Komórki nerwowe są przywracane

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Popularne wyrażenie „Komórki nerwowe nie wyzdrowieją” wszyscy od dzieciństwa postrzegają jako niezmienną prawdę. Jednak ten aksjomat jest niczym innym jak mitem, a nowe dane naukowe go obalają.

Natura daje rozwijającemu się mózgowi bardzo wysoki margines bezpieczeństwa: podczas embriogenezy powstaje duży nadmiar neuronów. Prawie 70% z nich umiera przed urodzeniem dziecka. Ludzki mózg traci neurony po urodzeniu przez całe życie. Ta śmierć komórki jest zaprogramowana genetycznie. Oczywiście umierają nie tylko neurony, ale także inne komórki organizmu. Tylko wszystkie inne tkanki mają wysoką zdolność regeneracyjną, to znaczy ich komórki dzielą się, zastępując martwe.

Proces regeneracji jest najbardziej aktywny w komórkach nabłonka i narządów krwiotwórczych (czerwony szpik kostny). Ale są komórki, w których geny odpowiedzialne za rozmnażanie przez podział są zablokowane. Oprócz neuronów komórki te obejmują komórki mięśnia sercowego. Jak ludziom udaje się zachować inteligencję do późnej starości, jeśli komórki nerwowe obumierają i nie są odnawiane?

Jedno z możliwych wyjaśnień: nie wszystkie neurony „pracują” jednocześnie w układzie nerwowym, ale tylko 10% neuronów. Fakt ten jest często cytowany w literaturze popularnej, a nawet naukowej. Wielokrotnie musiałem omawiać to stwierdzenie z moimi kolegami z kraju i zagranicy. I żaden z nich nie rozumie, skąd wzięła się ta postać. Każda komórka żyje i „działa” w tym samym czasie. W każdym neuronie cały czas zachodzą procesy metaboliczne, syntezowane są białka, generowane i przekazywane są impulsy nerwowe. Dlatego porzucając hipotezę „odpoczywających” neuronów, zwróćmy się do jednej z właściwości układu nerwowego, a mianowicie do jego wyjątkowej plastyczności.

Znaczenie plastyczności polega na tym, że funkcje martwych komórek nerwowych przejmują ich ocalali „koledzy”, którzy powiększają się i tworzą nowe połączenia, kompensując utracone funkcje. Wysoką, ale nie nieskończoną skuteczność takiej kompensacji można zilustrować przykładem choroby Parkinsona, w której następuje stopniowa śmierć neuronów. Okazuje się, że dopóki nie obumrze około 90% neuronów w mózgu, kliniczne objawy choroby (drżenie kończyn, ograniczenie ruchomości, chwiejny chód, demencja) nie pojawiają się, czyli osoba wygląda praktycznie zdrowo. Oznacza to, że jedna żywa komórka nerwowa może zastąpić dziewięć martwych.

Ale plastyczność układu nerwowego nie jest jedynym mechanizmem, który pozwala zachować inteligencję do późnej starości. Przyroda ma też swoje rozwiązanie awaryjne – pojawianie się nowych komórek nerwowych w mózgu dorosłych ssaków, czyli neurogenezę.

Pierwsze doniesienie o neurogenezie ukazało się w 1962 roku w prestiżowym czasopiśmie naukowym Science. Artykuł nosi tytuł „Czy w mózgu dorosłych ssaków tworzą się nowe neurony?” Jej autor, profesor Joseph Altman z Purdue University (USA), za pomocą prądu elektrycznego zniszczył jedną ze struktur mózgu szczura (ciało kolankowate boczne) i wstrzyknął tam substancję radioaktywną, która przenika do nowo powstających komórek. Kilka miesięcy później naukowiec odkrył nowe radioaktywne neurony we wzgórzu (część przodomózgowia) i korze mózgowej. W ciągu następnych siedmiu lat Altman opublikował kilka kolejnych badań potwierdzających istnienie neurogenezy w mózgu dorosłych ssaków. Jednak wtedy, w latach 60., jego praca wywołała jedynie sceptycyzm wśród neuronaukowców, ich rozwój nie nastąpił.

