Терапия болезни Альцгеймера на основе стволовых клеток

Введение

Обучение и память — сложные когнитивные процессы, в которых принимает участие гиппокамп, и на которые серьезно влияют старение и некоторые нейродегенеративные расстройства, такие как болезнь Альцгеймера (БА). Это заболевание вызывает дегенеративное поражение головного мозга, ухудшающее память и приводящее к неспособности выполнять основные повседневные задачи [1]. БА является наиболее распространенной возрастной формой деменции и клинически характеризуется прогрессирующей потерей холинергических нейронов и синапсов, отложением нейротоксических белков, таких как внеклеточные бляшки β-⁠амилоида (Aβ) и внутриклеточные нейрофибриллярные клубки [2]. К настоящему моменту многие подходы к терапии БА не показали удовлетворительных результатов в улучшении когнитивных функций [3]. Сложность лечения данного заболевания состоит в недостаточной изученности патогенеза и в необходимости долгосрочной терапии [4].

Одним из недостатков лекарственной терапии является отсутствие стимуляции регенерации поврежденных нейронов, при этом сниженная жизнеспособность клеток тормозит транспортировку лекарств [5]. Сигнальные механизмы действия нейротрофических факторов в головном мозге, несмотря на их важность в поддержании синаптической пластичности в памяти и обучении, еще до конца не выяснены [6]. Инсулинотерапия в качестве безопасного и краткосрочного симптоматического вмешательства для отсрочки потери когнитивных функций не всегда достигает значимых клинических результатов [7]. Низкоинтенсивная лазерная терапия имеет потенциал к предотвращению когнитивных нарушений, изменяя функцию клеток головного мозга и нейрометаболические пути, но пока параметры для индивидуального лечения не определены. Продолжительность эффектов и вероятность хронического повторения также неясны [8]. Фокус на митохондриальном дыхании может быть эффективным в терапии БА в связи с изменениями потока митохондриального кальция на ранних стадиях заболевания, однако пока недостаточно изучены причины данного явления [9]. Умеренная физическая активность и соответствующая диета также имеют связь со снижением риска нейродегенерации, но они не так эффективны при лечении БА [10].

Все больше данных подтверждает терапевтический потенциал регенеративной медицины для лечения нейродегенеративных заболеваний. Терапия стволовыми клетками имеет преимущества перед другими подходами: она повышает уровень функционального восстановления центральной нервной системы (ЦНС) головного мозга [11]. Регенерация нервной ткани может быть осуществлена путем экзогенного введения стволовых клеток, которые способны после дифференцировки заместить поврежденные ткани головного мозга [12]. Терапия стволовыми клетками способна уменьшить нейровоспаление, поскольку оно играет роль в повреждении головного мозга, которое приводит к снижению когнитивных функций [13]. Терапия стволовыми клетками также может устранять нейрофибриллярные клубки и аномальную деградацию белков, способствовать митохондриальному транспорту для улучшения когнитивных функций [14].

Методы

Представленный обзор обобщает научные публикации результатов доклинических исследований применения стволовых клеток для терапии БА. Поиск публикаций выполняли в базах данных PubMed и Google Scholar. В обзор включали публикации, доступные для поиска на 20.09.2023 г. Для реализации поставленной задачи была разработана стратегия поиска информации на основе ключевых слов. Ключевые слова и словосочетания были определены на английском языке: stem cell therapy, glial progenitor cells, Alzheimer’s disease, β-⁠amyloid, neurodegeneration, animal models, mouse models, 5xFAD.

Стволовые клетки в терапии болезни Альцгеймера

Для терапии БА в настоящее время применяются следующие типы стволовых клеток: нейральные (НСК), мезенхимальные (МСК), эмбриональные (ЭСК), индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК) [15]. Большинство эффективных методов лечения БА сосредоточено на воздействии на патологию заболевания на ранней стадии для сохранения цереброваскулярной функции.

