Нейрорегенерация — это восстановление или восстановление нервных тканей , клеток или клеточных продуктов. Нейрорегенеративные механизмы могут включать генерацию новых нейронов , глии , аксонов , миелина или синапсов . Нейрорегенерация отличается между периферической нервной системой (ПНС) и центральной нервной системой (ЦНС) задействованными функциональными механизмами, особенно по степени и скорости восстановления. Когда аксон поврежден, дистальный сегмент подвергается валлеровской дегенерации , теряя свою миелиновую оболочку. Проксимальный сегмент может либо погибнуть в результате апоптоза , либо подвергнуться хроматолитической реакции , которая является попыткой восстановления. В ЦНС синаптическое зачистка происходит, когда глиальные ножки отростков вторгаются в мертвый синапс. [1]
Травмы нервной системы поражают более 90 000 человек каждый год. [2] Только травмы спинного мозга поражают около 10 000 человек каждый год. [3] В результате столь высокой частоты неврологических травм регенерация и восстановление нервов, подраздел инженерии нервной ткани , становится быстрорастущей областью, посвященной открытию новых способов восстановления функциональности нервов после травм.
Нервная система делится неврологами на две части: центральная нервная система (состоящая из головного и спинного мозга ) и периферическая нервная система (состоящая из черепных и спинномозговых нервов вместе с их связанными ганглиями ). В то время как периферическая нервная система обладает внутренней способностью к восстановлению и регенерации, центральная нервная система по большей части неспособна к самовосстановлению и регенерации. В настоящее время [обновлять]не существует лечения для восстановления нервной функции человека после повреждения центральной нервной системы. [4] Многочисленные попытки восстановления роста нервов через переход ПНС-ЦНС не увенчались успехом. [4] Просто недостаточно знаний о регенерации в центральной нервной системе. Кроме того, хотя периферическая нервная система обладает способностью к регенерации, все еще необходимо провести много исследований, чтобы оптимизировать среду для максимального потенциала восстановления. Нейрорегенерация важна клинически, так как является частью патогенеза многих заболеваний, включая рассеянный склероз .
Нейрорегенерация в периферической нервной системе (ПНС) происходит в значительной степени. [5] [6] После повреждения аксона периферические нейроны активируют различные сигнальные пути, которые включают гены, способствующие росту, что приводит к реформированию функционального конуса роста и регенерации. Рост этих аксонов также регулируется хемотаксическими факторами, секретируемыми шванновскими клетками . Повреждение периферической нервной системы немедленно вызывает миграцию фагоцитов , шванновских клеток и макрофагов к месту поражения , чтобы очистить от мусора, такого как поврежденная ткань, которая препятствует регенерации. Когда нервный аксон перерезается, конец, все еще прикрепленный к телу клетки, обозначается как проксимальный сегмент, в то время как другой конец называется дистальным сегментом. После повреждения проксимальный конец набухает и испытывает некоторую ретроградную дегенерацию, но как только мусор очищается, он начинает прорастать аксоны, и можно обнаружить наличие конусов роста. Проксимальные аксоны способны восстанавливаться, пока тело клетки не повреждено, и они вступили в контакт с клетками Шванна в эндоневрии (также известном как эндоневральная трубка или канал). Скорость роста аксонов человека может достигать 2 мм/день в мелких нервах и 5 мм/день в крупных нервах. [4] Однако дистальный сегмент испытывает валлеровскую дегенерацию в течение нескольких часов после травмы; аксоны и миелин дегенерируют, но эндоневрий остается. На более поздних стадиях регенерации оставшаяся эндоневральная трубка направляет рост аксонов обратно к правильным целям. Во время валлеровской дегенерации шванновские клетки растут упорядоченными колоннами вдоль эндоневральной трубки, создавая полосу клеток Бюнгнера, которая защищает и сохраняет эндоневральный канал. Кроме того, макрофаги и шванновские клетки выделяют нейротрофические факторы , которые усиливают повторный рост.
В отличие от повреждения периферической нервной системы, повреждение центральной нервной системы не сопровождается обширной регенерацией. Оно ограничено ингибирующим влиянием глиальной и внеклеточной среды. Враждебная, непермиссивная среда роста частично создается миграцией ингибиторов, связанных с миелином, астроцитов, олигодендроцитов, предшественников олигодендроцитов и микроглии. Окружающая среда внутри ЦНС, особенно после травмы, противодействует восстановлению миелина и нейронов. Факторы роста не экспрессируются или повторно экспрессируются; например, внеклеточный матрикс лишен ламининов . Быстро образуются глиальные рубцы , и глия фактически вырабатывает факторы, которые ингибируют ремиелинизацию и восстановление аксонов; например, NOGO и NI-35. [6] [7] [8] Сами аксоны также теряют потенциал роста с возрастом из-за снижения экспрессии GAP43 , среди прочего.
