CC BY
18
УДК 612.824
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ЭМБРИОНАЛЬНОГО НЕЙРОТРАНСПЛАНТАТА НА МОЗГ
РЕЦИПИЕНТА
Гафиятуллина ГШ.
Ростовский государственный медицинский университет Россия, 344022, Ростов-на-Дону, пер. Нахичеванский, 29 [email protected]
Реферат
Трансплантация эмбриональной нервной ткани является методологической основой экспериментальной разработки механизмов самоорганизации головного мозга и способов протезирования сенсорных систем, возможной альтернативой традиционным методам лечения. Ключевыми вопросами, имеющими медико-биологическое значение, являются связанные с интеграцией пересаженной ткани, функционированием и условиями увеличения её жизнеспособности. После гомотопической аллоген-ной трансплантации фрагмента эмбриональной нервной ткани в кору мозга взрослого животного трансплантат растет и дифференцируется, образуя межнейронные связи с клетками хозяина, прорастает кровеносными сосудами, создавая тем самым основу для оксигенации и энергетического обеспечения своей деятельности. Жизнеспособность нейротрансплантата определяется воссозданием исходной иннервации мозга реципиента. Нейротрансплантация стимулирует репаративно-регенеративные процессы в поврежденном мозге и компенсацию нарушенных функций. В этой связи наибольшую актуальность приобретают вопросы оптимизации условий выживания и функционирования нейро-трансплантата.
Основными показателями эффективности приживления пересаженной ткани считают наличие у её клеток биоэлектрической активности, уровень которой поддерживается при условии их адекватного кровеобеспечения. Критериями же нормального функционального состояния реципиента являются характер видоспецифических и нормализация нарушенных после пересадки поведенческих реакций.
Экспериментальные исследования эмбриональной нервной ткани должны позволить конкретизировать механизмы её интеграции, использовать ее для коррекции, восстановления и протезирования функций центральной нервной системы после повреждения, связанного с гибелью части нейронов.
Ключевые слова: головной мозг; эмбриональный нейротрансплантат; кровоснабжение; гистогенез; биоэлектрическая активность; поведенческие реакции.
COMMON PRINCIPLES AND MECHANISMS OF AN EMBRYONIC NEUROTRANSPLANT'S IMPACT ON THE RECIPIENT'S BRAIN
Gafiyatullina G.Sh.
Rostov state medical University 29, Nakhichevansky str., Rostov-on-Don, 344022, Russia [email protected]
Abstract
The primary target of this survey was the study of regulative integrational processes within a sample of embryonic allogenic nervous tissue, transplanted into a recipient's brain.
Transplantation of embryonic neural tissue is a core methodological concept for both the research of brain autoorganization mechanisms and the experimental procedures in the creation of sensory systems' prosthetics. Above that, the procedure may serve as a possible alternative for the majority of the traditional methods, currently used in the field of neurosurgery. Some key problems of medicobiological significance
v4
are the integration of transplant tissue, its proper functioning and viability. After a sample of embryonic nervous tissue is being transferred into an adult animal's brain cortex by the means of homotopic allogenic transplantation, it begins to grow and to differentiate. During this process, blood vessels within the transplant itself and interneural communications with the recipient's cells are formed, thereby creating a solid basis for its oxygenation and maintenance of its energy supply. A neurotransplant's viability is measured by the degree of successful reconstruction of a recipient brain's initial innervation. The neurotransplantation itself stimulates reparative and regenerative processes in an injured brain and compensates for its broken functions. In this case, the question of foremost importance to the researchers is the optimization of both a neurotransplant's survival conditions and its proper functioning.
The efficiency of a neurotransplant's integration can be determined by the presence of its functional bioelectric activity, achieved through the adequate haemodynamic supply of the nervous tissue. The most important criteria of a recipient's normal functional condition are the changes in species-specific reactions and restoration of broken behavioural reactions, observed after the completion of a procedure.
Importantly enough, the ongoing studies of embryonic neurotransplantation will allow the researchers to properly define the nature of a transplant tissue's integration. Thus, it will be possible to develop blueprints for the procedure's practical use in correction, restoration and prosthetics of the central nervous system's functions, for instance after sustaining any kind of damage, resulting in the destruction of neurons.
Keywords: brain, embryonic neurotransplant, cerebral blood flow, histogenesis, bioelectric activity, behavioral reactions.
Цель работы состояла в проведении анализа научных сведений о закономерностях процесса интеграции аллогенного эмбрионального нейротранспланта-та (ЭНТ) с тканью мозга реципиента.
Трансплантация тканей имеет более чем вековую историю и включает в себя ряд направлений. Они касаются методологических приемов, возраста донора (зрелая, незрелая эмбриональная и фетальная нервная ткань) и реципиента, их видовой и родовой принадлежности, используемых для трансплантации структур, сроков трансплантации после забора материала (свежезабранный, кратко- и долгосрочно культивированный, консервированный), места введения трансплантата, использования отдельных составляющих нервной ткани и ткани мозга (глионейрональный комплекс, нейроны, астроциты, олигодендроциты, шванновские клетки, фрагменты периферического нерва, генетически модифицированные клетки, вегетативные ганглии), учета медиаторной специфичности трансплантированных нейронов, кратности трансплантации и сочетания трансплантации нейронов различной медиаторной специфичности [1-4].
