятельного эпителия для улучшения функции мозга после повреждения. При трансплантации дофаминэргических нейронов, полученных in vitro из стволовых клеток обонятельного эпителия, крысам с моделированной болезнью Паркинсона, наблюдалось уменьшение поведенческой асимметрии и увеличение числа дофаминэргических клеток в головном мозге [5]. Пересаженные шаровидные базальные клетки, выделенные с использованием моноклональных антител GBC-2, давали как нейрональное, так и не нейрональное потомство. Продуцированные ими нейроны проецировали аксоны к обонятельной луковице. Напротив, горизонтальные базальные клетки не прививались у мышей, у которых была предварительно удалена фракция шаровидных клеток [6].

Таким образом, эффективность трансплантации мультипотентных клеток обонятельного эпителия во многом зависит от характеристик используемых клеток. В связи с этим, исследование типов стволовых и прогениторных нейральных клеток обонятельной слизистой оболочки, их морфологических особенностей, а также участия в регенерации в физиологических условиях, является актуальной задачей клеточной трансплантологии.

Мультипотентные клетки обонятельной слизистой оболочки

Обонятельный нейроэпителий млекопитающих известен своей уникальной особенностью активно генерировать нейроны во взрослом состоянии, такими темпами, которые намного превышают нейрогенез в субвентрикулярной зоне и зубчатой извилине [7–13]. F.J. Roisen и соавторы (2001) выделили из обонятельного эпителия популяцию мультипотентных клеток. С помощью иммунофлуоресцентного анализа было показано, что нейросферы, полученные из данных клеток, содержали как нейрональные, так и глиальные клеточные линии, а около 10% клеток были отрицательными по всем известным нейрональным и глиальным маркерам. Авторы предположили, что немаркируемые клетки относятся к пулу прогениторов и некоммитированных клеток [14]. Культура сохраняла митотическую активность более 8 месяцев (около 70 пассажей).

Слизистая оболочка обонятельной области формируется обонятельным эпителием (olfactory epithelium – OE) и базальной пластинкой (lamina propria – LP), слоем рыхлой соединительной ткани, расположенным ниже эпителия. Обонятельный эпителий является псевдомногослойным нейроэпителием и содержит единственный тип нейронов – биполярные нейроны обонятельных рецепторов (olfactory receptor neurons – ORN) [15, 16] (рис. 1). B.P. Menco и J.E. Jackson в 1997 году показали, что в состав обонятельного эпителия, помимо нейронов и таких не нейрональных клеток, как поддерживающие (sustentacular cells), клетки желез Боумена и протоков (Bowman’s glands and ducts), входят базальные клетки, расположенные на границе с базальной пластиной [17]. A. Mackay-Sim и P.W. Kittel (1990) и J.P. Hind с соавт. (1984) было установлено, что данные клетки играют ключевую роль в механизмах дегенерации и регенерации в обонятельном нейроэпителии [18, 19]. Базальные клетки характеризовались высокой метаболической активностью, что было продемонстрировано с использованием иммуногистохимического окрашивания по ядерному антигену пролиферирующих клеток (PCNA) [20]. В обонятельном эпителии в местах локализации положительного окрашивания по PCNA трансмиссионной электронной микроскопией были обнаружены клетки с электронно-плотной цитоплазмой и наличием эухроматина, что также подтверждало их митотическую активность [21]. В исследованиях W. Murrell с соавт. (2005) мультипотентность клеток обонятельной слизистой оболочки человека и грызунов была показана как in vitro, так и in vivo при трансплантации в курином эмбрионе (генерация различных типов клеток) и при трансплантации в костный мозг облученных животных [22].

Помимо базальных клеток, регенеративную способность проявляют обкладочные нейроэпителиальные клетки (olfactory ensheathing cells – OECs,) которые находятся в базальной пластинке и защищают аксоны ORNs, проходящие из обонятельного эпителия к обонятельной луковице. OECs проявляют определенное фенотипическое сходство с эмбриональными Шванновскими клетками, но имеют некоторые функциональные различия. Они не относятся к стволовым, однако могут постоянно поддерживать аксональную регенерацию нейронов обонятельных рецепторов, а также ремиелинизацию демиелинизированных аксонов [23].