Более медленная дегенерация дистального сегмента, чем та, которая происходит в периферической нервной системе, также способствует ингибиторной среде, поскольку ингибиторный миелин и аксональный дебрис не удаляются так быстро. Все эти факторы способствуют образованию так называемого глиального рубца , через который аксоны не могут прорасти. [9] Проксимальный сегмент пытается регенерировать после травмы, но его росту препятствует окружающая среда. Важно отметить, что доказано, что аксоны центральной нервной системы восстанавливаются в разрешающей среде; поэтому основной проблемой регенерации аксонов центральной нервной системы является пересечение или устранение места ингибиторного поражения. [4] Другая проблема заключается в том, что морфология и функциональные свойства нейронов центральной нервной системы очень сложны, по этой причине функционально идентичный нейрон не может быть заменен нейроном другого типа ( закон Ллинаса ). [10]
Для перепрограммирования глиальных клеток в нейроны используются факторы транскрипции , активация генов (с использованием активации CRISPR [11] ) или малые молекулы .
Наиболее часто мишенью для воздействия являются астроциты (обычно с использованием GFAP ), поскольку они имеют ту же родословную, что и нейроны, и регион-специфические транскрипционные сигнатуры [11] , тогда как в качестве вектора обычно используется аденоассоциированный вирус , поскольку некоторые серотипы проходят через гематоэнцефалический барьер и не вызывают заболевания.
Целевые гены обычно зависят от типа искомого нейрона; ( известно, что NGN2 производит глутаматергические , ASCL1 : ГАМКергические ...); RBPJ-k блокирует путь Notch и запускает нейрогенную программу [12] , а Sox2 также может повышать эффективность перепрограммирования, вызывая фазу дедифференциации и самоусиления перед созреванием в нейроны.
Хотя эти методы показывают многообещающие результаты в исследованиях на животных при многих неизлечимых нейродегенеративных заболеваниях и травмах головного мозга , по состоянию на 2023 год клинические испытания еще не начались.
Хирургическое вмешательство может быть проведено в случае, если периферический нерв был порезан или иным образом разделен. Это называется реконструкцией периферического нерва. Поврежденный нерв идентифицируется и обнажается, чтобы можно было исследовать нормальную нервную ткань выше и ниже уровня повреждения, обычно с увеличением, используя либо лупу , либо операционный микроскоп . Если поврежден большой сегмент нерва, как это может произойти при травме от раздавливания или растяжения, нерв необходимо будет обнажить на большей площади. Поврежденные части нерва удаляются. Затем перерезанные нервные окончания осторожно сближаются с помощью очень маленьких швов. Восстановление нерва должно быть покрыто здоровой тканью, что может быть таким же простым, как закрытие кожи, или может потребовать перемещения кожи или мышцы, чтобы обеспечить здоровое мягкое покрытие над нервом. [13] Тип используемой анестезии зависит от сложности травмы. Почти всегда используется хирургический жгут . [13]
Ожидания после хирургического восстановления разделенного периферического нерва зависят от нескольких факторов:
В настоящее время аутологичная нервная трансплантация, или нервный аутотрансплантат, известна как золотой стандарт для клинического лечения, используемого для восстановления больших разрывов поражений в периферической нервной системе. Важно, чтобы нервы не восстанавливались под натяжением, [13] что в противном случае могло бы произойти, если бы обрезанные концы были повторно сближены через разрыв. Сегменты нервов берутся из другой части тела (донорского участка) и вставляются в поражение, чтобы обеспечить эндоневральные трубки для аксональной регенерации через разрыв. Однако это не идеальное лечение; часто результатом является лишь ограниченное восстановление функции. Кроме того, в донорском участке часто наблюдается частичная деиннервация, и для сбора ткани и ее имплантации требуется несколько операций.
При необходимости можно использовать близлежащий донор для обеспечения иннервации пораженных нервов. Травму донора можно минимизировать, используя технику, известную как восстановление «конец в бок». При этой процедуре в донорском нерве создается эпиневральное окно, а проксимальная культя пораженного нерва зашивается над окном. Регенерирующие аксоны перенаправляются в культю. Эффективность этой техники частично зависит от степени частичной неврэктомии, выполненной на доноре, причем увеличение степени неврэктомии приводит к увеличению регенерации аксонов в пораженном нерве, но с последующим увеличением дефицита у донора. [14]
Некоторые данные свидетельствуют о том, что локальная доставка растворимых нейротрофических факторов в место аутологичной пересадки нерва может усилить регенерацию аксонов в трансплантате и помочь ускорить функциональное восстановление парализованной мишени. [15] [16] Другие данные свидетельствуют о том, что вызванная генной терапией экспрессия нейротрофических факторов в самой целевой мышце также может помочь усилить регенерацию аксонов. [17] [18] Ускорение нейрорегенерации и реиннервации денервированной мишени имеет решающее значение для снижения вероятности постоянного паралича из-за мышечной атрофии.
