Применение стволовых клеток при гипоксически-ишемическом повреждении головного мозга новорожденных

Потенциал использования стволовых клеток (СК) для лечения повреждений головного мозга у детей весьма велик. Об этом свидетельствуют успехи научных лабораторий, проводивших исследования новых типов клеток, а также сообщения от родителей, чьи дети получили подобное лечение. В данном обзоре рассматривается острое гипоксически-ишемическое повреждение (ГИП) головного мозга новорожденных, которое возникает, как правило, в результате прекращения кровоснабжения ребенка во время родов. В большинстве экспериментальных моделей для оценки возможных эффектов стволовых клеток имитируют повреждения при гипоксии и ишемии у новорожденных животных. Главными задачами таких исследований являются: выбор и определение преимуществ различных типов потенциально доступных стволовых клеток, изучение процессов эндогенной регенерации, происходящих в мозге после повреждения, определение оптимальных сроков лечения, что в комплексе ложится в основу клинических испытаний [1].

ТИПЫ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК

Стволовые клетки отличаются способностью к асимметричному делению, обеспечивая поддержание двух линий клеток – подобных себе стволовых и более зрелых. Стволовые клетки, как правило, разделяют на взрослые и эмбриональные, но благодаря исследованиям последних лет такое распределение несколько нивелировалось.

Так называемые взрослые СК уже получили определенную степень дифференциации. Они обнаруживаются во многих тканях, особенно много их в костном мозге. Такие СК обладают способностью образовывать клетки с фенотипическими характеристиками, которые не присущи исходной ткани.

Среди взрослых СК костного мозга выделяют гемопоэтические предшественники и мезенхимальные стволовые клетки (МСК). МСК отличают от гемопоэтических клеток по способности к адгезии на поверхности культуральной посуды. Поверхностный фенотип МСК характеризуется наличием маркеров СD73, СD90 и СD105, при этом они являются отрицательными по маркерам СD45 и СD34. На сегодня предложено много вариантов направленного дифференцирования МСК в нейрональные клетки. В многочисленных экспериментах использовалась хорошо охарактеризованная популяция таких клеток, известная как мультипотентные взрослые прогениторы [2].

Другим интересным источником МСК, в дополнение к костному мозгу, может быть пульпа молочных зубов. Yamagataetal. сообщили, что взрослые стволовые клетки, присутствующие в пульпе зубов, обладают нейропротекторным действием при экспериментальной травме головного мозга у мышей [3]. Таким образом, очевидно, что многие типы тканей в большей или меньшей степени содержат разнообразные стволовые клетки.

Нейральные стволовые клетки являются взрослыми СК, полученными из головного мозга. Они предложены в качестве терапевтического агента с высоким восстановительным потенциалом при неонатальной мозговой травме [4]. Нейральные СК находятся в субгранулярной зоне зубчатой извилины и в субвентрикулярной зоне. Как правило, эти клетки получают из мозга плодов, которые умерли еще до рождения в результате спонтанного или искусственного прерывания беременности. Так как получить их можно только после аборта, при использовании таких клеток возникает существенная этическая проблема. Точно не известно, как часто эти клетки используются в клинических или экспериментальных исследованиях. Кроме того, современные достижения в области биологии стволовых клеток могут свести к минимуму потребность в них.

Как промежуточное звено между взрослыми и эмбриональными СК из соматических клеток, в частности, фибробластов кожи, были получены индуцированные плюрипотентные стволовые клетки [5]. Они обладают таким же потенциалом, как эмбриональные СК. Биологическое преимущество этих клеток заключается в высокой мультипотентности относительно типов тканей, в которые они могут дифференцироваться.

Значительные достижения в области применения стволовых клеток, как и раньше, требуют фундаментальных исследований. Мы должны знать больше о биологии стволовых клеток, нужно получить больше данных о долгосрочном туморогенном потенциале различных типов СК. В дополнение к теоретическим знаниям в этой области практика тоже является крайне необходимой для будущих широких клинических исследований.

ПОТЕНЦИАЛ ЭНДОГЕННОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ТКАНИ ГОЛОВНОГО МОЗГА

Головной мозг действительно имеет определенную способность к регенерации после травмы, однако эти возможности существенно ограничены. Регенеративный потенциал головного мозга изучен достаточно подробно, и участки нейрогенеза четко установлены. При повреждении происходит активация нейрогенеза в субвентрикулярной зоне с миграцией клеток в гиппокамп вдоль перивентрикулярной зоны. На нашей модели повреждения у животных мы нашли новые нейроны в зубчатой извилине [6]. При этом первыми появляются микроглиальные или эндотелиальные клетки. Участками с наибольшим количеством новых нейронов являются субвентрикулярная зона, зубчатая извилина и зона СА1 гиппокампа .