Нейротрансплантология из частного раздела нейрохирургии превратилась в одну из современных нейронаук, достижения которой позволяют рассматривать ее как возможную альтернативу лечения ряда заболеваний при неэффективности традиционных способов консервативной и хирургической терапии, а также как основу исследований по биоуправлению мозгом [5-7]. Интерес к проблеме обусловлен возможностями метода для решения нейробиологических задач фундаментального и прикладного характера. Трансплантация эмбриональной нервной ткани открывает новые возможности в изучении принципов самоорганизации мозга, позволяет установить генетически обусловленные и зависящие от внешних влияний факторы развития нервных структур, изучить динамику регуляции ткани мозга в условиях его пластической реорганизации [8-10]. В этой связи
изучение возможности трансплантации ткани эмбрионального мозга взрослым животным приобретает и прикладное значение [11]. Целью трансплантации незрелой нервной ткани эмбрионального мозга является коррекция гено- и фенотипических нарушений функционирования мозга, усиленное снабжение ней-ротрансмиттерами, нейротрофическими факторами, нейропептидами, нейрогормонами, восстановление двигательных функций мозга, коррекция фенотипа мозга реципиента, изучение механизмов работы нормального мозга, моделирование ряда заболеваний [1214].
Одним из важнейших вопросов нейротрансплан-тологии остается механизм действия ЭНТ на мозг реципиента, который не может быть описан традиционными методами оценки, так как речь идет о воздействии живой донорской клетки. Своеобразная диверсификация влияния ЭНТ являет собой результат взаимодействия полифункциональных систем мозга и изолированных функциональных систем, трансплантированных отдельных нервных клеток, итогом которого является активация компенсаторных возможностей нейронов реципиента, развитие метаболической кооперации клеточных систем донора и реципиента [15-17]. При этом существенная роль принадлежит восстановлению отдельных компонентов микроцир-куляторного русла и активации механизмов поддержания кровотока в ЭНТ.
Полагают, что эффекты ЭНТ связаны с эмбриоспе-цифическими ростовыми факторами, цитокинами и сигнальными молекулами, способными активировать регенерацию. ЭНТ обеспечивает выживание клеток реципиента, восстанавливает молекулярный и клеточный гомеостаз [18, 19].
Воздействия ЭНТ на мозг реципиента, в основном, осуществляется на основе нижеследующих механизмов. Это острое влияние на поврежденный мозг нейротрофических и ростостимулирующих факторов; хроническое диффузное выделение нейротранс-
миттеров в мозг реципиента; реиннервация мозга реципиента со стабильным выделением медиаторов на физиологическом уровне; использование ЭНТ в качестве матрикса для прорастания нейронов, соединяющих разобщенные участки поврежденного мозга; реципрокная иннервация и интеграция ЭНТ с мозгом реципиента.
Одним из важных компонентов, лежащим в основе действия на организм реципиентов донорской ткани, является состав содержащихся в ней физиологически активных веществ [20]. В конце эмбрионального и начале фетального этапов эмбриогенеза у крыс (17-18 сутки пренатального периода) развиваются эндокринные железы и синтезируются все известные гормоны. Это касается гормонов гипоталамо-гипофизарной системы, катехоламинов, таурина, проникающих в мозг крысы через незрелый гематоэнцефалический барьер [21]. Проникновение макромолекул не вызывает аутоиммунных реакций, вследствие иммуносу-прессии со стороны матери и зародыша [22], вызванной а-фетопротеином и ростовым фактором TGF-P2, а также дофамином и серотонином [23, 24].
Особенности гистогенеза и кровоснабжения ЭНТ. ЭНТ содержат бластные и стволовые клетки, имеющие мощный потенциал пролиферации, привносящие комплекс ростовых факторов, действующих на региональные стволовые клетки и стимулирующих регенерацию донорской ткани [25]. Фактор роста нейронов, мозговой нейротрофический фактор, нейро-трофины 3; 4/5; 6 взаимодействуют со специфическими рецепторами, способствуют созреванию нейронов и проводящих путей, регулируют метаболизм, диффе-ренцировку развивающихся тканей, митотическое деление нейронов, образование нейронных сетей уже в период эмбрионального развития [26, 27]. Наивысшая концентрация нейротрофинов выявляется в эмбриональной ткани и при повреждениях зрелого мозга, они также участвуют в активации механизмов регенерации. Активация транскрипционных механизмов связана с генами немедленного реагирования [28]. В эмбриональном мозге имеются индукторы, тормозящие реактивные клеточные и гуморальные процессы и возбуждение, вследствие чего клетки развиваются при минимальных энергозатратах и не отторгаются. ЭНТ предотвращает апоптоз и некроз чувствительных к гипоксии нейронов, при этом факторы, вызывающие апоптоз, индуцируют дифференцировку нейро- и гли-областов ЭНТ [29]. В ответ на повреждение, нейронами, микро- и астроглией, эндотелиальными клетками ЭНТ и реципиента продуцируются интерлейкины и фактор некроза опухоли. Активируются саногенные механизмы мозга, направленные на уменьшение вторичной деструкции ткани [30], ЭНТ выделяет сомато-статин и энкефалин, обладающие нейротрофическим действием [31].
В механизме влияния ЭНТ на мозг реципиента выделяют воздействие специфическое и неспецифическое, прямое и модулирующее [32]. Специфическое воздействие связано с компенсацией дефектов, вызванных активностью тканей реципиента, и представляет собой заместительную клеточную терапию.
