Плюрипотентные стволовые клетки в психиатрии

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.

Расстройства аутистического спектра (РАС)

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

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

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

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.

Возможности для использования иПСК в будущем

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).