Базальные клетки обонятельного эпителия

Базальные клетки состоят из двух отдельных клеточных типов: горизонтальные (horizontal basal cells – HBCs) и шаровидные (globose basal cells – GBCs) [9, 10].

HBCs находятся наиболее базально в обонятельном эпителии, напрямую прикреплены к базальной пластине, формируя хемидесмосомы [24]. Они отличаются более темной окраской цитоплазмы и уплощенной формой, содержат значительное количество свободных цитоплазматических рибосом и слои тонофиламентов [25]. В некоторых источниках [26] горизонтальные базальные клетки именуются уплощенными клетками – flattened basal cell (FB).

В работе E.H. Holbrook с соавт. (1995) было показано, что основной особенностью расположения горизонтальных базальных клеток является их нахождение в нишах между пучками аксонов в месте их выхода из эпителия [24]. Там же отмечается крайне низкая скорость пролиферации HBCs. A. Mackay-Sim и P.W. Kittel [18] считают HBCs настоящими стволовыми клетками, поскольку они асимметрично делятся, формируя одну горизонтальную дочернюю клетку и одну шаровидную клетку [27].

HBCs являются единственными клетками обонятельной слизистой оболочки, которые экспрессируют кератин 5 и кератин 14 [27–29], однако они «отрицательны» для нейрональных маркеров [29]. Горизонтальные базальные клетки также экспрессируют α-галактозу или α-N-ацетил галактозамин. Помимо этого, HBCs маркируются двумя дифференциальными антителами к рецепторам эпителиального ростового фактора EGF [24]. Эти характеристики также присущи базальным клеткам респираторного эпителия.

Шаровидные базальные клетки (GBC) лежат непосредственно выше слоя HBC, имеют круглую или овальную форму, более светлый и меньший, чем у HBCs, цитоплазматический матрикс [9]. По сравнению с горизонтальными базальными клетками, у них меньше тонофиламентов, значительное количество гранулярного эндоплазматического ретикулума и заметный комплекс Гольджи [30].

GBCs, напротив, обладают высокой скоростью пролиферации, о чем свидетельствует то, что подавляющее большинство взрослых клеток этой популяции отмечены включением аналогов тимидина [10, 31, 32]. Популяция шаровидных базальных клеток помимо мультипотентных прогениторов (GBCmpp) и временно амплифицирующихся клеток GBCta (transient amplifying cell – дочерние клетки, вступившие на путь дифференцировки, делящиеся более часто, чем стволовые, но обладаюшие ограниченным пролиферативным потенциалом [33]) содержит подкласс непосредственных нейрональных предшественников (GBCinp) [10]. Митотически активными являются только два первых подкласса клеток, тогда как GBCinp рассматриваются как постмитотические клетки.

До недавнего времени шаровидные базальные клетки определяли по отсутствию окрашивания другими маркерами, а также включением митотических индикаторов (последнее справедливо и для HBCs) [28, 30]. Однако в 1996 году были получены моноклональные антитела, которые действуют с GBCs обонятельного эпителия крыс [34]. Помимо общих маркеров GBC, например, моноклональных антител GBC-2, не существует специфических маркеров для идентификации подклассов этих мультипотентных прогениторов.

Эксперименты с меченым аналогом тимидина [9, 31] выявили наличие в популяции GBCs прямых предшественников нейронов ORN, что в дальнейшем было подтверждено иммунохимически наличием в ней клеток, положительных для ранних маркеров дифференцировки нейронов, таких как Mash1 и Neurogenin1 [35, 36]. Результаты исследований нейрогенеза in vitro также подтвердили, что некоторые GBCs являются непосредственными предшественниками нейронов [27]. Ретровирусное исследование клеточных линий показало, что ORNs происходят из GBCs, но не из HBCs, что привело к модели, считающей, что стволовые клетки, порождающие ORNs, проживают в популяции GBC, и что HBCs находятся за пределами происхождения ORN [37, 38]. Согласно данной модели, GBCs являются только совершенными нейронными предшественниками [39], а поддерживающие клетки, клетки Боуменовых желез и протоков, HBCs возобновляют сами себя.