Специфические факторы, влияя на уже дифференцированные клетки в мозге реципиента, стимулируют синтез нейромедиаторов и белков, способствуют образованию новых рецепторов и синапсов, обеспечивают синаптическую передачу. При этом на ранних этапах приживления прямое воздействие ЭНТ, детерминированное его химическим составом, связано с выделением физиологически активных веществ, действующих на клетки-мишени реципиента [33]. На отдаленных этапах приживления, в условиях образования нейрогуморальных связей ЭНТ с мозгом реципиента, прямое действие определяется активностью ЭНТ, который синтезирует химические факторы и поставляет их в мозг реципиента. При модулирующем воздействии ЭНТ на ранних этапах приживления, при сохранении уникальных свойств незрелой нервной ткани, в мозге реципиента запускаются процессы биосинтеза, необходимые для поддержания в нем гомео-статического равновесия. Компенсаторное влияние ЭНТ обусловлено неспецифическим действием трофических факторов [11]. При травме мозга на ранних этапах ЭНТ оказывает иммуносупрессорное действие, предотвращая этим развитие воспаления аутоиммунной природы [34].
На поздних этапах приживления ЭНТ синтезирует и выделяет в мозг реципиента комплекс веществ, модулирующих каскад специфических и неспецифических химических процессов. Неспецифические механизмы действия пересаженных клеток приводят к активации регенераторных процессов, регулируемых на клеточном и эпигеномном уровне, проявляющихся в виде пролиферации и дифференцировки, тормозят отторжение ЭНТ. Регенерация и морфогенез контролируются нервной, эндокринной и иммунной системами, что усиливает внутриклеточные репаративные процессы и модулирующее действие ЭНТ на функции нейронов, приводящее к активации процессов передачи импульсов в синапсах и формирования памяти. Подобная трактовка механизма трансплантации основана на работах, доказывающих проницаемость гема-тоэнцефалического барьера для биологически активных веществ и клеток [35].
Вывод, сделанный рядом авторов, сводится к необходимости применения схем трансплантации, при которых ЭНТ длительно воспроизводил ощутимые положительные результаты и не отторгался бы в течение всей жизни реципиента. При этом ЭНТ вызывает неспецифическую стимуляцию мозга, ускорение резорбции продуктов аутолиза в контузионном очаге, стимулирует иммунные реакции. Важным аспектом в интерпретации механизмов действия и отсутствии посттрансплантационных осложнений является наличие в ЭНТ слабо экспрессированных комплексов главных антигенов гистосовместимости [36].
Эмбриональные клетки дифференцируются в ответ на стимулы окружающей среды. Пластичность ЭНТ обусловливает их приспособляемость за счет роста и миграции, возможности образовывать межклеточные контакты, способности аксонов их нейронов прорастать через глиальный рубец на границе с мозгом реципиента, а также формировать функцио-
1л
нальные контакты с несвойственными им клеточными мишенями неокортекса [36]. Фетальные клетки способны активно использовать гликолиз в качестве источника энергии, благодаря чему они обладают высокой устойчивостью к гипоксии. Гомотопическая трансплантация усиливает синтез антиокислительных ферментов, что ускоряет компенсацию повреждения и нормализует поведенческие функции [37]. При этом ткань ЭНТ активирует процессы гликолиза и в мозге реципиента, снижает его потребность в кислороде в условиях неэффективной микроциркуляции [38]. Ан-тиоксидантные свойства ЭНТ связывают с высоким содержанием в нем катехоламинов [39].
Васкуляризация ЭНТ является чрезвычайно ускоренной по сравнению с васкуляризацией мозга в онтогенезе. Беспорядочное врастание сосудов в ЭНТ приводит к бессистемному расположению в нем нейронов. При аллотрансплантации фрагментов ткани сосуды ЭНТ происходят из нервной ткани, а сосуды нейропиля диссоциированных клеток - из окружающей ткани [40]. Двойное происхождение сосудов ЭНТ проявляется наличием в его «новых» капиллярах и более крупных сосудах эндотелиальных клеток реципиента. Существенную роль в выживании нервной ткани играет способность к восстановлению гемато-энцефалического барьера. В ЭНТ обнаруживаются капилляры со всеми типичными характеристиками барьерных сосудов [40]. До васкуляризации ЭНТ его оксигенация и энергетическое обеспечение происходит путем диффузии из окружающей ткани реципиента. Через 24 часа после пересадки внутрижелудочко-вые ЭНТ содержат сосуды, происходящие из мягкой мозговой оболочки реципиента. Прилежащие пиаль-ные сосуды вначале окружают ЭНТ по периметру, а затем врастают в него. В интрапаренхимальных ЭНТ отдельные сосуды появляются через 72 часа, а спустя 3-5 суток появляются первые анастомозы, включающие сосуды реципиента и собственные, воспроизводящие сходный характер роста [41]. Сосудистая сеть ЭНТ формируется в течение первой недели после пересадки, а рециркуляция внутри ЭНТ устанавливается в течение 2-4 суток и обуславливается анастомозами с сосудами мозга хозяина [42]. Кроме того, на данном этапе интеграции в ненервных трансплантатах отмечено снижение кислородного потенциала, сопровождающееся уменьшением уровня кровотока [43].
Трансферриновые рецепторы, специфичные для эн-дотелиальных клеток, обнаружены на 3-5 сутки в нераскрытых сосудах, а на 10 сутки - в объединенных с сетью реципиента. На 15 сутки после гомотопической алло-трансплантации коры в ЭНТ имеются сосуды, врастающие из коры реципиента. Регионарная капилляризация билатеральных имплантатов соответствует принципам васкуляризации неокортекса, причем в зоне полного слияния нейропиля между ЭНТ и окружающей тканью имеется непрерывный переход капилляров [44]. В области глиоменингиального рубца густота капилляров снижена, но сосуды донора и реципиента образуют непрерывную гибридную сеть [45].