Однако связь между этим феноменом и клиническим улучшением, которое происходит после травмы, неизвестна. Наш клинический опыт подтверждает, что повреждения головного мозга различного типа являются перманентными. Несомненно, что новые клетки оказывают благотворное воздействие, но этого недостаточно для восстановления. Усиление процессов эндогенной регенерации может происходить за счет секреторных факторов стволовых клеток, которые способствуют выживанию большего количества нейронов [7].

ДОКЛИНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

В табл. 1 представлен ряд доклинических экспериментов, демонстрирующих успехи трансплантации различных типов стволовых клеток при моделировании острого повреждения головного мозга у новорожденных животных. Практически во всех этих исследованиях использовали стандартную модель гипоксически-ишемического повреждения путем лигирования одной сонной артерии с последующим периодом гипоксии [8].

Таблица 1. Доклинические эксперименты по клеточной терапии гипоксически-ишемического повреждения головного мозга на новорожденных животных

В таблице представлены не все описанные в литературе многочисленные эксперименты, однако тенденции являются общими для таких сообщений. Все вышеупомянутые публикации касаются острого повреждения с коротким промежутком между моделированием и применением различных вариантов МСК. Интересно, что путь введения не имеет значения: даже при назальном введении клетки могут оставаться жизнеспособными [9, 18].

В неопубликованной работе мы использовали индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человеческого происхождения, трансформированные в нейрональные прогениторы; их вводили в гиппокамп новорожденных животных через 8 дней после моделирования ГИП. Было продемонстрировано улучшение поведенческих реакций и повышение выживаемости нейронов.

Главный вывод из этих доклинических экспериментов на животных заключается в том, что лечение взрослыми стволовыми клетками имеет положительные эффекты в случае введения клеток сразу после острого повреждения мозга. Кроме того, клетки могут быть введены различными способами, что тоже будет способствовать клиническому результату.

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ТРАНСПЛАНТИРОВАННЫХ КЛЕТОК

Основная идея относительно перспектив терапии стволовыми клетками предполагает их способность заменить погибшие или поврежденные нейроны [19]. Другая гипотеза говорит о возможном нейропротективном эффекте самих клеток или продуцируемых ими секретов как способе защиты собственных клеток реципиента [20]. Замена клеток, казалось бы, является идеальным механизмом в данной ситуации. Тем не менее лишь небольшое количество трансплантированных клеток выживает, а большинство из них не дифференцируется в нейроны [15, 21]. Трансплантированные клетки, которые выжили, обычно не образуют отростков нейронов, необходимых для нормального функционирования [22].

Более вероятно, что положительные эффекты связаны с улучшением выживания собственных нервных клеток. Концентрация некоторых ростовых факторов, таких как фактор роста нервов и нейротрофический фактор головного мозга, после введения МСК повышается. Yamagataetal. продемонстрировали, что стволовые клетки из молочных зубов подавляли экспрессию провоспалительных и стимулировали экспрессию противовоспалительных цитокинов, уменьшали апоптоз, что в комплексе способствовало улучшению выживания эндогенных клеток [3]. Этот процесс может быть опосредован регулированием экспрессии генов нейронов [23]. В другом эксперименте микрочиповый анализ подтвердил стимуляцию генов, участвующих в нейрогенезе и нейротрофических процессах [24].

Некоторые другие механизмы, вероятно, тоже играют определенную роль. Клетки пуповины человека могут уменьшить гибель клеток в поврежденном мозге новорожденного путем ослабления реактивного глиоза [25]. Ранее мы уже рассматривали процесс регенерации сосудов при остром повреждении мозга [19]. Несколько групп исследователей показали, что инъекции стволовых клеток уменьшают высвобождение провоспалительных клеток из селезенки [26, 27]. Считается, что именно эти клетки из селезенки играют ведущую разрушительную роль в реализации деструктивных процессов в поврежденном мозге. Наконец, было сообщено, что МСК способствуют перестройке сетей кортикальных нейронов [28].

КЛИНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

На сегодняшний день в литературе имеется мало данных, посвященных клиническому использованию стволовых клеток при остром повреждении головного мозга. Есть сообщения о шести детях, пролеченных в Китае. Один ребенок отравился угарным газом, еще у одного была тяжелая гипогликемия, а четыре других перенесли тяжелую неонатальную асфиксию. Детям была выполнена трансплантация нейральных клеток-предшественников в промежутке от 4 до 20 дней после повреждения мозга. Клетки были получены из 12-недельного плода после спонтанного аборта и введены в боковые желудочки. Авторы сообщают об улучшении состояния всех пациентов на второй день после трансплантации, а четыре пациента достигли нормального уровня развития. Ни о каких осложнениях не сообщалось [29].