Нейральные стволовые клетки

Поскольку НСК вносят значительный вклад в гомеостаз и репарацию головного мозга, они проявляют свойства для лечения БА на ранних стадиях [16]. В 2018 г. L. McGinley и соавт. [17] обнаружили, что трансплантация НСК человека усиливала когнитивные способности в мышиной модели APP/⁠PS1 (мыши с мутацией белка-⁠предшественника амилоида и пресенилина 1). Трансплантация была произведена в область свода бахромки и значительно улучшила когнитивные функции в тестах, оценивающих память, через 4 и 16 нед. Кроме того, Y. Hayashi и соавт. [18] трансплантировали ксеногенные и аутологичные НСК мышам с БА. Оба типа клеток дали положительные результаты лечения. Более поздние исследования были посвящены клеточным механизмам действия НСК и их терапевтической патологии при БА. В 2021 г. L. Apodaca и соавт. [19] обнаружили, что внеклеточные везикулы, полученные из НСК человека, могут снижать признаки заболевания. Они вводили 2–6-⁠месячным мышам 5xFAD внеклеточные везикулы. Лечение значительно уменьшало накопление плотных амилоидных β-⁠бляшек в обеих возрастных группах, что продемонстрировало нейропротекторный эффект для коррекции нейропатологий БА. В 2022 г. M. Reveulta и соавт. [20] изучали опосредованное микроглией воспаление и дифференцировку НСК при БА, а также возможный терапевтический эффект блокады K(V)1.3-⁠канала. Они пришли к выводу, что блокаторы K(V)1.3 препятствуют опосредованной микроглией нейротоксичности в культуре, уменьшая проявление и образование провоспалительных цитокинов через пути NF-⁠kB и p38MAPK. В целом, терапия НСК показала большую эффективность в лечении БА на ранней стадии.

Глиальные клетки-⁠предшественники

Другой возможной стратегией для терапии БА является трансплантация стволовых клеток, дифференцированных в глиальном направлении, — глиальных клеток-⁠предшественников (ГКП). Астроциты необходимы для правильной регуляции ЦНС. Важно отметить, что эти клетки обладают высокой секреторностью по своей природе. Действительно, они могут высвобождать молекулы, которые играют ключевую физиологическую роль в нервных тканях, и чья аномальная регуляция связана с некоторыми расстройствами ЦНС. Более глубокий анализ секретома астроцитов может расширить текущие познания о полном потенциале этих клеток и их секретируемых молекул не только как активных участников патофизиологических событий, но и как фармакологических мишеней или даже как терапевтических средств для лечения неврологических заболеваний. Секретируемые астроцитами молекулы принимают участие в процессах, имеющих патофизиологическое значение для астроглиальной популяции: 1) регуляция НСК и их потомства во взрослых нейрогенных нишах; 2) модуляция целостности и функции гематоэнцефалического барьера. Астроциты поддерживают нейроны как структурно, так и функционально, обеспечивая питательными веществами и нейротрофическими факторами, удаляя нейротрансмиттеры и метаболиты отходов, чтобы обеспечить гомеостатическую среду [21]. Полагают, что астроциты могут также высвобождать глиотрансмиттеры для модуляции синаптической передачи [22, 23]. Кроме того, после травмы головного мозга астроциты участвуют в нейровоспалительных реакциях в попытках восстановления и/⁠или ремоделирования.

Мезенхимальные стволовые клетки

МСК являются наиболее изученным типом клеток в терапии БА стволовыми клетками из-⁠за их доступности и широкого потенциала к дифференцировке. Их можно вводить внутривенно для преодоления гематоэнцефалического барьера при низком иммунном ответе. В частности, внеклеточные везикулы, полученные из МСК, способны обладать свойствами донора с минимальной иммуногенностью. Они также имеют небольшой риск формирования опухолей после терапии [24]. В 2019 г. Е. Reza-⁠Zaldivar и соавт. [25] обнаружили, что внеклеточные везикулы из МСК могут повышать пластичность нейронов и усиливать когнитивные функции. Они инъецировали агрегаты β_1–42-⁠амилоида в зубчатую извилину мышей билатерально и проводили тест распознавания новых объектов на 14-⁠й и 28-⁠й день после введения везикул. Результаты показали, что везикулы стимулируют нейрогенез в субвентрикулярной зоне. В 2020 г. М. Nakano и соавт. [26] обнаружили, что МСК, происходящие из костного мозга (КМ-⁠МСК), могут усиливать когнитивные функции в модели БА за счет усиления экспрессии микроРНК-⁠146a в гиппокампе. КМ-⁠МСК инъецировали интрацеребровентрикулярно в сосудистое сплетение в боковом желудочке, где они секретировали экзосомы в спинно-⁠мозговую жидкость. Эксперименты in vitro показали, что экзосомальная микроРНК-⁠146a из МСК поглощалась астроцитами, и уровень микроРНК-⁠146a повышался. В том же году Н. Wei и соавт. [27] исследовали, регулирует ли экзосомальная микроРНК-⁠223, полученная из МСК, апоптоз нейрональных клеток. Она нацеливается на PTEN, таким образом активируя путь PI3K/⁠Akt для ингибирования апоптоза нейронов, и, следовательно, становится потенциальным средством лечения БА.

