Célula nai neural

As células nais neurais (que abreviaremos como CNN, que nas súas siglas en inglés sería NSC, de neural stem cell) son células multipotentes que se autorrenovan encargadas de xerar primeiramente as células proxenitoras gliais radiais que á súa vez xeran as neuronas e a glía do sistema nervioso de todos os animais durante o desenvolvemento embrionario. Algunhas células nais proxenitoras neurais persisten en rexións moi restrinxidas no cerebro dos vertebrados adultos e continúan producindo neuronas durante toda a vida. As diferenzas no tamaño do sistema nervioso central están entre as distincións máis importantes entre as especies e, deste modo, as mutacións nos xenes que regulan o tamaño do cerebro están entre os impulsores máis importantes da evolución dos vertebrados. As células nais ou troncais caracterízanse pola súa capacidade de diferenciarse en moitos tipos celulares. Poden sufrir unha división celular asimétrica ou simétrica, dando dúas células fillas. Na división celular simétrica, ambas as células fillas son tamén células nais. Na división asimétrica, a célula nai produce unha célula filla que segue sendo unha célula nai e outra célula filla especializada. As CNNs diferéncianse principalmente en neuronas, astrocitos e oligodendrocitos. Localización no cerebro
No cerebro de mamífero adulto conteñen células nais neurais a zona subgranular do xiro ou circunvolución do hipocampo dentado, a zona subventricular arredor dos ventrículos laterais, e o hipotálamo (concretamente nas rexións dorsais α1, α2 e na rexión proliferativa hipotalámica, localizada na eminencia media adxacente). Desenvolvemento
Orixe in vivo
Hai dous tipos básicos de célula nai: células nai adultas, que teñen unha capacidade limitada de diferenciarse, e células nai embrionais, que son pluripotentes e teñen a capacidade de diferenciarse en case calquera tipo celular.
As células nai neurais (CNN) están máis especializadas que as células nai embrionarias porque só xeran células gliais radiais, que son as que dan lugar ás neuronas e á glía do sistema nervioso central. Durante o desenvolvemento embrionario dos vertebrados, as CNNs sofren unha transición a células gliais radiais, tamén chamadas células proxenitoras gliais radiais e encóntranse nunha zona transitoria chamada zona ventricular. As células gliais radiais xeran neuronas en grandes cantidades durante un período específico do desenvolvemento embrionario por medio do proceso da neuroxénese, e continúan a xerarse na vida adulta en rexións restrinxidas do cerebro adulto. As CNNs adultas diferéncianse en novas neuronas dentro da zona subventricular adulta, que é un resto do neuroepitelio xerminal embrional, así como na circunvolución ou xiro dentado do hipocampo.
Orixe in vitro
As CNNs adultas foron illadas primeiramente do corpo estriado do rato a inicios da década de 1990. Teñen a capacidade de formar neuroesferas multipotentes cando se cultivan in vitro. As neuroesferas poden producir células especializadas proliferantes que se autorrenovan. Estas neuroesferas poden diferenciarse para formar as neuronas especificadas, células gliais, e oligodendrocitos. En estudos previos, as neuroesferas cultivadas foran transplantadas a cerebros de ratos neonatos inmunodeficientes e mostraran a formación de enxertos, proliferación e diferenciación neural.
Comunicación e migración
As CNNs son estimuladas a empezar a diferenciarse por sinais exóxenos do microambiente ou nicho da célula nai. Algunhas células neurais migran cando son estimuladas desde a zona subventricular ao longo da vía migratoria rostral, que contén estruturas de tipo medula con células ependimais e astrocitos. As células ependimais e astrocitos forman tubos gliais usados polos neuroblastos en migración. Os astrocitos nos tubos proporcionan soporte para as células migrantes, así como illamento dos sinais eléctricos e químicos liberados das células que os rodean. Os astrocitos son os principais precursores da rápida amplificación celular. Os neuroblastos forman apertadas cadeas e migran cara ao sitio especificado onde hai un dano celular para reparalo ou substituír células neurais. Un exemplo é a migración de neuroblastos cara ao bulbo olfactorio para diferenciarse en neuronas periglomerulares ou neuronas granulosas que presentan un padrón de migración radial en lugar de tanxencial.