I dopiero dwadzieścia lat później neurogeneza została „odkryta na nowo”, ale już w mózgu ptaków. Wielu badaczy ptaków śpiewających zauważyło, że podczas każdego sezonu godowego samiec kanarek Serinus canaria śpiewa piosenkę z nowymi „kolanami”. Co więcej, nie przejmuje nowych trylów od swoich kolegów, ponieważ piosenki były aktualizowane nawet w odosobnieniu. Naukowcy zaczęli szczegółowo badać główny ośrodek głosowy ptaków, zlokalizowany w specjalnej części mózgu i odkryli, że pod koniec okresu godowego (u kanarków występuje w sierpniu i styczniu) znaczna część neuronów padło centrum głosowe, prawdopodobnie z powodu nadmiernego obciążenia funkcjonalnego… W połowie lat 80. profesor Fernando Notteboom z Rockefeller University (USA) wykazał, że u dorosłych kanarków płci męskiej proces neurogenezy zachodzi w centrum głosowym stale, ale liczba powstających neuronów podlega wahaniom sezonowym. Szczyt neurogenezy u kanarków przypada na październik i marzec, czyli dwa miesiące po okresie godowym. Dlatego „biblioteka muzyczna” piosenek męskiego kanarka jest regularnie aktualizowana.

Pod koniec lat 80. neurogenezę odkryto również u dorosłych płazów w laboratorium leningradzkiego naukowca, profesora A. L. Polenova.

Skąd pochodzą nowe neurony, jeśli komórki nerwowe się nie dzielą? Źródłem nowych neuronów zarówno u ptaków, jak i płazów okazały się neuronalne komórki macierzyste ze ściany komór mózgu. Podczas rozwoju zarodka to właśnie z tych komórek powstają komórki układu nerwowego: neurony i komórki glejowe. Jednak nie wszystkie komórki macierzyste zamieniają się w komórki układu nerwowego – niektóre z nich „chowają się” i czekają na skrzydłach.

Wykazano, że nowe neurony powstają z komórek macierzystych dorosłego organizmu oraz kręgowców niższych. Jednak prawie piętnaście lat zajęło udowodnienie, że podobny proces zachodzi w układzie nerwowym ssaków.

Postępy w neuronauce na początku lat 90. doprowadziły do odkrycia „nowonarodzonych” neuronów w mózgach dorosłych szczurów i myszy. Znaleziono je głównie w starożytnych ewolucyjnie częściach mózgu: opuszkach węchowych i korze hipokampa, które są odpowiedzialne głównie za zachowania emocjonalne, reakcję na stres i regulację funkcji seksualnych ssaków.

Podobnie jak u ptaków i kręgowców niższych, u ssaków neuronalne komórki macierzyste zlokalizowane są w pobliżu komór bocznych mózgu. Ich przemiana w neurony jest bardzo intensywna. U dorosłych szczurów miesięcznie z komórek macierzystych powstaje około 250 000 neuronów, które zastępują 3% wszystkich neuronów w hipokampie. Żywotność takich neuronów jest bardzo wysoka - do 112 dni. Neuronowe komórki macierzyste przemierzają długą drogę (około 2 cm). Są również w stanie migrować do opuszki węchowej, zamieniając się tam w neurony.

Opuszki węchowe mózgu ssaków odpowiadają za percepcję i pierwotne przetwarzanie różnych zapachów, w tym rozpoznawanie feromonów – substancji zbliżonych swoim składem chemicznym do hormonów płciowych. Zachowania seksualne u gryzoni reguluje przede wszystkim produkcja feromonów. Hipokamp znajduje się pod półkulami mózgowymi. Funkcje tej złożonej struktury związane są z kształtowaniem pamięci krótkotrwałej, realizacją pewnych emocji i uczestnictwem w kształtowaniu zachowań seksualnych. Obecność stałej neurogenezy w opuszce węchowej i hipokampie u szczurów tłumaczy się tym, że u gryzoni struktury te przenoszą główne obciążenie funkcjonalne. Dlatego komórki nerwowe w nich często obumierają, co oznacza, że trzeba je odnowić.

Aby zrozumieć, jakie warunki wpływają na neurogenezę w hipokampie i opuszce węchowej, profesor Gage z Uniwersytetu Salk (USA) zbudował miniaturowe miasto. Myszy tam bawiły się, uprawiały wychowanie fizyczne, szukały wyjść z labiryntów. Okazało się, że u myszy „miejskich” nowe neurony powstały w znacznie większej liczbie niż u ich biernych krewnych, pogrążonych w rutynowym życiu w wiwarium.

Komórki macierzyste mogą zostać usunięte z mózgu i przeszczepione do innej części układu nerwowego, gdzie stają się neuronami. Profesor Gage i jego koledzy przeprowadzili kilka podobnych eksperymentów, z których najbardziej imponujący był następujący. Wycinek tkanki mózgowej zawierający komórki macierzyste przeszczepiono do zniszczonej siatkówki oka szczura. (Wewnętrzna ściana oka światłoczuła ma pochodzenie "nerwowe": składa się ze zmodyfikowanych neuronów - pręcików i czopków. Kiedy warstwa światłoczuła zostaje zniszczona, pojawia się ślepota.) Przeszczepione komórki macierzyste mózgu zamieniają się w neurony siatkówki, ich procesy dotarły do nerwu wzrokowego, a szczur odzyskał wzrok! Co więcej, podczas przeszczepiania komórek macierzystych mózgu do nienaruszonego oka, nie zachodziły z nimi żadne transformacje. Prawdopodobnie w przypadku uszkodzenia siatkówki powstają pewne substancje (np. tzw. czynniki wzrostu), które stymulują neurogenezę. Jednak dokładny mechanizm tego zjawiska wciąż nie jest jasny.