Локализация ЭНТ определяет размеры и степень ветвления его сосудов, максимальная выраженность
которых достигается при внутрижелудочковых пересадках, меньшая - при неокортикальных. При пересадке в поврежденный таламус суспензированных ЭНТ их васкуляризация заканчивается формированием капилляров и гематоэнцефалического барьера, сопровождающаяся повышением плотности нейронов в центральной зоне ЭНТ. При пересадке в боковой желудочек, мозолистое тело и стриатум фрагментов неокортикальной ткани, сосуды в ЭНТ появляются на 3 сутки, а полная сеть, сходная по структуре с реципиентом - на 28 сутки [41]. В нейронах ЭНТ в течение 12 месяцев присутствуют сосуды, происходящие из донорской ткани, а в его глиальных элементах -проросшие сосуды реципиента, причем тип пересаженной нервной ткани определяет проницаемость его капилляров. К 12 суткам после пересадки ЭНТ воссоздается интегральная сосудистая сеть и гематоэнцефали-ческий барьер в системе «хозяин-трансплантат» [29]. Количество кровеносных сосудов в 2-месячном ЭНТ адекватно плотности созревающих нейронов, проницаемость гематоэнцефалического барьера не нарушена [46].
При пересадке ЭНТ в ткань, подвергшуюся гипоксии, восстановление ускоряется в 2-4 раза. Проницаемость барьера сохраняется для нейромедиато-ров, в частности, для дофамина. Объяснение этому можно найти в активном продуцировании клетками ЭНТ фактора, индуцирующего синтез поверхностного трансмембранного иммуноглобулина - клеточного белка НТ7, который экспрессируется эндотелиальны-ми клетками микрососудов и регулирует его проницаемость [41]. Восстановление гематоэнцефалического барьера, зависящее от вида ЭНТ и метода трансплантации, происходит примерно через 15-20 суток после пересадки; через 21 день его регенерация отмечена у 67%, а через 50 дней - у 90% ЭНТ телэнцефалона [13]. К 7-10 дню после пересадки объем ангиогенеза определяет локальная среда собственно ЭНТ [35]. При этом пре- и постсинаптические компоненты воспроизводят свои ультраструктурные характеристики [47].
В организации стенки микрососудов и плотности клеточных элементов ЭНТ имеются различия. Через 3-4 месяца приживления капилляры центральных зон ЭНТ сходны с внутримозговыми, по периферии имеются признаки повышения их проницаемости: в местах агрегации клеток соединительной ткани ба-зальная мембрана перфорирована и фенестрирована, при этом состав клеточных элементов нейропиля постоянен. Существует три источника развития в ЭНТ капилляров: в первом случае они сохраняются в донорской ткани и анастомозируют; во втором - врастают из ткани хозяина; в третьем - дифференцируются в зависимости от типа окружающей ткани [48, 49].
На клетках эндотелия ЭНТ и раневой поверхности мозга крыс установлено наличие белка, транспортирующего глюкозу (GLUT-1) и регулирующего ее облегченную диффузию. Начиная с 1-ой недели приживления, содержание GLUT-1 в области контакта сосудов с астроцитами повышается, достигая нормальных значений к 12-15 месяцу [29]. В первые 3 недели после пересадки клетки ЭНТ не способны утилизировать
глюкозу из-за отсутствия энзимов для кислородоза-висимого фосфорилирования. Нарушение гематоэн-цефалического барьера реципиента дает возможность использовать энергетические субстраты зрелого мозга, диффузно проникающие в ЭНТ [29, 50]. Примером интеграции ЭНТ соматической коры мозга с нейро-пилем реципиента является повышение метаболизма глюкозы в ЭНТ на месте инфаркта мозга и в подкорковых проводящих путях при сенсорной стимуляции вибрисс [51]. При пересадке в ишемизированную область мозга ЭНТ, содержащего мезенхимальные клетки, условием восстановления познавательной функции мозга крыс явился оптимальный уровень ан-гиогенеза [45]. Эндотелиальные клетки донорских сосудов дифференцируются, сохраняя исходный гено- и фенотип [49].
Локальный кровоток внутрипаренхиматозных ЭНТ ниже, чем внутрижелудочковых. Проницаемость микрососудов сохраняет свойства in situ в течение первых 7 суток, а между 1 и 4 неделей после пересадки снижается в 2 раза, как и константа диссоциации кровь-ткань [52].
Эмбриональная нервная ткань содержит нейро-эпителиальные, недифференцированные матричные клетки и нейробласты. Количественное соотношение этих компонентов определяется возрастом эмбриона-донора. Гетеротопическая аллотрансплантация ткани телэнцефалона, полученной от более молодых 15-дневных эмбрионов, в передний мозг крысы выявила интенсивный рост ЭНТ в течение 12 месяцев, что было связано с наличием в неокортикальной ткани митотически активных нейроэпителиальных клеток, тогда как у более зрелых трансплантатов были выявлены митотически активные постмитотические нейро-бласты [53, 54]. Чем меньше возраст пересаживаемой ткани, тем оптимальнее она приживается и большего размера достигает, что объясняется большим содержанием делящихся нейроэпителиальных клеток и лучшей переносимостью нейробластами донорской ткани ранних сроков гестации периода отсутствия ва-скуляризации. Рост имплантата происходит в течение 2 месяцев после пересадки, его потенциал определяется сроками генерации основных клеточных элементов структуры, а максимум прироста (800%) наблюдается при взятии донорской ткани на 16-18 сутки развития эмбриона крысы [10, 11, 18, 32]. На ранних этапах приживления ЭНТ дифференцировка его клеток зависит от свойств самой донорской ткани, на поздних - от степени интеграции ЭНТ с тканью мозга реципиента [32].