Envellecemento
A proliferación de CCNs declina como consecuencia do envellecemento. Adoptáronse varias estratexias para contrarrestar este declive relacionado coa idade. Como as proteínas FOX regulan a homeostase das CNNs, as proteínas FOX foron utilizadas para protexer as CNNs inhibindo a sinalización Wnt. Función
O factor de crecemento epidérmico (EGF) e o factor de crecemento de fibroblastos (FGF) son mitóxenos que promoven o crecemento das proxenitoras neurais e das células nai in vitro, por medio doutros factores sintetizados polas poboacións de proxenitoras neurais e células nai, que cómpren tamén para o crecemento óptimo. Hipotetízase que a neuroxénese no cerebro adulto orixínase a partir das CNNs. A orixe e identidade das CNNs no cerebro adulto aínda non están ben definidas.
Durante a diferenciación
O modelo máis amplamente aceptado de CNN adulta é unha célula radial positiva para a proteína ácida fibrilar glial. As células nai quiescentes son de tipo B e poden permanecer en estado quiescente debido ao tecido renovable proporcionado por nichos específicos compostos de vasos sanguíneos, astrocitos, microglía, células ependimais e matriz extracelular presentes no cerebro. Estes nichos proporcionan nutrición, soporte estrutural e protección para as células nai ata que son activadas por estímulos externos. Unha vez activadas, as células de tipo B desenvólvense en células de tipo C, células intermedias proliferantes activas, que despois se dividen en neuroblastos que consisten en células de tipo A. Os neuroblastos indiferenciados forman cadeas que migran e se desenvolven en neuronas maduras. No bulbo olfactivo, maduran a neuronas granulares GABAérxicas, mentres que no hipocampo maduran a células granulares dentadas.
Modificación epixenética
As modificacións epixenéticas son reguladores importantes da expresión xénica en CNNs en diferenciación. As modificacións epixenéticas clave son a metilación das citosinas do ADN para formar 5-metilcitosina e a desmetilación da 5-metilcitosina. Estes tipos de modificación son críticas para o destino da determinación celular no cerebro de mamíferos en desenvolvemento e adultos.
A metilación das citosinas do ADN está catalizada pola ADN metiltransferases (DNMTs). A desmetilación da metilcitosina está catalizada en varios pasos polos encimas TET, que levan a cabo reaccións oxidativas (por exemplo, o paso de 5-metilcitosina a 5-hidroximetilcitosina), e por encimas da vía de reparación por escisión de bases do ADN.
Durante a enfermidade
As CNNs teñen un importante papel durante o desenvolvemento producindo a enorme diversidade de neuronas, astrocitos e oligodendrocitos do sistema nervioso central en desenvolvemento. Tamén teñen un papel importante en animais adultos, por exemplo na aprendizaxe e plasticidade do hipocampo no rato adulto, ademais de subministraren neuronas ao bulbo olfactivo do rato.
O papel das CNNs durante as enfermidades está agora sendo dilucidado por varios grupos de investigadores de varias partes do mundo. As respostas durante a apoplexía, esclerose múltiple e enfermidade de Parkinson en modelos animais e humanos constitúen parte das investigacións actuais. Os resultados destas investigacións en marcha poden ter futuras aplicacións para tratar doenzas neurolóxicas humanas.
As CNNs realizan a migración e substitución das neuronas moribundas en experimentos clásicos realizados por Sanjay Magavi e Jeffrey Macklis. Usando danos inducidos por láser nas capas corticais, Magavi mostrou que as proxenitoras neurais da zona subventricular que expresan dobrecortina, unha molécula crítica para a migración dos neuroblastos, migraban a longa distancia á área dos danos e diferenciábanse en neuronas maduras que expresaban o marcador NeuN. Ademais, o grupo de Masato Nakafuku do Xapón mostrou por primeira vez o papel das células nai hipocampais durante as apoplexías en ratos. Estes resultados demostraron que as CNNs poden intervir no cerebro adulto como resultado dunha lesión. Adicionalmente, en 2004 o grupo de Evan Y. Snyder mostrou que as CNNs migran a tumores cerebrais de maneira dirixida. Jaime Imitola, M. D e colegas da Universidade Harvard demostraron por vez primeira un mecanismo molecular para as respostas das CNNs ás lesións. Demostraron que as quimiocinas liberadas durante a lesión como o SDF-1a eran responsables da migración dirixida das CNNs humanas e de rato a áreas lesionadas en ratos. Desde entón atopáronse outras moléculas que participan nas respostas das CNNs ás lesións. Todos estes resultados foron reproducidos e ampliados por outros investigadores unindo os traballos clásicos de Richard L. Sidman en autorradiografía para visualizar a neuroxénese durante o desenvolvemento, coa neuroxénese no adulto estudada por Joseph Altman na década de 1960, como probas das respostas das actividades das CNNs adultas e a neuroxénese durante a homeostase e a lesión.
