Низкий уровень кислорода вредит определенным клеткам в развивающемся мозге
Низкий уровень кислорода является известной причиной повреждений головного мозга у недоношенных детей. Но механизм, с помощью которого низкий уровень кислорода вредит развивающемуся человеческому мозгу, остается неясным.
Недавно исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета определили особый набор клеток головного мозга, которые особенно подвержены вреду от недостатка кислорода на ранних стадиях развития. Это повреждение схоже с патологией мозга, в частности со снижением содержания серого вещества, которое наблюдается у детей, которые родились очень преждевременно. Исследователи также нашли молекулу, которая может предотвратить проблему. Результаты были опубликованы онлайн 6 мая в Nature Medicine.
“За последние 20 лет мы достигли значительных успехов в поддержании жизни сильно недоношенных детей, но от 70% до 80% из них имеют плохие показатели развития нервной системы”, - говорит ведущий автор исследования, Анка Паска, доктор медицинских наук, доцент кафедры педиатрии в Медицинской школе и неонатолог в детской больнице Люсиль Паккард в Стэнфорде. Как она заявляет, гипоксические повреждения головного мозга приводят к неврологическим и психиатрическим заболеваниям у некоторых недоношенных детей.
Предыдущие исследования показали, что у детей, рожденных ранее 28 недели беременности или, как минимум, на 12 недель раньше нормы, кора головного мозга тоньше, чем у детей, рожденных после доношенной беременности. Кора головного мозга представляет собой складчатый слой серого вещества, который составляет большую часть мозга человека и других приматов. Она отвечает за сложные функции мозга, такие как познание, речь и обработку сенсорной и моторной информации.
Неонатологи также давно определили, что развитие легких является незавершенным у недоношенных детей. У детей слабо развиты функции легких, а мозговые центры, контролирующие дыхание младенцев, не успевают полностью созреть. Эти факторы повышают риск понижения уровня кислорода в крови и возникновения последующего повреждения головного мозга.
Клетки, которые страдают больше всего
Паска и ее коллеги выяснили, что многие клетки в развивающемся мозге не пострадали от воздействия недостатка кислорода. Однако промежуточные клетки-предшественники субвентрикулярной зоны, области, отвечающей за рост коры мозга человека, подвергаются существенному воздействию. Это те клетки, которые в результате способствуют росту зрелых клеток мозга, в том числе нейронов.
Открытие стало возможным благодаря тому, что исследователи из Стэнфорда ранее выяснили, как создавать трехмерные клеточные культуры, которые имитируют структурные и функциональные аспекты развивающегося человеческого мозга. Их называют нейрональными сфероидами.
“Большая часть развития человеческого мозга, особенно во втором и третьем триместрах беременности, недоступна для прямого изучения”, - заявил старший автор Серджиу Паска, доктор медицинских наук, доцент кафедры психиатрии и бихевиористики. Серджиу и Анка Паска состоят в браке, и каждый из них руководит своей лабораторией в Стэнфорде. Ранее они опубликовали исследования о том, что нейрональные сфероиды порождают такую же общую структуру, включающую внутренние и внешние слои коры, и примерно на той же временной шкале, как и развивающийся человеческий мозг. “Это довольно удивительно, как эти скопления клеток, если их правильно стимулировать, будут дифференцироваться, организовываться и созревать в пробирке”, - говорит Серджиу Паска.
В новом исследовании команда выращивала нейрональные сфероиды до тех пор, пока они не стали содержать клеточные популяции и маркеры генной экспрессии, подобные тканям головного мозга человека на сроке от 19 до 24 недель.
Исследователи подвергли эти кортикальные сфероиды низкому содержанию кислорода в течение 48 часов, а затем восстановили уровень кислорода до нормального. Они исследовали изменения в экспрессии генов через 24 и 48 часов в период недостаточного содержания кислорода, а также через 72 часа после того, как уровень кислорода вернулся к норме.
Как и ожидалось, ученые пронаблюдали изменения экспрессии генов через 24 и 48 часов в генах, которые, как известно, реагируют на гипоксию.
Они также увидели изменения в группе генов, находящихся в субвентрикулярной зоне, области, богатой клетками-предшественниками, которые генерируют нейроны в середине и в конце беременности. Более тщательный анализ показал, что эти клетки-предшественники не умирают. Точнее, определенная группа промежуточных клеток-предшественников дифференцировалась на нейроны раньше обычного, и это изменение привело к появлению меньшего количества нейронов в зрелом мозге. Ответная реакция, называемая реакцией несвернутых белков, представляет собой стрессовую реакцию, которая переводит клетки из режима «роста» в режим «выживания».
“Мы были удивлены, но это был приятный сюрприз”, - сказала Анка Паска,- “Когда мы смотрим назад, это обретает смысл”.
Тестирование соединения
Исследователи также протестировали, может ли маленькая молекула, которая восстанавливает функции реакции несвернутых белков, обратить вспять реакцию сфероидов на низкий уровень кислорода. Молекула, названная ISRIB, предотвращала дифференцирование промежуточных предшественников после воздействия недостатка кислорода.
“Это интересно, потому что наши результаты говорят нам о том, что фармакологическое управление этим способом может воспрепятствовать гипоксическому повреждению головного мозга и потенциально помочь предотвратить повреждение”, - говорит Серджиу Паска.