Неокортекс 15-дневных эмбрионов крыс, состоящий из нейроэпителия, проходит в своем развитии 3 фазы: пролиферации, миграции и дифференцировки, в том числе до больших и малых пирамидных нейронов. При этом нейроэпителиальные клетки изменяют пролиферативную активность, миграцию клеток, что проявляется в реорганизации герминативного пласта [53].
Топография нейронов в ЭНТ значительно отличается от взрослого мозга: нейроны расположены беспорядочно, в виде розеток [11], что связано с нарушением миграции нейробластов вследствие изменения
микроокружения, определяющего пути движения клеток в ткани ЭНТ [32]. При этом отсутствует типичная послойная организация неокортекса [30, 38]. Численная плотность нейронов в ЭНТ неокортекса ниже, чем в зрелом мозге, но в центре его густота клеток выше [18]. В ЭНТ матричная активность ядерного хроматина снижена [33].
В ЭНТ детерминированы формообразование клеток и характер межклеточных взаимоотношений, однако под действием факторов мозга-хозяина меняются форма отростков и плотность дендритных шипиков пирамидных клеток. В ЭНТ неокортекса выявляются нейроны всех размеров, характерные для зрелой коры. Предшественница нейронов - полипотентная стволовая нервная клетка мозга, митотическая активность которой поддерживается факторами роста, свойственными и ЭНТ, продуцирует клетки всех корковых слоев, астроциты и олигодендроциты [15]. Следовательно, пластичность ЦНС связана не только с перестройкой нейронов и их связей, но и с образованием новых популяций нервных клеток в онтогенезе [9]. Герминативный эпителий сохраняется в ЭНТ до 2 месяцев после гомотопической аллотрансплантации ткани переднего мозга. Окончательная топография нейронов ЭНТ устанавливается под влиянием окружения мозга-хозяина при последнем митотическом делении. Среди клеток ЭНТ наиболее высокая пластичность свойственна но-радренергическим, менее выраженная - холин-, дофамин-, серотонинергическим нейронам [12, 20, 23, 36]. Показано, что холинергические клетки ЭНТ изменяют медиаторный фенотип на адренергический [39], а но-радренергические - на дофаминергический [55].
Под влиянием развивающегося ЭНТ в нейронах мозга реципиента прекращаются деструктивные процессы, восстанавливается ультраструктура дистрофически измененных после гипоксии нейронов [38]. ЭНТ способствуют аксональной регенерации зрелых нейронов реципиента, ввиду наличия во взрослом мозге ранних предшественников нейронов, способных к делению и дифференцировке. В развивающейся ткани мозга происходит распознавание специфических постсинаптических мишеней, результатом чего является образование специфической иннервационной структуры в имплантированной ткани [54].
В гомотопических ЭНТ неокортекса дифференци-ровка клеток происходит синхронно с таковой при нормальном онтогенезе, имплантированная ткань способна к воспроизведению цитоархитектоники, типичной для зрелого мозга [10, 11]. При этом через 45 дней после пересадки в ЭНТ неокортекса отсутствуют дистрофические клетки, а через 100 дней в нем обнаруживаются зрелые и молодые нейроны и нейробласты [38].
Эмбриональные нервные клетки мигрируют на расстояние до 4 мм [32]. В то же время в литературе указывается на недостаточность процессов формообразования пересаженных нейронов, что связано с нормализацией экспрессии белков и активности ферментов в ЭНТ через 10-12 недель. Причинами незрелости неокортикальных ЭНТ считается ишемиче-ское повреждение, обусловленное нарушением путей
1л
миграции и синаптических связей [29]. Нервные и глиальные клетки внутрикорковых ЭНТ мигрируют в ткань мозга реципиента на расстояние до 1000 мкм. Пересаженные клетки гиппокампа мигрируют на расстояние 1-1,5 мм, локализуясь в сером веществе и вокруг кровеносных капилляров. Пролиферация клеток ЭНТ происходит и в область эксайтотоксического повреждения клеток [32, 56, 57].
Несмотря на преобладание в ЭНТ высокодиффе-ренцированных нервных и глиальных клеток, происходит его реорганизация, связанная с высокой функциональной активностью. Признаки ювенильности сохраняются у долгоживущих ЭНТ, что проявляется наличием немиелинизированных аксонов и конусов роста в них [18, 35, 45]. Возможность образования межнейронных связей, их специфичность, вытекающая из этого способность замещения ЭНТ поврежденной части мозга имеют принципиальное значение для восстановления нарушенной функции. При удалении фрагмента лобной коры из имплантатов гиппокампа прорастают тонкие аксоны, которые ветвятся, формируют плотную сеть, проникают в ткань мозга реципиента. В ЭНТ имеются и дегенеративные изменения, демиелинизация аксонов [58].
Важными факторами приживления и функционирования ЭНТ являются его нейрохимический состав и медиаторное обеспечение нейронов. Врастание аксонов от холинергических ЭНТ переднемозговой области к холинергически деафферентированной коре у крыс происходит через 8-10 недель [59]. Миелини-зация аксонов ЭНТ начинается через 2 недели после пересадки. При дифференцировке ГАМК-ергических нейронов происходит экспрессия кальций-связываю-щих белков, характерная для постнатального периода и коррелирующая с нейронной интеграцией ЭНТ [32]. Внутрижелудочковые ЭНТ формирует дивергентные коллатерали в ростральные и каудальные отделы мозга хозяина [48].
Интеграция ЭНТ приводит к проникновению донорских аксонов в отдаленные структуры мозга. Ден-дриты в ЭНТ располагаются по периферии. Форма и характер нейронов в ЭНТ детерминированы, но геометрия апикальных дендритов и плотность шипиков на них могут меняться [57].