Исследования на клиническом уровне также значительно прогрессировали в последнее время, однако они основаны преимущественно на терапии с помощью МСК. В 2021 г. Н. Kim и соавт. [28] выполнили интрацеребровентрикулярную инъекцию МСК пуповинной крови человека пациентам с БА в I фазе клинического исследования. Они отобрали 9 пациентов с легкой и средней степенью тяжести заболевания и вводили им низкие и высокие дозы МСК соответственно. Все побочные явления прекратились в течение 36 ч, и симптомы БА были смягчены. В целом, терапия МСК уменьшает нейровоспаление за счет устранения β-⁠амилоида, нейрофибриллярных клубков и аномальной деградации белков. Терапия МСК способствует восстановлению гематоэнцефалического барьера и аутофагии, регулирует уровень ацетилхолина и улучшает когнитивные функции головного мозга [14].

Эмбриональные стволовые клетки

Поскольку существуют этические и иммуногенные ограничения на использование ЭСК для лечения [29], клиническое применение терапии на основе ЭСК может оказаться бесперспективным, однако проводятся доклинические исследования ЭСК на животных моделях. В 2020 г. D. Kim и соавт. [29] исследовали эффективность и осуществимость внутриартериального введения ЭСК в животной модели БА. ЭСК трансплантировали в модели грызунов с БА, что приводило к генерации холинергических нейронов, усилению формирования синапсов и улучшению памяти [30–32]. Кроме того, сообщалось, что нейросферы, полученные из ЭСК мыши, генерировали холинергические нейроны в коре головного мозга у мышей, несущих повреждения базального ядра, что улучшило рабочую память мышей [33]. Было обнаружено, что предшественники двигательных нейронов, полученные из ЭСК мыши, обработанных SHH и RA, дифференцируются в двигательные нейроны после их трансплантации в базальные отделы переднего мозга, что улучшает когнитивную функцию пораженных участков мозга крысы [32]. ЭСК мыши и человека также были дифференцированы в предшественники базальных переднемозговых холинергических нейронов (БПХН) и трансплантированы в передний мозг мышей с БА. Через 2 мес после инъекции трансплантированные предшественники преимущественно дифференцировались в зрелые холинергические нейроны. Терапия предшественниками нейронов позволила облегчить когнитивный дефицит у двух линий мышей с БА (5XFAD и APP/⁠PS1) в течение 6 мес после трансплантации [34]. ЭСК человека также дали начало нейральным клеткам-⁠предшественникам медиального ганглионарного возвышения при обработке SHH. Трансплантированные клетки дифференцировались в базальные холинергические нейроны переднего мозга (БПХН) и ГАМК-⁠интернейроны, нивелируя дефицит обучения и памяти у мышей с поврежденной медиальной перегородкой [35].

