Дегенерація олігодендроцитів та їх відновлення після фокальної ішемії мозку

Вперше вивченням проблеми загибелі олігодендроглії за умов фокальної ішемії та розробкою методів відновлення її клітин зайнялися команда американських дослідників з Washington University School of Medicine, очолювана професором Саллі МайАйвер (Sally R. McIver). Дослідження проводилися з використанням дорослих щурів-самців лінії Sprague Dawley вагою 200-250 г (Charles Rivers Laboratories, Wilmington, Massachusetts) [48].

Вченими показано, що вразливість олігодендроцитів за умов церебральної ішемії сприяє втраті функціонально повноцінних мієлінових оболонок. Це може призводити до руйнування білої речовини мозку. Сучасні іммуноцитохімічні методи виявлення ушкоджень олігодендроцитів в експериментальних моделях базуються на використанні антитіл до специфічних епітопів, наявних у структурі ОБМ. При цьому ці методи не дискримінують структурних змін в олігодендроцитарній морфології [48].

У дослідженні вченими використано лентивірусний вектор LV-MBP-еGFP («лентівірус–основний білок мієліну–зелений флуоресцентний білок») для визначення олігодендроцитів у білій речовині головного мозку щурів за умов перехідної фокальної церебральної ішемії та встановлено ступінь ушкодження олігодендроглії через 24 годин, 48 годин і один тиждень після реперфузії шляхом оцінки кількісного виживання клітин і аналізу процесів мієлінізації. Вірусний вектор LV проникав у клітини олігодендроглії та вбудовувався в їх геном. При цьому, як було зазначено вище, вектор містив у своєму складі сенсибілізований еGFP та ген ОБМ [48].

В загиблих у результаті церебральної ішемії олігодендроцитах спостерігається невисока реплікативна активність вірусу, причому було відмічено прогресуючу втрату GFP(+)-клітин через 24 та 48 годин після індукції ішемічного ураження мозку. GFP(+)-клітини, які вижили, мали змінену морфологію ядра, яка нагадувала аналогічну морфологію пікнотичного ядра при некрозі. Проте їх ядро не піддавалося некротичним ураженням. Такі клітини не мали у своєму складі ферменту TUNEL, тобто були TUNEL-негативними. У таких клітин показано порушення процесів мієлінізації, в результаті чого фрагментована мієлінова оболонка на початку 24-ї години після ішемії не відновлювалася.

Через тиждень після ішемії, дослідники спостерігали відновлення популяцій GFP(+)-олігодендроцитів, що було добрим прогностичним показником при відновленні мієліногенезу. Проте, за допомогою BrdU- включень показано, що проліферуючі клітини-попередники олігодендроглії не були основним джерелом GFP(+)-олігодендроцитів. Ці спостереження ідентифікували наявність нових перехідних клітинних форм між попередниками і зрілими олігодендроцитами. Подальше вивчення таких нових попередників дозволить відкрити нез'ясовані механізми структурних змін мієліну при ішемічній патології мозку [48]. Виживання і збереження цілісності мієлінопродукуючих олігодендроцитів має вирішальне значення для нормальної функції аксонів білої речовини мозку. Існує все більше доказів на моделях хвороби і в трансгенних нокаут-мишей, позбавлених експресії білків мієліну, що первинна дисфункція в олігодендроцитах може призвести до вторинного пошкодження аксонів. Це спостерігається при різноманітних неврологічних порушеннях, зокрема розсіяному склерозі, інсульті, перинатальній травмі головного мозку тощо [49].

Уразливість олігодендроцитів за умов ішемічної пошкодження мозку продемонстрована в численних моделях в пробірці і опосередковується як окисними, так і ексайтотоксичними механізмами. При гострій ішемії, яка розвинулася в результаті травматизації головного чи спинного мозку продемонстровано втрату імунореактивності до олігодендроцит-специфічних маркерів і появу у клітинах пікнотичних ядер. Олігодендроцит-специфічна експресія флуоресцентних маркерів в умовах ішемічного інсульту демонструє зниження інтенсивності флуоресценції в мієліновій оболонці [50].

