Τα αρχέγονα κύτταρα (stem cells) ως μοντέλο θεραπείας των νευροεκφυλιστικών νοσημάτων

Abstract

Spinal muscular atrophy (SMA), a motor neuron disease (MND) and one of the most common genetic causes of infant mortality, currently has no cure. Patients with SMA exhibit muscle weakness and hypotonia. Stem cell transplantation is a potential therapeutic strategy for SMA and other MNDs. In this study, we isolated spinal cord neural stem cells (NSCs) from mice expressing green fluorescent protein only in motor neurons and assessed their therapeutic effects on the phenotype of SMA mice. Intrathecally grafted NSCs migrated into the parenchyma and generated a small proportion of motor neurons. Treated SMA mice exhibited improved neuromuscular function, increased life span, and improved motor unit pathology. Global gene expression analysis of laser-capture-microdissected motor neurons from treated mice showed that the major effect of NSC transplantation was modification of the SMA phenotype toward the wild-type pattern, including changes in RNA metabolism proteins, cell cycle proteins, and actin-binding proteins. NSC transplantation positively affected the SMA disease phenotype, indicating that transplantation of NSCs may be a possible treatment for SMA.

Η Νωτιαία Μυϊκή Ατροφία (Spinal Muscular Atrophy, SMA), είναι μία από τις νόσους κινητικού νευρώνος και η δεύτερη σε συχνότητα αιτία, στα πλαίσια των κληρονομικών νοσημάτων, που οδηγεί σε θάνατο στην βρεφική-νεανική ηλικία. Οφείλεται σε μείωση ή έλλειψη της πρωτεΐνης SMN, η οποία αποτελεί προϊόν έκφρασης του γονιδίου SMN (Survival Motor Neuron Gene) και παίρνει μέρος σε σημαντικές λειτουργίες στο εσωτερικό των κυττάρων όπως στις μεταγραφικές οδούς και στη βιοσύνθεση των ριβονουκλεοπρωτεϊνών. Παρόλο που η πρωτεΐνη SMN βρίσκεται στο εσωτερικό όλων των κυττάρων του οργανισμού, στην Νωτιαία Μυϊκή Ατροφία οι κινητικοί νευρώνες των προσθίων κεράτων του νωτιαίου μυελού και ορισμένες φορές και του στελέχους παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευαισθησία στην μείωση ή έλλειψή της πρωτεΐνης αυτής είναι αποκλειστικά. Κλινικά η νόσος χαρακτηρίζεται από προοδευτική μυϊκή αδυναμία και παράλυση των αναπνευστικών μυών σε σύντομο χρονικό διάστημα ανάλογα με τη μορφή της νόσου. Διακρίνουμε τέσσερις κλινικές μορφές ανάλογα με τη βαρύτητα της κλινικής εικόνας, η οποία φαίνεται ότι συσχετίζεται με την ποσότητα της πρωτεΐνης SMN. Παρά τις έντονες ερευνητικές προσπάθειες μέχρι στιγμής δεν υπάρχει ειδική θεραπεία της νόσου και περιοριζόμαστε μόνο στη συμπτωματική θεραπεία και στην βελτίωση της ποιότητας ζωής των παιδιών με φυσικοθεραπευτικές τεχνικές και αναπνευστική υποστήριξη. Σε αυτή τη μελέτη εξετάζουμε για πρώτη φορά την αποτελεσματικότητα της μεταμόσχευσης βλαστοκυττάρων σε πειραματικά μοντέλα της νόσου και προσπαθούμε να απαντήσουμε στο ερώτημα εάν η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην θεραπευτική στρατηγική αυτής της νόσου. Μελετήσαμε μία συγκεκριμένη κατηγορία νευρικών βλαστοκυττάρων, τα οποία και απομονώσαμε από το νωτιαίο μυελό πειραματοζώων και χορηγήσαμε ενδορραχιαία σε πειραματικά μοντέλα SMA και σε πειραματόζωα ελέγχου. Τα πειραματόζωα δότες προγραμματίστηκαν να εκφράζουν μία φθορίζουσα πρωτεΐνη την GFP (Green Fluorescent Protein) μόνο στους κινητικούς νευρώνες και έτσι με βάση αυτή την ιδιότητα καταφέραμε να παρακολουθούμε την μεταμοσχευτική πορεία των κυττάρων μέσα στο νευρικό σύστημα του δέκτη. Τα νευρικά βλαστοκύτταρα που μεταμοσχεύσαμε κατάφεραν να μεταναστεύσουν από το εγκεφαλονωτιαίο υγρό στο παρέγχυμα του νωτιαίου μυελού να εγκατασταθούν στην κατάλληλη περιοχή αυτή των προσθίων κεράτων και να διαφοροποιηθούν σε ένα ποσοστό σε κινητικούς νευρώνες. Τα μεταμοσχευμένα SMA ζώα παρουσίασαν καλύτερη νευρομυϊκή λειτουργία η οποία ελέγχθηκε με δοκιμασίες συμπεριφοράς, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και βελτιωμένη παθολογοανατομική εικόνα σε σχέση με τα μη μεταμοσχευμένα SMA ζώα. Για να εξηγήσουμε εν μέρει αυτά τα πολύ ενδιαφέροντα αποτελέσματα μελετήσαμε πιο στενά τους ενδογενείς κινητικούς νευρώνες των μεταμοσχευμένων ζώων. Χρησιμοποιήσαμε μία τεχνική την laser captured microdissection (LCD), με την οποία καταφέραμε να απομονώσουμε από τα πρόσθια κέρατα του νωτιαίου μυελού των μεταμοσχευμένων και μη ζώων, μεμονωμένους ενδογενείς κινητικούς νευρώνες και να τους υποβάλλουμε σε ανάλυση γονιδιακής έκφρασης (ανάλυση microarray). Στη συνέχεια αναλύσαμε τα γονίδια που παρουσίασαν την πιο ενδιαφέρουσα αλλαγή στην έκφρασή τους λόγω της μεταμόσχευσης και καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η μεταμόσχευση των αρχέγονων νευρικών κυττάρων βοήθησε τα SMA ζώα όχι μόνο προσφέροντας νέους κινητικούς νευρώνες (σε μικρό ποσοστό) αλλά και βελτιώνοντας το περιβάλλον των ενδογενών κινητικών νευρώνων οι οποίοι παρουσίασαν αλλαγή στο pattern γονιδιακής έκφρασης τόσο ωστε να μοιάζουν περισσότερο από γονιδιακής πλευράς στους υγιείς κινητικούς νευρώνες. Συγκεκριμένα οι μεγαλύτερες αλλαγές παρατηρήθηκαν σε πρωτεΐνες εμπλεκόμενες στον μεταβολισμό του RNA, πρωτεΐνες κυτταρικού κύκλου και πρωτεΐνες οι οποίες συνδέονται με την ακτίνη. Με την παραπάνω μελέτη αποδείξαμε ότι η μεταμόσχευση ενός συγκεκριμένου υποπληθυσμού νευρικών βλαστοκυττάρων βελτιώνει τον φαινότυπο ενός μοντέλου Νωταίας Μυϊκής Ατροφίας ανοίγοντας έτσι νέους ορίζοντες στην χρήση των βλαστοκυττάρων σαν πιθανή θεραπευτική προσέγγιση σε αυτή τη νόσο και στις νόσους του κινητικού νευρώνα και γενικότερα στα νευροεκφυλιστικά νοσήματα.