Стволовые клетки и развитие мозга

       Кора головного мозга млекопитающих представляет собой уникальную и сложную структуру, состоящую из различных типов нервных клеток, организованных в нейронные сети. Несмотря на свою сложность, кора головного мозга происходит из простого зачатка, состоящего из поляризованного слоя псевдостратифицированных эпителиальных клеток, нервного эпителия. Механизмы, контролирующие развитие коры головного мозга, представляют большой интерес для нейробиологов и интенсивно изучаются в последние десятилетия. Расшифровка ключевых аспектов развития коры головного мозга человека  позволит разработать новые терапевтические подходы для профилактики и лечения  заболеваний головного мозга. Несмотря на основные сходства между развитием коры головного мозга у разных видов, неокортекс человека обладает некоторыми ключевыми и уникальными клеточными и молекулярными характеристиками, которые не могут быть объяснены  классическими моделями животных, включая расширенную внешнюю желудочковую зону (OSVZ), специфических предшественников и увеличенное количество нейронов.

         Значительный прогресс был достигнут в направлении расшифровки механизмов, контролирующих генерацию коры головного мозга человека, с использованием эмбриональных тканей от абортированных плодов. Однако,  при использовании тканей, полученных из плода, возникает много проблем, включая трудности с доступностью и этические проблемы.  Следовательно, широкое применение тканей плода человека для исследований довольно ограничено. Появление плюрипотентных стволовых клеток человека, эмбриональных стволовых клеток и индуцированных плюрипотентных клеток открыло новые возможности для изучения органогенеза.  Плюрипотентные клетки полезны для изучения процессов развития, а также механизма заболевания и для скрининга лекарств.

Развитие коры головного мозга

          Кора головного мозга организована в слои, образующие изокортекс. Ламинарная цитоархитектура коры головного мозга сохраняется у млекопитающих. Шесть разных слоев (слой I-VI) содержат разные подтипы нейронов с определенными функциями, связями и экспрессией генов. Типы нейронов можно просто разделить на глутаматергические возбуждающие проекционные нейроны, которые передают информацию на большие расстояния, и гамк-ингибирующие интернейроны, которые модулируют локальный поток информации. Однако в рамках этой основной сегрегации нейроны делятся на подтипы. Например, глубокие корковые слои (VI и V) содержат в основном TBR1 + и CTIP2 +проекционные кортикальные нейроны и субкортикальные проекционные нейроны, которые проецируют и переносят информацию из коры головного мозга в подкорковые структуры, включая таламус. Более поверхностные слои (IV-II) содержат нейроны каллозальной проекции SATB2 + , CUX1 + , BRN2 +, которые проецируются в контралатеральные области мозга, передавая информацию из одного полушария мозга в другое.

            Во время развития коры человека нейроны в коре головного мозга генерируются последовательно в обратном порядке, как бы "наизнанку"   из стволовых клеток и предшественников, находящихся в желудочковой зоне (VZ) и субвентрикулярной зоне (SVZ) нервной трубки. У людей и других приматов субвентрикулярная зона расширена и разделена на внутреннюю субвентрикулярную зону (ISVZ) и внешнюю субвентрикулярную зону (OSVZ).

           Во время развития возбуждающие нейроны вырабатываются в ламинарном порядке изнутри наружу из нейральных стволовых клеток и предшественников, которые находятся в пролиферативных зонах, желудочковой зоне (VZ) и субвентрикулярной зоне (SVZ) дорсальной части конечного отдела (мозга)  нервной трубки. Нейроны глубокого слоя генерируются на ранних стадиях нейрогенеза, в то время как поздние нейроны заселяют верхние слои. И наоборот, интернейроны генерируются из предшественников вентрального конечного мозга и мигрируют в формирующуюся кору головного мозга. Астроциты и олигодендроциты продуцируются в конце эмбриогенеза и после рождения как из дорсальной, так и из вентральной части конечного мозга.

          На раннем этапе развития коры нейроэпителиальные (NE) клетки образуют стенки нервной трубки. Когда начинается нейрогенез, NE VZ трансформируются в радиальные глиальные клетки, которые становятся основными корковыми предшественниками в VZ. Посредством симметричного и асимметричного деления клеток радиальная глия расширяет пул предшественников и генерирует нейроны. В ходе кортикального нейрогенеза радиальная глия генерирует промежуточные популяции предшественников, которые расширяют пул предшественников. Продолжительность  кортикального нейрогенеза различна у разных видов. У людей корковый нейрогенез затягивается, начиная с5  недели беременности (GW)  и заканчивая около 30 недели беременности (GW).

          У людей и других приматов SVZ значительно расширен по сравнению с грызунами и становится основным источником предшественников корковых нейронов. SVZ человека настолько велик, что он разделен на две области: внутреннюю субвентрикулярную зону (ISVZ) и внешнюю субвентрикулярную зону (OSVZ) и содержит дополнительные типы нервных клеток-предшественников - внешние радиальные глиальные клетки (ORG). Расширенные пулы предшественников и их расширенные фазы пролиферации способствуют увеличению числа нейронов и последующему складыванию и гирификации коры головного мозга приматов .

           Плюрипотентные стволовые клетки

          В течение десятилетий плюрипотентные стволовые клетки были доступны у мышей и были основной движущей силой для изучения функции генов с помощью нокаута. Плюрипотентные клетки могут генерировать все типы клеток эмбриона. Однако,  у других видов выделение плюрипотентных клеток было проблемой.

          В 1998 году первые эмбриональные стволовые клетки ( ESC)  были получены из внутренней клеточной массы раннего человеческого эмбриона, что открыло путь для создания специализированных человеческих клеток и тканей в лаборатории и анализа механизмов, контролирующих раннее развитие человека. Благодаря своей высокой активности теломеразы, ESC способны делиться неограниченное время и, следовательно, представляют собой неограниченный источник человеческих клеток.  Однако?  при использовании эмбриональных стволовых клеток  человека возникают серьезные проблемы, и не в последнюю очередь этические проблемы, поскольку клетки изолированы от эмбрионов человека.  В 2007 году была разработана технология генерации так называемых индуцированных плюрипотентных стволовых клеток из фибробластов кожи человека.

         Принудительная экспрессия комбинации четырех транскрипционных факторов (Oct3 / 4, Sox2, Klf4, c-Myc) возвращает соматические клетки человека обратно в их развитие к ESC-подобному состоянию. Эти четыре фактора транскрипции играют фундаментальную роль в поддержании характеристик плюрипотентных стволовых клеток, подавляя гены, необходимые для дифференцировки, и активируя гены, способствующие плюрипотентному состоянию.  Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки  также способны обновляться и предположительно дифференцироваться на все типы клеток организма. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки  имеют сходную экспрессию генов, активность теломеразы и эпигенетический статус генов плюрипотентности с эмбриональных стволовых клеток.

            Технология плюрипотентных клеток значительно расширила возможности фундаментальных исследований в области биологии человека, регенеративной медицины, моделирования заболеваний, открытия лекарств и терапии на основе стволовых клеток. Кроме того, технология iPSC позволяет генерировать у пациентов типы клеток, соответствующие заболеванию, и их можно применять для изучения этиологии и патологического механизма заболевания.