При аллотрансплантации эмбрионального неокор-текса 80% ЭНТ сливаются с мозгом реципиента, часть дендритов пересекает границу между ними [8]. При этом у части нейронов ЭНТ сома и длина дендритов уменьшаются, а их разветвленность возрастает; у других - длина дендритов и их разветвленность увеличивается, они ориентированы к области контакта ЭНТ с тканью реципиента. Главными факторами роста волокон ЭНТ при реиннервации являются среда, в которой расположены ЭНТ, его ростовые способности и выраженность глиального рубца [57, 60].
При пересадке ЭНТ неокортекса в мозг новорожденных крысят выявляются каллозальные и таламиче-ские проекции от ЭНТ к структурам мозга реципиента [58]. При аллотрансплантации латерального коленчатого тела эмбрионов в затылочную кору крысят количество аксодендритических синапсов возрастает к 30
суткам, ЭНТ и мозг реципиента имеют общий нейро-пиль [57, 58]. При гомотопической трансплантации в поврежденный таламус суспензии эмбриональных клеток связи таламуса с соматической корой мозга восстанавливаются. В то же время через 6 месяцев после пересадки нарушается топография отростков нейронов и распределение постсинаптических элементов на дендритах ЭНТ, что свидетельствует о деструкции таламокортикальных проекций в имплантате [50, 57].
Наибольшее количество реципрокных связей ЭНТ относится к эфферентным, причем определяются они локализацией ЭНТ, а не природой его нейронов. Прорастание волокон из ЭНТ в мозг хозяина зависит от участка в мозге эмбриона, из которого получена ткань. Характер организации связей внутри ЭНТ и в интакт-ной коре мозга сходен [22, 56]. Основой образования специфических реципрокных связей, ввиду зависимости синаптогенеза от окружающих трансплантированных астроцитов, является их миграция [61]. Через 14 месяцев после введения в моторную кору ЭНТ из контрлатеральных зон, меченые нейроны находились в участках фронтальной коры и специфических ядрах таламуса. При этом гомотопический ЭНТ фронтальной зоны неокортекса, имплантированный новорожденным крысятам, способствует восстановлению архитектоники связей, характерной для интактной соматической коры [57, 58]. Модуляция синаптической пластичности в ЭНТ определяется избирательной активацией каскадов пресинаптических энзимов, которые ускоряют рост аксонов, синаптогенез и участвуют в регуляции местных сосудистых реакций [58].
При помещении ЭНТ в предварительно денерви-рованный участок мозга реципиента объем образующихся связей возрастает [11, 24]. На перфузируемых срезах неокортекса установлена активирующая роль NMDA-рецепторов в синаптических взаимоотношениях и в реализации связей между ЭНТ и неокортек-сом реципиента [62]. При этом глия располагается по периферии ЭНТ, дифференцировка ее элементов происходит синхронно с нормой [61].
Особенности биоэлектрической активности ЭНТ. Синаптические связи между клетками ЭНТ и мозга реципиента подтверждены электрофизиологи-чески [60, 63, 65]. При стимуляции ЭНТ, помещенного в ядро латерального коленчатого тела, вызванные возбуждающие и тормозные постсинаптические потенциалы регистрируются в 17 поле зрительной коры, а при её стимуляции биоэлектрические потенциалы обнаруживаются в ЭНТ [54]. Реактивность и латентный период ответов нейронов на электрическую и сенсорную стимуляцию суспензированных и тканевых ЭНТ практически не различаются. Клетки суспензированных ЭНТ соматической коры отвечают на тактильную стимуляцию торможением импульсной активности нейронов [60]. При электростимуляции поля фронтальной коры, проецирующегося в область ЭНТ неостриатума, выявлено сходство ответов нейронов, свидетельствующее об общности их иннервации.
Функциональные связи между ЭНТ и мозгом реципиента при гетеротопической аллотрансплантации устанавливаются в соответствие с восстановлением холинергической медиации [59]. Минимальная тре-
буемая плотность нейронов ЭНТ с высоким уровнем импульсной активности составляет 1х105 клеток в 1 см3 ткани [64].
В мезенцефалическом ЭНТ функционируют нервные клетки, обладающие разными электрофизиологическими свойствами - с нерегулярной, пачечной, либо комбинированной импульсной активностью. При этом у крыс с незрелыми пересаженными клеточными структурами происходит быстрое восстановление нарушенной локомоторной деятельности [65-67]. По данным электрофизиологических исследований интеграция неокортикальной ЭНТ 17-дневного эмбриона крысы через 4-6 месяцев после пересадки была больше выражена при гомотопической варианте трансплантации, чем при гетеротопическом. Однако возможность восстановления нейронных сетей предполагает наличие у нейронов ЭНТ способности к воссозданию исходной структуры иннервации мозга реципиента, а у анализаторной системы зрелого мозга - к образованию и функционированию афферентных входов к ЭНТ, и дифференцировке им параметров раздражителя [60, 66, 68]. В ЭНТ зрительной коры амплитуда спайков, латентные периоды и паттерны вызванной импульсной активности нейронов не отличаются от интактных, сохраняются топические проекции зрительных полей и двусторонние связи с мозгом реципиента, среди которых выделяют центростремительные кортикальные и афферентные таламические [57, 69].
Таким образом, показателем эффективности приживления ЭНТ является наличие у клеток пересаженной ткани биоэлектрической активности, уровень которой поддерживается при адекватном циркулятор-но-метаболическом обеспечении нервной ткани [70]. Критериями нормального функционального состояния ЭНТ, а также уровня его интеграции являются изменения видоспецифических и восстановление ранее нарушенных поведенческих реакций после пересадки эмбриональной ткани.