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки

Появление технологии, при которой соматические клетки репрограммируются в плюрипотентные стволовые клетки, позволяет создать оптимальную модель, сохраняющую генетическую идентичность донора, предлагая альтернативу в отношении регенеративной терапии. При этом иПСК могут неограниченно самообновляться in vitro и дифференцироваться в различные типы клеток, что дает перспективы для моделирования и лечения БА у конкретных пациентов [36]. На генетическом и клеточном уровне было проведено множество исследований терапии с иПСК при БА. В 2020 г. R. Butler и соавт. [37] обнаружили генетическую значимость микроглии, полученной из иПСК человека, для БА. Используя экспрессию генов, характерную для данного типа клеток, было показано, что клетки микроглии, полученные из иПСК, генетически связаны с БА. В 2020 г. L. Zhang и соавт. [38] обнаружили, что нервные клетки человека, полученные из иПСК от пациентов с БА, проявляли различную восприимчивость к окислительному стрессу. Реакция нервных клеток на окислительный стресс является важным механизмом когнитивной дисфункции и старения. Под воздействием пероксида водорода жизнеспособность и длина нейритов нейронов человека значительно снижались. Из-⁠за окислительных свойств нейронов существует потенциал для лечения БА, направленный на их деоксидизацию.

На сегодняшний день иПСК являются перспективным инструментом для регенеративной медицины благодаря отсутствию использования эмбрионального материала [39, 40] и возможности получения различных клеточных фенотипов на разных стадиях дифференцировки in vitro. Во многих исследованиях in vivo с использованием модельных животных нейральные предшественники, полученные из иПСК, показали улучшение когнитивных функций и памяти. Так, стереотаксическое введение аутологичных нейральных предшественников, полученных из иПСК, в гиппокамп мышей улучшало синаптическую пластичность и уменьшало агрегаты β-⁠амилоида [41]. В другом исследовании нейрональные предшественники холинергического фенотипа, полученные из иПСК, трансплантировали в гиппокамп трансгенным животным в модели деменции PDAPP (управляемый промотором PDGF белок-⁠предшественник амилоида) [42]. Было обнаружено, что через 45 дней после трансплантации клетки выживают и дифференцируются в холинергические и ГАМКергические нейроны в мозге хозяина, что приводит к улучшению пространственной памяти [43]. Было изучено терапевтическое действие производных иПСК макрофагоподобных клеток (иПСК-⁠МК) со сверхсекрецией белка неприлизина-⁠2 (NEP2), являющегося протеазой с Aβ-⁠деградирующей активностью, иПСК-⁠МК/⁠NEP2 вводили в гиппокамп трансгенным животным 5XFAD [44, 45]. Хотя влияние на когнитивную функцию и повреждение нейронов не изучали, в мозге мышей наблюдали значительное снижение уровня Aβ. Снижение Aβ не было значительным при трансплантации немодифицированных иПСК-⁠МК, демонстрируя, что секреция NEP2, а не фагоцитоз, вызывала элиминацию Aβ. Это исследование предполагает потенциальное терапевтическое преимущество иПСК-⁠МК, секретирующих NEP2, для лечения БА. Были исследованы нейральные предшественники, полученные из иПСК и предварительно обработанные ретиноевой кислотой, белками SHH и Noggin, которые, как показало исследование, дифференцировались в холинергические и ГАМКергические нейроны после трансплантации в гиппокамп животным с БА и способствовали восстановлению пространственной памяти [43].

Механизмы терапевтического эффекта стволовых клеток при болезни Альцгеймера

Терапевтический потенциал стволовых клеток был оценен в различных областях мозга животных с БА: гиппокампе и базальных отделах переднего мозга (табл. 1). Однако механизмы такой терапии остаются малоизученными по сегодняшний день, хотя существуют различные гипотезы, такие как клеточная нейропротекция, ведущая к увеличению плотности синапсов гиппокампа и улучшению зависимых от гиппокампа когнитивных функций [30]. Интересно, что BDNF-⁠опосредованное восстановление когнитивных функций не изменяет патологию Aβ или белка тау в мозге при БА, указывая на действие BDNF (нейротрофический фактор мозга) через амилоиднезависимый механизм [30]. Соответственно предшественники БПХН корректировали когнитивный дефицит у мышей с БА без изменения общего уровня агрегатов β-⁠амилоида, при этом было продемонстрировано, что терапевтическое действие частично связано с секрецией BDNF [46, 47]. Нейропротекторные эффекты трансплантированных НСК, заключающиеся в предотвращении дегенерации или атрофии нейронов и потере синапсов, были аналогичны эффектам, полученным при непосредственном введении BDNF в мозг трансгенных мышей с БА [48, 49]. Кроме того, трансплантированные предшественники БПХН секретировали ацетилхолин и продуцировали ацетилхолинэстеразу в базальных отделах переднего мозга мышей с БА, что было необходимо для восстановления когнитивных функций [34]. Эти данные указывают, что нейроны, происходящие из НСК, обладают сходными функциями с их аналогами in vivo в отношении метаболизма ацетилхолина в мозге при БА [34]. Таким образом, нейропротекторные свойства трансплантированных НСК или предшественников нейронов, по-⁠видимому, в значительной степени достигаются за счет секреции нейротрофинов или нейротрансмиттеров, которые могут способствовать восстановлению повреждений головного мозга и коррекции когнитивных нарушений у пациентов с БА.

