Studie myší transplantuje neurony k obnově mozkových obvodů
Spolupracovníci ze čtyř institucí - Harvard University, Massachusetts General Hospital, Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) a Harvard Medical School (HMS) - transplantovali normálně fungující embryonální neurony v pečlivě vybrané fázi jejich vývoje do hypotalamu myší, které nejsou schopné reagovat na leptin, hormon, který reguluje metabolismus a reguluje tělesnou hmotnost.
Tyto mutantní myši se obvykle stávají morbidně obézní, ale neuronové transplantáty opravily poškozené mozkové okruhy, což jim umožnilo reagovat na leptin a přibírat mnohem méně na váze.
Oprava na buněčné úrovni hypotalamu - kritické a komplexní oblasti mozku, která reguluje jevy, jako je hlad, metabolismus, tělesná teplota a základní chování, jako je sex a agresivita - naznačuje možnost nových terapeutických přístupů k podmínkám, jako je míšní poranění šňůry, autismus, epilepsie, ALS (Lou Gehrigova choroba), Parkinsonova choroba a Huntingtonova choroba, uvedli vědci.
"Existují pouze dvě oblasti mozku, o nichž je známo, že v dospělosti normálně procházejí rozsáhlou neuronální náhradou na buněčné úrovni - takzvaná 'neurogeneze' nebo zrod nových neuronů - čichová žárovka a podoblast hipokampu s názvem dentate gyrus, s objevujícími se důkazy o nižší úrovni probíhající neurogeneze v hypotalamu, “řekl Jeffrey Macklis, MD, profesor kmenových buněk a regenerativní biologie na Harvardově univerzitě.
"Neurony, které se přidávají během dospělosti v obou oblastech, jsou obecně malé a předpokládá se, že fungují trochu jako ovládání hlasitosti specifické signalizace." Zde jsme zapojili systém vysoké úrovně mozkových obvodů, který přirozeně nezažije neurogenezi, a to obnovilo v podstatě normální funkci. “
Dalšími dvěma autory jsou Jeffrey Flier, děkan Harvardské lékařské fakulty, a Matthew Anderson, profesor patologie HMS na Beth Israel.
V roce 2005 Flier publikoval studii, která ukazuje, že experimentální lék urychlil přidání nových neuronů do hypotalamu a nabídl potenciální léčbu obezity.
Ale zatímco nález byl zarážející, vědci si nebyli jisti, zda nové buňky fungují jako přírodní neurony.
Macklisova laboratoř vyvinula přístupy k transplantaci vývojových neuronů do obvodů mozkové kůry myší s neurodegenerací nebo neuronálním poškozením. Ve studii z roku 2000 vědci prokázali indukci neurogeneze v mozkové kůře dospělých myší, kde se normálně nevyskytuje. Zatímco se zdálo, že tyto a následné experimenty anatomicky obnovují mozkové obvody, úroveň funkce nových neuronů zůstávala nejistá.
Chcete-li se dozvědět více, Flier, odborník na biologii obezity, se spojil s Macklisem, odborníkem na vývoj a opravy centrálního nervového systému, a Andersonem, odborníkem na neuronální obvody a modely neurologických onemocnění myší.
Vědci použili myší model, u kterého mozek postrádá schopnost reagovat na leptin. Flier a jeho laboratoř dlouho studovali tento hormon, který je zprostředkován hypotalamem. Hluché k signalizaci leptinu tyto myši nebezpečně obézní.
Předchozí výzkum naznačoval, že čtyři hlavní třídy neuronů umožnily mozku zpracovat leptinovou signalizaci. Vědci transplantovali a studovali buněčný vývoj a integraci progenitorových buněk a velmi nezralých neuronů z normálních embryí do hypotalamu mutovaných myší pomocí různých typů buněčné a molekulární analýzy.
K umístění transplantovaných buněk do přesně správné oblasti hypotalamu použili techniku zvanou ultrazvuková mikroskopie s vysokým rozlišením a vytvořili to, co Macklis nazýval „chimérický hypotalamus“ - jako zvířata se smíšenými rysy z řecké mytologie.
Vědci poté provedli hloubkovou elektrofyziologickou analýzu transplantovaných neuronů a jejich funkcí v obvodech příjemce, přičemž využili výhody neuronů zářících zeleně od fluorescenčního medúzního proteinu neseného jako marker.
Tyto rodící se neurony přežily transplantační proces a strukturálně, molekulárně a elektrofyziologicky se vyvinuly do čtyř typů neuronů centrálních pro leptinovou signalizaci. Nové neurony se funkčně integrovaly do obvodů a reagovaly na leptin, inzulín a glukózu. Ošetřené myši dospěly a vážily přibližně o 30 procent méně než jejich neošetřené sourozenci nebo sourozenci ošetřovaní různými alternativními způsoby.
Vědci poté zkoumali, do jaké míry se tyto nové neurony zapojily do obvodů mozku pomocí molekulárních testů, elektronové mikroskopie pro vizualizaci detailů obvodů a elektrofyziologie patch-clamp, což je technika, při které vědci používají malé elektrody ke zkoumání charakteristik jednotlivé neurony a páry neuronů v detailech. Protože nové buňky byly značeny fluorescenčními značkami, mohli je vědci snadno lokalizovat.
Vědci zjistili, že nově vyvinuté neurony komunikovaly s neurony příjemce prostřednictvím normálních synaptických kontaktů a že mozek zase signalizoval zpět. V reakci na leptin, inzulín a glukózu se tyto neurony účinně připojily k mozkové síti a znovu zapojily poškozené obvody.
"Je zajímavé poznamenat, že tyto embryonální neurony byly zapojeny s menší přesností, než by si člověk myslel," řekl Flier. "Ale zdálo se, že to nevadí." V jistém smyslu jsou tyto neurony jako antény, které okamžitě dokázaly zachytit signál leptinu. Z hlediska energetické rovnováhy jsem dospěl k závěru, že relativně malý počet geneticky normálních neuronů může tak účinně opravit obvody. “
"Zjištění, že tyto embryonální buňky jsou tak účinné při integraci s nativními neuronovými obvody, nás docela vzrušuje nad možností použití podobných technik na další neurologická a psychiatrická onemocnění, která jsou pro naši laboratoř obzvláště zajímavá," řekl Anderson.
Vědci nazývají svá zjištění důkazem konceptu pro širší myšlenku, že nové neurony se mohou specificky integrovat a modifikovat složité obvody, které jsou v mozku savců defektní.
"Dalším krokem pro nás je klást paralelní otázky na jiné části mozku a míchy, osoby zapojené do ALS a poranění míchy," řekl Macklis. "V těchto případech můžeme znovu vybudovat obvody v mozku savců?" Mám podezření, že můžeme. “
Nová studie byla zveřejněna v časopise Věda.
Zdroj: Harvardská univerzita