A busca de mecanismos adicionais que operan no ambiente das lesións e como inflúen na respostas das CNNs durante a enfermidade aguda e crónica é unha materia en intensa investigación. Investigacións
Terapia rexenerativa das CNNs
A morte celular é unha característica dos trastornos agudos do sistema nervioso central e das doenzas neurodexenrativas. A perda de células amplifícase pola perda de capacidades rexenerativas para a substitución celular e reparación no sistema nervioso central. Unha maneira de sortear isto é usar a terapia de substitución de células por medio de CNNs rexenerativas. As CNNs poden cultivarse in vitro como neuroesferas. Estas neuroesferas están compostas de células nais e proxenitoras neurais (CNNP ou NSPCs, polas súas siglas en inglés) con factores de crecemento como EGF e FGF. A retirada destes factores de crecemento activa a diferenciación en neuronas, astrocitos ou oligodendrocitos, os cales poden transplantarse ao interior do cerebro no sitio da lesión. Os beneficios desta estratexia terapéutica examináronse na enfermidade de Parkinson, enfermidade de Huntington e esclerose múltiple. As células nai e proxenitoras neurais inducen a reparación neural polas propiedades intrínsecas da neuroproteción e inmunomodulación. Algunhas posibles rutas de transplante son a intracerebral e o xenotransplante.
Para as doenzas neurodexenerativas descubriuse outra terapia de transplante chamada indución direccional de CNNs. O transplante directo de CNNs ten limitacións e enfróntase aos problemas da baixa taxa de supervivencia e a diferenciación irracional. Para superar estas limitacións a indución directa de CNNs pretende manipular a diferenciación das CNNs antes do transplante. Actualmente as CNNs obtéñense dos tecidos de CNNs primarios, da diferenciación de células nai pluripotentes e da transdiferenciación a partir de células somáticas. As CNNs inducidas poden ser reprogramadas a partir de células somáticas. Polo tanto, a indución direccional toma CNNs de diferentes fontes e fórzaas a diferenciarse na liñaxe de células neurais desexada. Un exemplo de uso terapéutico desta técnica é a diferenciación específica das neuronas dopaminérxicas do mesencéfalo ventral en diferentes modelos de enfermidade de Parkinson. As terapias actuais para a enfermidade de Parkinson neurodexenerativa inclúen a terapia de substitución de dopamina. Isto funciona aliviando os síntomas do párkinson, mais conforme a doenza progresa, os mecanismos do alivio vense afectados de maneira non lineal.
Un método terapéutico alternativo para o transplante de células nais e proxenitoras neurais é a activación farmacolóxica de células nai e proxenitoras neurais endóxenas, as cales, unha vez activadas, producen factores neurotróficos, e varios tratamentos que activan unha vía que implica a fosforilación de STAT3 nun residuo de serina e a subseguinte elevación da expresión de Hes3 (eixe de sinalización STAT3-Ser/Hes3) oponse á morte neuronal e á progresión da enfermidade en modelos de trastornos neurolóxicos.
Xeración de modelos 3D in vitro do sistema nervioso central humano
As células proxenitoras neurais derivadas do mesencéfalo humano (hmNPCs polas súas siglas en inglés) teñen a capacidade de se diferenciar en múltiples liñaxes de células neurais que dan lugar a neuroesferas e a moitos fenotipos neurais. As hmNPC poden usarse para desenvolver un modelo 3D in vitro do sistema nervioso central humano. Hai dous xeitos de cultivar as hmNPCs, os sistemas de cultivo de monocapa adherente e os de neurosferas. O sistema de cultivo de neuroesferas fora anteriormente utilizado para illar e expandir as células nais do sistema nervioso central pola súa capacidade de facer agregarse e proliferar as hmNPCs en condicións de medios libres de soro, así como coa presenza do factor de crecemento epidérmico (EGF) e o factor de crecemento de fibrblastos-2 (FGF2). Inicialmente, as hmNPCs illábanse e expandíanse antes de realizar unha diferenciación bidimensional que se usaba para producir unha suspensión dunha soa célula. Esta suspensión dunha soa célula axudaba a conseguir unha estrutura 3D homoxénea de tamaño de agregado uniforme. A agregación tridimensional formaba neuroesferas que se usaban para formar o modelo 3D do sistema nervioso central in vitro.