В другом сообщении в Китае ребенку с тяжелой энцефалопатией, вызванной ГИП, в боковой желудочек ввели такой же тип нейральных предшественников. Пациент достиг нормального уровня развития через 28 дней после трансплантации [30].

Известно о текущем исследовании в США, в DukeUniversity, направленном на определение возможных перспектив лечения стволовыми клетками острого повреждения головного мозга у новорожденного (клиническое исследование ID NCT00593242). В качестве источника стволовых клеток выступает аутологичная пуповинная кровь.

БУДУЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

С учетом очевидного потенциала клеточной терапии пуповинной крови при остром повреждении головного мозга требуется дальнейшее объединение двух направлений исследований. Во-первых, больше внимания должно быть уделено вопросам биологии стволовых клеток на фундаментальном уровне. Хотя мы уже много знаем о различных типах стволовых клеток, неизвестно, какие из них имеют наибольший терапевтический потенциал при ишемии мозга – мезенхимальные или гемопоэтические. Необходимо провести тщательный анализ поведенческих и гистологических результатов.

Выводы

Регенеративная терапия стволовыми клетками пуповинной крови открывает большие перспективы в лечении острых повреждений головного мозга у новорожденных, в том числе и гипоксически-ишемических поражений. Доклинические и клинические исследования указывают на успехи в этом направлении. Механизм позитивного действия клеток состоит, скорее всего, в нейротрофических и нейропротекторных эффектах, а не в замене нейронов. Поэтому требуются глубокие фундаментальные исследования в области биологии стволовых клеток.

Необходимо также провести правильно спланированные клинические исследования. Одним из очевидных вариантов выбора стволовых клеток, с учетом высокого уровня безопасности, являются аутологичные клетки пуповинной крови. Учитывая тот факт, что проводить регенеративную терапию стволовыми клетками нужно как можно быстрее после повреждения и родов, надо понимать, что организация и проведение таких исследований будут достаточно сложными и затратными.