Разновидности аутотрансплантата нерва включают аллотрансплантат и ксенотрансплантат . При аллотрансплантате ткань для трансплантата берется у другого человека, донора, и имплантируется реципиенту. Ксенотрансплантаты подразумевают взятие донорской ткани у другого вида. Аллотрансплантаты и ксенотрансплантаты имеют те же недостатки, что и аутотрансплантаты, но, кроме того, необходимо также учитывать отторжение ткани иммунными реакциями. Часто при использовании этих трансплантатов требуется иммуносупрессия. Передача заболевания также становится фактором при введении ткани от другого человека или животного. В целом, аллотрансплантаты и ксенотрансплантаты не достигают качества результатов, наблюдаемых при аутотрансплантатах, но они необходимы при недостатке аутологичной нервной ткани.
Из-за ограниченной функциональности, полученной от аутотрансплантатов, нынешнего золотого стандарта для регенерации и восстановления нервов, недавние исследования в области инженерии нейронных тканей были сосредоточены на разработке биоискусственных направляющих нервных каналов для управления отрастанием аксонов. Создание искусственных направляющих нервных каналов также известно как энтубуляция, поскольку нервные окончания и промежуточный зазор заключены в трубку, состоящую из биологических или синтетических материалов. [19]
Направление исследований направлено на использование препаратов, нацеленных на белки-ингибиторы ремиелинизации или другие ингибиторы. Возможные стратегии включают вакцинацию против этих белков (активная иммунизация) или лечение ранее созданными антителами ( пассивная иммунизация ). Эти стратегии кажутся многообещающими на моделях животных с экспериментальным аутоиммунным энцефаломиелитом (EAE), моделью РС . [20] Моноклональные антитела также использовались против ингибирующих факторов, таких как NI-35 и NOGO. [21]
Образование рубцов глиальных клеток индуцируется после повреждения нервной системы. В центральной нервной системе это образование рубцов глиальных клеток значительно подавляет регенерацию нервов, что приводит к потере функции. Высвобождается несколько семейств молекул, которые способствуют и управляют образованием рубцов глиальных клеток. Например, трансформирующие факторы роста B-1 и -2, интерлейкины и цитокины играют роль в инициировании образования рубцов. Накопление реактивных астроцитов в месте повреждения и повышение регуляции молекул, которые являются ингибиторами роста нейритов, способствуют неспособности нейрорегенерации. [22] Молекулы с повышенной регуляцией изменяют состав внеклеточного матрикса таким образом, что, как было показано, подавляют расширение роста нейритов. Это образование рубцов включает несколько типов клеток и семейств молекул.
В ответ на факторы, вызывающие рубцевание, астроциты повышают регуляцию продукции хондроитинсульфатпротеогликанов . Астроциты являются преобладающим типом глиальных клеток в центральной нервной системе, которые выполняют множество функций, включая смягчение повреждений, восстановление и формирование глиальных рубцов. [23] Вовлечен путь RhoA . Было показано, что хондроитинсульфатпротеогликаны (CSPG) повышаются в центральной нервной системе (ЦНС) после травмы. Повторяющиеся дисахариды глюкуроновой кислоты и галактозамина, гликозаминогликаны (CS-GAG), ковалентно связаны с ядром белка CSPG. Было показано, что CSPG ингибируют регенерацию in vitro и in vivo, но роль, которую играет ядро белка CSPG по сравнению с CS-GAG, не изучалась до недавнего времени.
Подобно хондроитинсульфатпротеогликанам, продукция кератансульфатпротеогликана (KSPG) повышается в реактивных астроцитах как часть формирования глиальных рубцов. Также было показано, что KSPG подавляют расширение отростков нейритов, ограничивая регенерацию нервов. Кератансульфат , также называемый кератосульфатом, образуется из повторяющихся дисахаридных галактозных единиц и N-ацетилглюкозаминов. Он также 6-сульфатирован. Это сульфатирование имеет решающее значение для удлинения цепи кератансульфата. Исследование было проведено с использованием мышей с дефицитом N-ацетилглюкозамин 6-O-сульфотрансферазы-1. У мышей дикого типа наблюдалась значительная повышенная регуляция мРНК, экспрессирующей N-ацетилглюкозамин 6-O-сульфотрансферазу-1 в месте повреждения коры. Однако у мышей с дефицитом N-ацетилглюкозамин 6-O-сульфотрансферазы-1 экспрессия кератансульфата была значительно снижена по сравнению с мышами дикого типа. Аналогично, образование глиальных рубцов было значительно снижено у мышей с N-ацетилглюкозамин 6-O-сульфотрансферазой-1, и в результате регенерация нервов была менее подавлена. [22]
Белки олигодендритического или глиального происхождения, влияющие на нейрорегенерацию:
Gobrecht P, Andreadaki A, Diekmann H, Heskamp A, Leibinger M, Fischer D (апрель 2016 г.). «Стимулирование функциональной регенерации нервов путем ингибирования детирозинации микротрубочек». The Journal of Neuroscience . 36 (14): 3890– 902. doi :10.1523/JNEUROSCI.4486-15.2016. PMC 6705512 . PMID 27053198.