Andamios bioactivos como tratamento das lesións cerebrais
Unha lesión cerebral traumática pode deformar o tecido cerebral, orixinando danos necróticos primarios que poden despois en fervenza activar danos secundarios como a excitotoxicidade, inflamación, isquemia e a degradación da barreira hematoencefálica. Os danos poden escalar e finalmente producir a apoptose ou morte celular. Os tratamentos actuais céntranse na prevención de danos estabilizando as hemorraxias, facendo diminuír a presión intracranial e a inflamación e inhibindo as fervenzas proapoptóticas. Para reparar os danos das lesións traumáticas cerebrais, unha opción terapéutica de próxima aparición será o uso de CNNs derivadas da rexión periventricular embrional. As células nai poden cultivarse nun ambiente tridimensional favorable de baixa citotoxicidade, un hidroxel, que incrementa a supervivencia das CNNs cando se inxectan en pacientes con lesión cerebral traumática. As CNNs cebadas inxectadas intracerebralmente migran ao tecido danado e diferéncianse en oligodendrocitos ou células neuronais que segregan factores neuroprotectores.
A galectina-1 en células nais neurais
A galectina-1 exprésase nas CNNs adultas e ten unha función fisiolóxica no tratamento de trastornos neurolóxicos en modelos animais. Hai dous enfoques á hora de usar as CNNs como tratamento terapéutico: (1) estimular CNNs intrínsecas para promover a súa proliferación para substituír o tecido lesionado, e (2) o transplante de CNNs na área do cerebro danada para permitir que as CNNs restauren o tecido. Utilizáronse vectores Lentivirus para infectar CNNs humanas (hSNC polas súas siglas en inglés) con galectina-1, as cales eran despois transplantadas ao tecido danado. As hGal-1-hNSCs inducían mellor e máis rapidamente a recuperación do tecido lesionado do cerebro e a redución dos déficits motores e sensoriais comparada co simple transplante de células nais neurais humanas.
Ensaios
As CNNs estúdanse normalmente in vitro usando un método denominado ensaio de neuroesferas (Neurosphere Assay ou sistema de cultivo de neuroesferas), desenvolvido inicialmente por Reynolds e Weiss. As neurosferas son entidades ceulares intrinsecamente heteroxéneas formadas case enteiramente por unha pequena fracción (do 1 ao 5 %) de CNNs que se dividen de vagariño e pola súa proxenie, unha poboación de células proxenitoras positivas para a nestina de división rápida. O número total destes proxenitores determina o tamaño dunha neuroesfera e, como resultado, as disparidades no tamaño da esfera en diferentes poboacións de neuroesferas pode reflectir alteracións na proliferación, supervivencia e/ou status de diferenciación dos seus proxenitores neurais. De feito, informouse que a perda da β1-integrina nun cultivo de neuroesferas non afecta significativamente a capacidade das células nais deficientes en β1-integrina de formar novas neuroesferas, pero inflúe no tamaño da neuroesfera: as neuroesferas deficientes en β1-integrina eran en conxunto menores debido ao incremento da morte celular e a redución da proliferación.
Aínda que o ensaio de neuroesferas foi o método de elección para o illamento, expansión e mesmo a contaxe das células nais neurais e proxenitoras, varias publicacións recentes salientaron algunhas das limitacións do sistema de cultivo de neuroesferas como método para determinar as frecuencias das CNNs. En colaboración con Reynolds, STEMCELL Technologies desenvolveu un ensaio baseado no coláxeno, chamado ensaio celular formador de colonias neurais (Neural Colony-Forming Cell ou NCFC), para a cuantificación das CNNs. Un dato importante é que este ensaio permite a discriminación entre células nais neurais e proxenitoras. Historia
A primeira evidencia de que había neuroxénese en certas rexións do cerebro de mamífero adulto vén de estudos de etiquetaxe con [3H]-timidina realizados por Altman e Das en 1965, os cales mostraron unha neuroxénese hipocampal posnatal en ratas xoves. En 1989 Sally Temple describiu células nai e proxenitoras autorrenovantes multipotentes na zona subventricular do cerebro de rato. En 1992 Brent A. Reynolds e Samuel Weiss foron os primeiros en illar células proxenitoras e células nais neurais do tecido do corpo estriado adulto, incluíndo a zona subventricular —unha das áreas neuroxénicas— do tecido do cerebro de ratos adultos. No mesmo ano o equipo de Constance Cepko e Evan Y. Snyder foron os primeiros en illar células multipotentes do cerebelo de rato e transfectáronas establemente co oncoxene v-myc. este é un dos xenes máis amplamente utilizado agora para reprogramar células non-nais adultas converténdoas en células nai pluripotentes. Desde entón, as células proxenitoras e nais neurais foron illadas de varias áreas do sistema nervioso adulto, incluíndo áreas non neuroxénicas, como a medula espiñal, e de varias especies de seres vivos, incluíndo a humana.