Однако недавние исследования, проведенные C. Leung и cоавт. (2007) на мышах, показали, что HBCs могут регенерировать как в нейрональные, так и в не нейрональные клетки после продолжительного повреждения обонятельного эпителия под действием токсичных для обоняния реагентов [40]. Тем не менее, у интактных мышей HBCs остаются в значительной степени в бездействии, и избирательное разрушение зрелых ORNs при обонятельной бульбэктомии не влияет на поведение HBCs. Таким образом, было высказано предположение, что в нормальных условиях онтогенеза нейронов, а также после избирательной гибели нейронов, GBC прогениторы являются достаточными для регенерации обонятельного эпителия, и только в случае более значительного повреждения HBCs становятся активными и восстанавливают обонятельный эпителий [40]. Эти выводы, однако, подняли вопрос, являются ли эти регенеративные возможности HBCs нормальным физиологическим процессом или, скорее, аномальной дифференцировкой [15].

В работе N. Iwai с соавт. (2008) была продемонстрирована способность HBCs давать начало всем типам клеток – нейрональным и не нейрональным – во взрослом обонятельном эпителии [41]. Более того, наличие клеток, полученных из HBC во взрослом состоянии и создание крупных кластеров из HBCs при истощении зрелых ORN, подтверждает наличие долгоживущих мультипотентных прогениторов в популяции HBC, которые поддерживают в нормальном состоянии обонятельный эпителий как в норме, так при его восстановлении после травмы. Данные, полученные группой исследователей [41], отличались от результатов С.К. Leung et al. [40], которые наблюдали кластеры полученных из HBC нейронов и не нейрональных клеток только после обширной травмы и разрушении поддерживающих клеток, ORNs и большинства GBCs. Вероятно, это расхождение связано с разницей используемых экспериментальных систем маркирования клеток. Leung et al. использовали тамоксифен-индуцируемую Creактивацию системы, в результате одновременно маркировалось только около 10% всех HBCs [40]. N. Iwai [41], с другой стороны, использовали конститутивную активность Cre-системы (Cre reporter activity), которая позволила одновременно оценить примерно 70% HBCs.

Поскольку подавляющее большинство клеток, полученных из HBC, были нейрональными, N. Iwai с соавт. [41] высказали предположение, что и в нормальном, и в травмированном обонятельном эпителии основным направлением деятельности HBCs является производство GBCs и, в конечном итоге, ORNs.

HBCs не являются единственным источником мультипотентных прогениторов в обонятельном эпителии. Ряд исследований полагают, что мультипотентные прогениторы популяции GBCs после повреждения тканей, могут генерировать как нейрональные, так и не нейрональные клетки [42–44]. Кроме того, следует учитывать, что HBCs не наблюдаются до конца эмбриогенеза [24, 45, 46], тогда как GBCs присутствуют уже на 10 день эмбриогенеза [47], предполагая, что HBCs могут образовываться из GBCs в эмбриональном обонятельном эпителии.

Таким образом, во взрослом обонятельном эпителии HBCs и GBCs содержат группы мультипотентных прогениторов, имеющих аналогичные возможности, но преимущественно функционирующие в различных условиях. В нормальном обонятельном эпителии с устойчивым спросом на новые нейроны главной рабочей силой по поддержанию обонятельного эпителия являются мультипотентные GBCs, в то время как мультипотентные HBCs играют вспомогательную роль. Однако при повреждении эпителия, мультипотентные HBCs становятся наиболее важными для улучшения регенерации эпителия (рис. 2).