Литература

1. Carroll J., Borlongan C. Adult Stem Cell Therapy for Acute Brain Injury in Children // CNS & Neurological Disorders. – Drug Targets. – 2008. – 7. – P. 1–8.
2. Keene C., Ortiz-Gonzalez X., Jiang Y. et at. Neural differentiation and incorporation of bone marrow-derived multipotent adult progenitor cells after single cell transplantation into blastocyst mouse embryos // Cell Transplantation. – 2003. –12. – P. 201–213.
3. Yamagata M., Yamamoto A., Kako E. et at. Human dental pulp-derived stern cells protect against hypoxic-ischemic injury in neonatal mice // Stroke. – 2013. – 44. – P. 551–554.
4. Lee I., Jung K., Kim M., et al. Neural stem cells: properties and therapeutic potentials for hypoxic-ischemic brain injury in newborn infants // Pediatrics International. – 2010. – 52. – P. 855–865.
5. Takahashi K., Yamanaka S. Induced pluripotent stem cells in medicine and biology// Development. – 2013. – 140. – P. 2257–2267.
6. Bartley J., Soltau T., Wimbourne H., et al. BrdU-positive cells in the neonatal mouse hippocampus following hypoxic-ischemic brain injury BMC Neuroscience. – 2005. – 6. – P. 63–74.
7. Donega V, van Velthoven CT, Nijboer CH, et al. The endogenous regenerative capacity of the damaged newborn brain: boosting neurogenesis with mesenchymal stem cell treatment // J. Cerebral Blood Flow & Metabolism.– 2013.– 33. – P. 625–634.
8. Rice J., Vannucci R., Brierly J. The influence of immaturity on hypoxic-ischemic brain damage in the rat // Ann Neurol. – 1981. – 9. – Р.131–141.
9. Donega V., van Velthoven C., Nijboer C., et al. Intranasal mesenchymal stem cell treatment for neonatal brain damage: long-term cognitive and sensorimotor improvement // PLoS ONE. – 2013. – 8. – P. e51253.
10. Rosenblum S., Wang N., Smith T., et al. Timing of intra-arterial neural stem cell transplantation after hypoxia… differentiation // Stroke. – 2012. – 43. – P. 1624–1631.
11. Park S., Koh S. E., Maeng S., et al. Neural progenitors generated from mesenchymal stem cells of first- trimester human placenta matured in the hypoxic-ischemic rat: brain and mediated restoration of locomotor activity // Placenta. – 2011. – 32. – P. 269–276.
12. Lee J., Kim B., Jo C., et al. Mesenchymal stem-cell transplantation for hypoxic-ischemic brain injury in neonatal rat model // Pediatric research. – 2010. – 67. – P. 42–46.
13. De Paula S., Greggio S., Marinowic D., et al. The dose-response effect of acute intravenous umbilical cord blood cells on brain damage and neonatal hypoxia ischemia // Neuroscience. – 2012. – 210. – P. 43–66.
14. Kim E., Ahn S., Im G., et al. Human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cell transplantation attenuates severe brain injury by permanent middle cerebral artery occlusion in newborn rats // Pediatric Research. – 2012. – 72. – P. 277–284.
15. Meier C., Middelanis J., Wasielewski B., et al. Spastic paresis after perinatal brain damage in rats is reduced by human cord blood mononuclear cells // Pediatric Research. – 2006. – 59. – P. 244–249.
16. Yasuhara T., Matsukawa N., Yu G., et al. Transplantation of cryopreserved human bone marrow-derived multipotent adult progenitor cells of neonatal hypoxic-ischemic injury: targeting the hippocampus // Reviews in the Neurosciences. – 2006. – 17. – P. 215–225.
17. Yasuhara T., Hara K., Maki M., et al. intravenous grafts recapitulate the neuronestoration afforded by intracerebrally delivered multipotent adult progenitor cells in neonatal hypoxic-ischemic rats//J. Cerebral Blood Flow and Metabolism. – 2008. – 28. – P. 1804–1810.
18. Van Velthoven C., Kavelaars A., van Bel F., Heijnen C. Nasal administration of stem cells: a promising novel route for ischemic brain damage // Pediatric Research. – 2010. – 68. – P. 419–422.
19. Carroll J. Human cord blood for the hypoxic-ischemic reonate // Pediatric Research. – 2012. – 71. – P. 459–463.
20. Van Velthoven C., Kavelaars A., Heijnen C. Mesenchymal stem cells as a treatment for neonatal ischemia // Pediatric Research. – 2012. – 71. – P. 474–481.
21. Erices A., Conget P., Minguell J. Mesenchymal progenitor cell in human umbilical cord blood // British Journal of Haematology. – 2000. – 109. – P. 235–242.
22. Zhao L., Duan W., Reyes M., et al. Human bone marrow stem cells exhibit neural phenotypes and ameliorate neurological deficits after grafting into the ischemic brain of rats // Experimental Neurology. – 2002. – 174. – P. 11–20.
23. Van Velthoven C., Kavalaars A., van Bel F., et al. Mesenchymal stem cell transplantation changes the gene expression of the neonatal ischemic brain // Brain, Behavior & Immunity. – 2011. – 25. – P. 1342–1348.
24. Daadi M., Davis A., Arac A., et al. Human neural stem cell grafts modify microglial response and enhance axonal sprouting in neonatal hypoxic-ischemic brain injury. – Stroke. – 2010. – 41. – P. 516–523.
25. Wasielewski B., Jensen A., Roth-Harer A., et al. Neuroglial activation and CX43 expression are reduced upon transplantation of human umbilical cord blood cells after perinatal hypoxic-ischemic injury // Brain Research. – 2012.– 1487. – P. 39–53.
26. Borlongan C., Lind J., Dillon-Carter O., et al. Bone marrow grafts restore cerebral blood flow and blood brain barrier in stroke rats // Brain Research. – 2004. – 1010. – P. 108–116.
27. Robinson S., Niu T., de Lima M., et al. Ex vivo expansion of umbilical cord blood // Cytotherapy. – 2005. – 7. – P. 243–250.
28. Van Velthoven C., van de Lootj Y., Kavalaars A., et al. Mesenchymal stem cells restore cortical rewiring after neonatal // Annals of Neurology. – 2012. – 71 – P. 785–796.
29. Luan Z., Liu W., Qu S., et al. Treatment of newborns with severe injured brain with transplantation of human neural precursor cells // Zhonghua Erke Zazhi. — 2011. – 49. – P. 445–449.
30. Luan Z., Yin G., Hu X., et al. Treatment of an infant with severe neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy sequelae with transplantation of human neural stem cells into cerebral ventricle // Zhonghua Erke Zazhi. – 2005. – 43. – P. 580–583.

Д. Керолл

Университет исследования здоровья Джорджии, Огаста, США