Naukowcy stanęli przed zadaniem wykazania, że neurogeneza występuje nie tylko u gryzoni, ale także u ludzi. W tym celu badacze pod kierunkiem prof. Gage wykonali ostatnio rewelacyjną pracę. W jednej z amerykańskich klinik onkologicznych grupa pacjentów z nieuleczalnymi nowotworami złośliwymi przyjmowała lek chemioterapeutyczny bromodioksyurydynę. Substancja ta ma ważną właściwość - zdolność do gromadzenia się w dzielących się komórkach różnych narządów i tkanek. Bromodioksyurydyna jest włączana do DNA komórki macierzystej i jest przechowywana w komórkach potomnych po podziale komórek matki. Badania patologiczne wykazały, że neurony zawierające bromodioksyurydynę znajdują się w prawie wszystkich częściach mózgu, w tym w korze mózgowej. Więc te neurony były nowymi komórkami, które wyłoniły się z podziału komórek macierzystych. Znalezisko bezwarunkowo potwierdziło, że proces neurogenezy zachodzi również u osób dorosłych. Ale jeśli u gryzoni neurogeneza zachodzi tylko w hipokampie, to u ludzi prawdopodobnie może uchwycić bardziej rozległe obszary mózgu, w tym korę mózgową. Ostatnie badania wykazały, że nowe neurony w dorosłym mózgu mogą powstawać nie tylko z neuronalnych komórek macierzystych, ale także z komórek macierzystych krwi. Odkrycie tego zjawiska wywołało euforię w świecie naukowym. Jednak publikacja w czasopiśmie „Nature” z października 2003 roku na wiele sposobów ostudziła entuzjastyczne umysły. Okazało się, że komórki macierzyste krwi rzeczywiście przenikają do mózgu, ale nie zamieniają się w neurony, ale łączą się z nimi, tworząc komórki dwujądrzaste. Następnie „stare” jądro neuronu zostaje zniszczone i zostaje zastąpione „nowym” jądrem komórki macierzystej krwi. W ciele szczura komórki macierzyste krwi łączą się głównie z gigantycznymi komórkami móżdżku - komórkami Purkinjego, chociaż zdarza się to dość rzadko: w całym móżdżku można znaleźć tylko kilka połączonych komórek. Bardziej intensywna fuzja neuronów zachodzi w wątrobie i mięśniu sercowym. Nie jest jeszcze jasne, jakie jest w tym fizjologiczne znaczenie. Jedna z hipotez głosi, że komórki macierzyste krwi niosą ze sobą nowy materiał genetyczny, który wchodząc do „starej” komórki móżdżku, przedłuża jej życie.

Tak więc nowe neurony mogą powstawać z komórek macierzystych nawet w dorosłym mózgu. Zjawisko to jest już szeroko stosowane w leczeniu różnych chorób neurodegeneracyjnych (choroby, którym towarzyszy obumieranie neuronów w mózgu). Preparaty komórek macierzystych do przeszczepu uzyskuje się na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest wykorzystanie neuronalnych komórek macierzystych, które zarówno u zarodka, jak i osoby dorosłej zlokalizowane są wokół komór mózgu. Drugie podejście to wykorzystanie embrionalnych komórek macierzystych. Komórki te znajdują się w wewnętrznej masie komórkowej na wczesnym etapie powstawania zarodka. Są w stanie przekształcić się w prawie każdą komórkę w ciele. Największym wyzwaniem w pracy z komórkami zarodkowymi jest przekształcenie ich w neurony. Umożliwiają to nowe technologie.

Niektóre szpitale w Stanach Zjednoczonych utworzyły już „biblioteki” neuronalnych komórek macierzystych pozyskanych z tkanki embrionalnej, które są przeszczepiane pacjentom. Pierwsze próby transplantacji przynoszą pozytywne rezultaty, choć dziś lekarze nie potrafią rozwiązać głównego problemu takich przeszczepów: szalejące namnażanie komórek macierzystych w 30-40% przypadków prowadzi do powstawania nowotworów złośliwych. Nie znaleziono jeszcze żadnego podejścia, które zapobiegłoby temu efektowi ubocznemu. Mimo to przeszczep komórek macierzystych będzie niewątpliwie jednym z głównych podejść w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona, które stały się plagą krajów rozwiniętych.