Зміна перебігу процесів ремієлінізації може сприяти функціональному відновленню при демієлінізуючих захворювань і може бути залученою в початкове відновлення функції клітин в моделі пошкодження спинного мозку. Як стверджують деякі дослідники, цього можна досягти, якщо замість ушкоджених клітин трансплантаційним шляхом ввести нові, генномодифіковані попередники олігодендроглії. Тим не менш, не цілком сформований потенціал для подібної заміни олігодендроцитів при ішемії білої речовини мозку, особливо якщо це стосується дорослого організму [48].

У мозку новонароджених тварин є запас недиференційованих клітин, які за умов травматизації мозку під дією ендогенних сигнальних молекул можуть утворювати різні класи клітин нервової системи. Так може утворюватися клас специфічних «білих» олігодендроцитів, які є достатньо стійкими при різних патологічних станах мозку. Проте для дорослого мозку така кількість клітин є набагато меншою, тому питання про формування «особливих» резистентних олігодендроцитів залишається відкритим. Визначення долі «білих» олігодендроцитів речовини після осередкової ішемії в довгострокових дослідженнях може дати уявлення про передбачувані ендогенні механізми репарації мієліну, такі як ті, що описані при у моделях травматичного пошкодження спинного мозку.

Розуміння механізмів ішемічного ушкодження в природних умовах в моделі ішемії є необхідним кроком на шляху до розробки терапевтичних втручань. У фокальній ішемії людини, інфаркти часто пов'язані з ураженням білої речовини, і ретельне вивчення клітинного пошкодження в білій речовині має вирішальне значення в моделях інсульту тварин. Попередні дослідження вивчали відносну зміні експресії олігодендроцит- і мієліноспецифічних маркерів, але ці епітопи можуть бути тимчасово втрачені, або замасковані при патологічних станах. Навіть у здорової тканини, візуалізація антитіл до цих антигенів, як правило, обмежена або в тілі клітини або товстим шаром мієліну, і може не показувати всіх змін у морфології олігодендроцитів, які відбуваються у відповідь на пошкодження. Трансгенні миші, які продукують олігодендроцитарні клони клітин з конкретними флуоресцентними мітками, дозволяють повністю візуалізувати морфологію олігодендроцитів, і надають розуміння ішемічного ушкодження цих клітин. Тим не менш, в лініях трансгенних тварин, отриманих нині, візуалізація флуоресцентних міток може бути вираженою в клітинах-попередниках, а не лише зрілих олігодендроцитах. Крім того, високі рівні експресії в трактах білої речовини ускладнюють розмежування окремих процесів мієліногенезу, і, отже, обмежують вимірювання аналізів, які нечутливі до тонких змін у морфології [50].

Мало що відомо про часову залежність дегенеративних змін або регенеративного потенціалу білої речовини від тривалості дії фактору індукції ішемічного ураження. У цьому дослідженні вчені використовували лентивірусний вектор спеціально для зрілої мієлінпродукуючої популяції олігодендроцитів щурів в білій речовині. Направляючи LV-MBP-EGFP ін'єкцією у бічне мозолисте тіло, дослідники отримали зону поширення проліферуючих клітин при реперфузії. Конфокальна мікроскопія застосовувалася для того, щоб більш точно дослідити часовий хід відновлення білої речовини після MCAO. Використання трифеніл тетразоліум хлориду (TTC) та фарбування барвником LFB підтвердили, що ця модель ішемії провокує виникнення інфарктів, пов'язаних з ушкодженням білої речовини, як повідомлялося раніше. TTC-забарвлені тканини використовували для документування загальної площі інфаркту, а потім згодом обробляли для візуалізації травми білої речовини на клітинному рівні. Це важливо, оскільки MCAO може індукувати появу різних за розміром інфарктів, навіть якщо вимірювання потоку крові головного мозку послідовно знижується під час оклюзії. Тут використання ТТС дозволяє вченим стверджувати, що зменшення кількості GFP(+)-олігодендроцитів в бічному мозолистому тілі починається вже з 24-48 годин реперфузії після інсульту. Щодо розподілу GFP(+)-олігодендроцитів, які спостерігаються в білій речовини, дослідники також спостерігали залежне від часу зменшення числа тих клітин, що уздовж медіально-бічної зони мозолистого тіла, при майже повній відсутності в зовнішній зоні через 48 годин після ішемії [48].

Малоймовірно, що зниження експресії GFP відбувалося через неактивність промотору MBP, оскільки рівень транскрипції MBP збільшується після розвитку ішемії. GFP(+)-олігодендроцити, що вижили, були виявлені в регіонах ішемічної загибелі клітин, які мали у своєму складі маркер TUNEL (трансфераза термінального приєднання дезоксиуридинтрифосфату). Враховуючи ці дані, то малоймовірно, що зниження GFP(+)-клітин пригнічується активністю промотору MBP.