Заместительная терапия стволовыми клетками и их функционирование

Структурная целостность и правильная синаптическая активность необходимы для нормальной функции мозга. При дальнейшем исследовании трансплантированных НСК и производ­ных нейронов стало ясно, что трансплантированные НСК могут функционально замещать дегенерированные нейроны в дополнение к их нейропротекторному действию на мозг при БА, демонстрируя терминальную дифференцировку в нейроны и долгосрочную выживаемость. Это подтверждает, что трансплантаты НСК хорошо переносят условия патологической среды головного мозга при БА [34, 35, 43, 50]. Кроме того, было обнаружено, что дифференцированные клетки-⁠предшественники запускают потенциал действия и спонтанные постсинаптические токи у мышей с поврежденными холинергическими нейронами переднего мозга и ГАМК-⁠нейронами. При этом нейроны, происходящие из НСК человека, обладают мембранными свойствами, типичными для зрелых нейронов [35]. Недавно несколько исследований [34, 47] систематически охарактеризовали нейроны, полученные из НСК, с точки зрения их выживания, пролиферации, дифференцировки, миграции, проекции и интеграции у мышей с БА, тем самым оценив потенциал НСК для замены утраченных нейронов и дегенерированных синапсов. Подтверждено, что трансплантированные предшественники БПХН дают начало зрелым нейронам, которые демонстрируют паттерны миграции, типичные для нативных нейронов в базальном ядре мышей с БА [34]. Были обнаружены сложные дендритные ветви и длинные аксоны, возникающие из трансплантированных БПХН, а синаптические структуры, обычно возникающие между экзогенными и эндогенными нейронами, регистрировались с помощью электронной микроскопии [34]. Кроме того, обнаружено, что большинство трансплантированных БПХН проявляют возбуждающую и тормозную синаптическую активность, указывая на их возможность функционально интегрироваться в холинергическую систему в базальных отделах переднего мозга мышей с БА [34]. Также было показано, что НСК человека дифференцировались в глутаматергические нейроны через месяц после трансплантации в гиппокамп мышей с БА [47]. Глутаматергические нейрональные трансплантаты демонстрировали долгосрочную (до 12 мес) выживаемость без сверхактивации микроглии [47]. Оптогенетический анализ подтвердил, что экзогенные нейроны образуют синаптические связи трансплантат—хозяин с эндогенными нейронами гиппокампа и проявляют соответствующую постсинаптическую активность. Кроме того, повышенная синаптическая передача усиливала локальные нейронные сети мозга при БА, увеличивая уровень долговременной потенциации, повышая пластичность гиппокампа и смягчая когнитивный дефицит [47]. Эти наблюдения убедительно свидетельствуют, что НСК человека могут функционально интегрироваться в нервную ткань, заменять поврежденные нейроны и усиливать пластичность головного мозга при БА.

Заключение

Несмотря на достижения клеточной терапии, клинические разработки заместительной терапевтической стратегии на основе стволовых клеток человека для лечения болезни Альцгеймера пока недостаточны. С этой целью необходимо получить соответствующие стволовые клетки человека, подходящие для трансплантации, разработать эффективные стратегии трансплантации и модели животных с болезнью Альцгеймера для оценки терапевтических эффектов трансплантированных стволовых клеток.