Особенности поведенческих реакций крыс с ЭНТ. Разнообразные аспекты влияния нейротранспланта-ции на функциональное состояние мозга реципиента изучены в основном посредством исследования безусловных рефлексов, условно-рефлекторной и познавательной деятельности, механизмов памяти животных после пересадки ЭНТ в интактную и поврежденную нервную ткань [31, 67].
При внутримозговой трансплантации глио-нейро-нальных агрегатов эмбрионального мозга наблюдается ускоренная выработка условного рефлекса. Реорганизация медиаторных систем мозга в присутствии ЭНТ, повышение норадреналина в неокортексе при пересадке норадренергических нейронов синего пятна обусловливает изменение характера поведения [60, 72]. Уменьшение дефицита обучения, вызванного химической деструкцией пирамидных нейронов, а также нормализация поведения происходят вследствие восстановления после трансплантации высвобождения ГАМК, ацетилхолина и глутамата. Пересадка ацетил-холинергических нейронов восстанавливает зрительно-пространственный выбор, нарушенный при хо-линергической денервации гиппокампа, а количество
ацетилхолина при этом регулируется мозгом реципиента и увеличивается при поведенческой активации [73]. ЭНТ мозга крыс с поврежденной амигдалой предотвращает развитие дегенеративных изменений и способствует нормализации поведения, а также компенсации и регенерации посттравматических нарушений [10, 74, 75].
Одним из возможных механизмов защитного влияния ЭНТ на когнитивную функцию мозга считают активацию гиперпластических процессов в нейронах. У крыс-реципиентов с имплантированным в поврежденную моторную кору 17-дневным ЭНТ отмечено улучшение обучения задаче подкрепляемого выбора вследствие действия нейротрофических факторов, а также афферентных влияний моторных ядер таламуса хозяина на ЭНТ [34]. Доказательством правомерности сделанного заключения являются данные исследования с пересадкой ЭНТ в токсически поврежденные области неокортекса, переднего мозга, неостриатума. У животных происходила компенсация сенсомоторного дефицита и поведенческих реакций избегания, формировались электрофизиологически активные связи с подкорковыми ядрами [22, 54]. Гомотопические ЭНТ оказывают превентивное саногенное влияние на поведенческие нарушения, вызванные воздействием на стриатум холинотоксина [71].
ЭНТ влияет на состояние синаптических связей с мозгом реципиента и выделение им нейротрофи-ческих факторов, что приводит к восстановлениию познавательной функции. Нарушения памяти, вызванные старением, повреждением неокортекса или холинергической иннервации гиппокампа у крыс компенсируются при пересадке ЭНТ [71, 76].
Таким образом, экспериментальные и клинические исследования ЭНТ не указывают на перспективы их быстрого и широкого внедрения в практику. Прежде всего, это связано с тем, что при имплантации ряда структур эмбрионального мозга интеграция пересаженной ткани носит частичный характер, образование структурных связей ограничивается неполным и неглубоким врастанием ограниченного числа нервных волокон, что не позволяет говорить о полном восстановлении целостности мозга [75]. Кроме того, остаются без ответа главные вопросы: каковы оптимальные условия для выживания и функционирования ЭНТ и как можно увеличить приживаемость пересаженных нейронов и аксональные связи с мозгом хозяина? При этом предпринимаются различные варианты пересадки нервной ткани и ее производных [4, 40, 74].
Разрешение многих оставшихся без ответа клинически важных вопросов возможно на экспериментальных моделях [73], прежде всего из-за расширения круга патологических состояний мозга, при которых используется нейротрансплантация. Ключевые проблемы связаны с необходимостью изучения структурно-функциональной организации нейронов ЭНТ, его кровоснабжения, анализа поведенческих реакций животных после пересадки [5, 7, 57].
Воспроизведение в ЭНТ морфологических и биохимических органотипических характеристик позволяет предполагать, но не доказывает, что транс-
v4
плантированные клетки сохраняют физиологические свойства. Важность данного вопроса определяется тем, что только при нормальном функционировании нейронов возникает возможность использования ЭНТ как для коррекции дефектов мозга, так и с целью верификации ряда теоретических обоснований приживления имплантатов.
Несмотря на активно проводимые исследования, проблема интеграции ЭНТ с тканью головного мозга реципиента пока не решена - данные, полученные с использованием новых методических подходов, часто не укладываются в существовавшие годами схемы. Для понимания механизмов интеграции ЭНТ недостаточно сведений об особенностях развития компенсаторно-приспособительных реакций разного генеза на этапах становления системы «хозяин-трансплантат», гемодинамических характеристиках пересаженных нейронов. Механизмы контроля адекватного кровоснабжения, биоэлектрической активности ЭНТ на
разных этапах реорганизации пересаженной нервной ткани на протяжении всей жизни животного-реципиента продолжают оставаться невыясненными. Решение данных вопросов требует получения нового экспериментального обоснования [3, 6, 65], ввиду того, что уровень современных знаний не соответствует теоретической значимости проблемы, не позволяет эффективно решать задачи, связанные с разработкой методов коррекции приживления ЭНТ как в эксперименте у животных, так и при лечении нейродегене-ративных заболеваний. Не исключено, что факторами, обеспечивающими физиологическую активность ЭНТ и определяющими его компенсаторные возможности, являются характер устойчивости системы локального кровоснабжения функционально однородных нейронных популяций ЭНТ, его циркуляторного гомеостаза в целом, а также реактивность мозговых сосудов пересаженной эмбриональной нервной ткани [70].