Широкий некроз в смугастому тілі (corpus striatum) і корі є визначальною рисою серцевини інфаркту в цій моделі ішемії, тому цілком імовірно, що GFP(+)-олігодендроцити піддаються клітинній загибелі, що призводить до втрати або деградації GFP. Тут вчені прагнули вивчити олігодендроцити ближче до межі ішемізованої зони, де може бути більший потенціал клітин для відновлення. Тому що варіабельність в розмірах інфаркту є основною рисою цієї експериментальної моделі, дослідники не могли виключити можливість того, що деякі клітини, проаналізовані в даному дослідженні, загинули саме в центральній зоні (ядрі) інфаркту [48].

GFP(+)-олігодедроцити, що вижили, характеризувалися зниженням мієліноутворюючого потенціалу. При цьому були виявлені значні зони фрагментації мієлінових мембран на 24- і 48-у години після реперфузії. Живі GFP(+)-олігодедроцити характеризувалися також TUNEL(-)-показником та не мали пікнотичних ядер. Ці результати показують, що дегенерація процесів мієлінізації (мієліногенезу) може передувати загибелі олігодендроцитів [48]. Це переконливі перспективи у світлі доказів того, що на цей процес індукують високі концентрації глутамату. Показано, що за умов ішемії експресія субодиниць глутаматних рецепторів спостерігається саме в зонах демієлінізації [51].

Збереження морфології тіла клітини під час мієлінової дегенерації представляє інтригуючу можливість того, що ремієлінізація відбувається завдяки структурному відновленню раніше пошкоджених олигодендроцитів. На перший тиждень реперфузії після осередкової ішемії, спостерігалося відновлення інтактних процесів мієлінізації і кількості GFP(+)-олігодендроцитів в ішемізованій області білої речовини. Проте, як було зазначено раніше, порушення мієліногенезу спостерігалося через 24-48 годин після ішемії. На додаток до відновлення структури олігодендроцитів спостерігалося і відновлення GFP(+)-клітин після ішемії білої речовини мозолистого тіла (corpus callosum). Репопуляціі GFP(+)-олігодендроцитів, візуалізовані в цьому дослідженні, швидше за все, походять від клітин-резидентів вже в білій речовині, а не клітин, що мігрують в районах з сірою речовиною.

Використання бромодеоксиуридинової реєстрації (BrdU-реєстрації) дозволило відстежити реакцію проліферуючих клітин протягом одного тижня після реперфузії, щоб визначити, диференціюються вони в GFP(+)-олігодендроцити, чи ні. Вчені знайшли численні BrdU-клітини в тій же області ішемічного ураження білої речовини, де були знайдені регіони збільшених популяцій GFP(+)-олігодендроцитів [50]. Навіть одного імпульсу BrdU, враховуючи 24 годин після травматизації спинного мозку, було достатньо, щоб відстежувати новостворені олігодендроцити через тиждень [50, 53]. В даний час широко визнається, що дорослі OPCs несуть відповідальність за ремієлінізацію аксонів після ішемічного ушкодження. У моделях демієлінізації було добре показано, що OPCs реагують на втрату олігодендроцитів проліферацією і диференціацією в мієілноутворюючі олігодендроцити (рис. 1. 4) [48].

Рис. 1. 4. Стан олігодендроглії в ішемізованій зоні мозку: А – на 24 год після розвитку ішемії, В – через 1 тиждень після ішемії (клітина-попередник OPC дає початок зрілому олігодендроциту). На рис. зверху справа показано уражену ішемією ділянку мозку [48]

Команда МакАйвер та інші дослідники наводять докази, що підтверджують здатність до регенерації білої речовини, яке залежить від кількості відновлених клітин і збереження процесів мієліногенезу. Лентівірусні вектори не тільки підвищують візуалізацію морфологічних змін олігодендроцитів у відповідь на пошкодження, а й забезпечують ефективний метод для оцінки потенційних захисних ефектів нової трансгенної експресії. Це може бути корисним підходом для діагностики багатьох захворювань, при яких активація процесів ремієлінізації ушкоджених після травми ділянок мозку є терапевтичною метою [48].