Кроме того, в недавно опубликованной работе M. Tome с соавторами (2008) были выявлены факты о существовании мезенхимо-подобных стволовых/ прогениторных клеток в слизистой обонятельной оболочке [48]. При культивировании их в условиях, стимулирующих пролиферацию нейральных стволовых клеток, авторами было показано образование первичных сфер двух типов: сферических, сформированных из круглых клеток и похожих на нейросферы ЦНС (ОМ-1) и меньших по размеру плотных сфероидоподобных (ОМ-2), более гетерогенных морфологически с хорошо определяемым светлофазовым периметром. ОМ-1 включают мультипотентные клетки с характеристиками, похожими на мезенхимальные стволовые клетки (MSC-like) и происходят из базальной пластинки. Авторы продемонстрировали, что в гетерогенетическом антигенном фенотипе ОМ-1 сфер есть пролиферирующие клетки, которые обладают мультипотенциальными характеристиками. Они походили на мезенхимоподобные стволовые/прогениторные клетки, так как экспрессировали маркеры, специфичные для мезенхимы (Stro-1, CD90, и CD105), и в соответствующих культуральных условиях дифференцировались в три различных мезенхимальных линии. Клетки в сферах также экспрессировали нестин, (PSA-NCAM and Tuj-1) и маркеры глии периферической нервной системы (p75NTR и GFAP). По мнению Mersedes Tome с соавторами (2008) [48] экспрессия различных нейральных маркеров может показывать наличие мультипотентных прогениторных клеток с более высокой потентностью в ОМ-1 сферах, которые могут дифференцироваться в мезенхимоподобные стволовые/прогениторные клетки, а также нейральные линии. Эта возможность основана на возникновении прогениторов в нервном гребне, которые мигрируют в разные регионы в течение эмбриогенеза и дифференциации в нейроэктодермальные дериваты. Более того, фронтоназальная мезенхима (будущая базальная пластинка), прилегающая к обонятельному плакоидному эпителию, первично образовалась из клеток краниального нервного гребня [49].

Сферы второго типа ОМ-2 были цитокератинпозитивными с редким включением Tuj-1- и нестинпозитивных клеток. По предположению авторов, ОМ-2 сферы образуются из популяции пролиферирующих клеточных ядерноантиген-позитивных и нестин-позитивных прогениторов эмбрионального обонятельного эпителия [48]. Они также экспрессируют цитокератин и нестин и локализуются в ОЕ на базальной и апикальной поверхности.

Результаты M. Tome с соавт. (2008) показывают, что обонятельная слизистая оболочка включает новый ресурс мультипотентных клеток, не эпителиальных по происхождению. Авторы предполагают, что идентификация неэпителиальных мультипотентных клеток в обонятельной слизистой оболочке может объяснить различные сообщения о возможности дифференцировки обонятельных стволовых клеток in vitro и in vivo и проиллюстрировать клеточный состав этой ткани как потенциальный ресурс для трансплантации.

Однако, учитывая сообщения о том, что эмбриональный обонятельный эпителий лишен горизонтальных базальных клеток [24, 45, 46, 50], а большая часть работы была проведена на 15-дневных эмбрионах (E15) [48], можно предположить, что в обонятельной слизистой оболочке взрослых организмов имеет место иной, нежели в эмбриогенезе, набор стволовых и прогениторных клеток.

Нейрогенез мультипотентных прогениторов обонятельного эпителия in vitro и in vivo

При воспроизведении in vitro нейрогенеза из частично очищенных культур прогениторов обонятельного эпителия взрослых крыс [51] (культивирование в бессывороточной среде, содержащей эпидермальный ростовой фактор (epidermal growth factor- EGF)) по истечении 5 дней иммунохимический анализ выявил в культуре наличие только поддерживающих клеток (SUS1-положительных) и горизонтальных базальных клеток (кератин-положительных). Образовавшиеся в процессе дифференцировки биполярные клетки являлись либо незрелыми нейронами (MAP-5+), либо зрелыми обонятельными нейронами (положительными по MAP-5 и OMP-белку).Эти результаты свидетельствуют, что обонятельные сенсорные нейроны могут возникать из кератинположительных горизонтальных базальных клеток. Однако в зависимости от воздействия окружающей среды прогениторы обонятельного эпителия, полученные из нейросфер (neurosphere forming cells – NSFCs), in vitro имеют потенциал для дифференцировки как в нейрональном, так и в глиальном направлении [14]. Так, они могут быть доведены до дифференцировки в олигодендроциты включением транскрипционных факторов [52]. Более того, используя различные комбинации биологически активных веществ в ростовой среде, можно получить нейроны различного типа. Наиболее перспективными агентами в настоящее время считают ретиноевую кислоту, форсколин и белок Sonic Hedgehog.