ЛИТЕРАТУРА
1. Avivi-Arber L, Lee J-Ch, Yao D, Adachi K, Sessle BJ. Neuroplasticity of face sensorimotor cortex and implications for control of orofacial movements. Japan Dental Science Review. 2010; 46: 132142.
2. Fass DM, Schroeder FA, Perlis RH, Haggarty SJ. Epigenetic mechanisms in mood disorders: targeting Neuroplasticity. Neuroscience. 2014; 264: 112-130.
3. Гафиятуллина Г.Ш., Хананашвили Я.А. Принципы организации эмбрионального нейротрансплантата коры головного мозга. Вестник новых медицинских технологий. 2011; 18 (1): 100-104. doi:10.24411/issn.1609-2163.
[Gafiyatullina G.Sh., Khananashvili Ya.A. Principles of organization of somatic' brain embryonic neurotransplant. Journal of New Medical Technologies. 2011; 18 (1): 100-104. (In Russ.). doi:10.24411/issn.1609-2163].
4. Шумаков В.И., Онищенко Н.А., Крашенинников М.Е. Костный мозг как источник получения мезенхимальных клеток для восстановительной терапии поврежденных органов. Вестybr трансплантологии и искусственных органов. 2002; 4: 3-6.
[Shumakov VI., Onishchenko N.A., Krasheninnikov M.E. Marrow as a source of production mesenchymal cells for recovery therapy the damaged organs. Russian journal of transplantology and artificial organs. 2002; 4: 3-6. (In Russ.)].
5. Keil W, Schmidt K-F, Lowel S, Kaschube M. Reorganization of columnar architecture in the growing visual cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2010; 107 (27):12293-12298.
6. Gafiyatullina G.Sh., Khananashvili Ya.A. The baseline and evoked spike activity in neurouns in embryonic neurotransplants of the somatosensory cortex in rats. Neuroscience and behavioral physiology. 2006; 36 (4): 379-383. doi: 10.1007/s11055-006-0028-6.
7. de Gobbi FH, Foxa AM, Tuscha ES, Sorondb F, Mohammed AH, Daffnera KR. In vivo evidence for neuroplasticity in older adults. Brain Research Bulletin. 2015; 114: 56-61.
8. Брагин А.Г., Стафехина В.С. Нейронная активность в суспензионных трансплантатах неокортекса. Журнал высшей нервной деятельности. 1992; 42 (5): 955-964.
[Bragin A.G., Stafekhina V.S. Neural activity in suspension transplants of neocortex. I.P. Pavlov Journal of Higher Nervous Activity. 1992; 42 (5): 955-964. (In Russ.)].
9. Гилерович Е.Г., Отеллин В.А. Трансплантация эмбриональной нервной ткани как модель изучения ранних этапов становления центральной нервной системы. Успехи физиол. наук. 2001; 32 (1): 38-47.
[Gilerovich E.G., Otellin V A. Transplantation of embryonic nervous tissue as model of studying early stages formation of the central nervous system. Uspekhi fiziologicheskih nauk. 2001; 32 (1): 38-47. (In Russ.)].
10. Лосева Е.В. Нейротрансплантация фетальных тканей и компенсаторно- восстановительные процессы в центральной нервной системе. Успехи физиол. наук. 2001; 32 (1): 19-37. [Loseva E.V Neurotransplantation of fetal tissues and compensatory regenerative processes in the central nervous system. Uspekhi fiziologicheskih nauk. 2001; 32 (1): 19-37 (In Russ.)].
11. Виноградова О.С. Нейронаука конца второго тысячелетия: смена парадигм. Журнал высшей нервной деятельности. 2000; 50 (5): 743-774.
[Vinogradova O.S. Neuroscience of the end of the second millennium: a paradigm shift. I.P. Pavlov Journal of Higher Nervous Activity. 2000; 50 (5): 743-774 (In Russ.)].
12. Bjorklund L, Spender C, Stromberg I. Tirilazad mesylate increases dopaminergic neuronal survival in the in Oculo grafting model. Exp Neurol. 1997; 148 (1): 324-333.
13. Brandner S, Isenmann S, Kuhne G. Identification of the end stage of scarpie using infected neural grafts. Brain Pathology. 1998; 8 (1): 19-27.
14. Sanders VJ, Mehta AP, White MJ. Amurine model of HIV encephalitis: Xenotransplantation of HIV-infected human neuroglia into SCID mouse brain. Neuropathol Appl Neurobiol. 1998; 24 (6): 461-467.
15. Сухих Г.Т. Трансплантация фетальных клеток в медицине: настоящее и будущее. Бюл. эксперим. биол. и медицины. 1998; 126 (1): 3-13.
[Suhih G.T. Transplantation of fetal cells in medicine: the present and the future. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 1998; 126 (1): 3-13 (In Russ.)].
16. Дамулин И.В., Екушева Е.В. Процессы нейропластичности после инсульта. Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика. 2014; 3: 69-74.
[Damulin I.V., Ekusheva E.V. Processes of neuroplasticity after a stroke. Neurology, neuropsychiatry, psychosomatics. 2014; 3: 6974 (In Russ.)].
17. Coyne T, Marcus A, Woodbury D. Stromal cells transplanted to the adult brain are rejected by an inflammatory response and transfer donor Labels to Host Neurons and Glia. Stem Cells. 2006; 24: 2483-2492.
18. Журавлева З.Н. Синаптические контакты нейронов трансплантатов зубчатой фасции с неспецифическими мишенями в неокортексе реципиентов. Онтогенез. 2002; 33 (3): 230-235.