Ретиноевая кислота регулирует дифференцировку нейронов в развивающейся нервной системе [53], в эмбриональных стволовых клетках [54], и взрослых нейральных прогениторах [55]. Белок Sonic Hedgehog играет ключевую роль в генерации вентральных нейронов, в частности мотонейронов [56] и дофаминэргических нейронов [57]. Недавно было показано, что астроциты в нейрогенных областях мозга, субгранулярной и субвентрикулярной зонах гиппокампа взрослых мышей выделяют этот белок, который стимулирует взрослые нейрональные прогениторы заново входить в клеточный цикл и генерировать новые нейроны in vivo и in vitro [58]. Форсколин обладает способностью повышать клеточный уровень цАМФ, что важно для удлинения аксонов [59, 60].

В работе X. Zhang с соавт. (2006) сочетанием воздействия этих веществ были получены клетки NSFCs обонятельного эпителия, экспрессирующие тирозингидроксилазу (дофаминэргический нейрональный специфический антиген, фермент, лимитирующий скорость синтеза дофамина) [61]. Однако, в отличие от нейрональной дифференцировки эмбриональных стволовых клеток, форсколин или Sonic Hedgehog сами по себе не могли вызвать эти ответы в NSFCs. Одна ретиноевая кислота также не могла индуцировать экспрессию тирозингидроксилазы. Напротив, обработка клеток ретиноевой кислотой с форсколином или ретиноевой кислотой с белком Sonic Hedgehog приводила к увеличению числа клеток нейросфер, полученных из культур взрослого обонятельного эпителия, экспрессировавших транскрипционный фактор мотонейронов или тирозингидроксилазу, как индикатор продукции дофамина, и демонстрирующих образование нейритов.

Способность прогениторов обонятельного эпителия генерировать различного вида нейроны была показана и в условиях in vivo [62]. Суспензию клеток обонятельного эпителия крысы, очищенную от зрелых и незрелых нейронов, трансплантировали в развивающийся мозг (мозжечок, полосатое тело, нижний холмик четверохолмия, боковые желудочки) E15 эмбрионов. Пересаженные клетки или их потомки присутствовали в центральной нервной системе более чем через месяц после трансплантации. Они или были интегрированы в виде отдельных клеток, или в первый день после трансплантации реагрегировали в кластеры. Отдельные клетки дифференцировались в нейроны или глиальные клетки с фенотипом, присущим месту их локализации. Клетки в кластерах, образованных обонятельным эпителием, содержали зрелые обонятельные нейроны. Проведенные исследования показали, что клетки при трансплантации в мозг плода крыс могут либо полностью изменить свою судьбу и дифференцироваться в зависимости от места их локализации, или генерировать обонятельный эпителий, если они реагрегированы в большие кластеры [62].

Проведенный анализ литературных данных показал способность нейральных клеток взрослого обонятельного эпителия дифференцироваться в нейрональном и глиальном направлении. В зависимости от условий культивирования возможно получение из них нейронов различного типа, в том числе дофаминэргических и мотонейронов. Все это делает прогениторы обонятельного эпителия уникальным источником аутологичных нейральных клеток для трансплантации при нейродегенеративных заболеваниях и травмах спинного мозга. Наряду с этим, существует некоторая неоднозначность в оценке как клеток-претендентов на роль мультипотентных прогениторов во взрослой обонятельной слизистой оболочке, так и их взаимосвязи друг с другом в процессах регенерации. Таким образом, изучение роли базальных клеток обонятельного эпителия в нейрогенезе остается одной из актуальных проблем нейротрансплантологии.

Подняться вверх сайта