Поврежденный спинной мозг можно восстановить с помощью неонатального внеклеточного матрикса

Повреждение спинного мозга у взрослых млекопитающих зачастую приводит к фатальным последствиям, поскольку множество факторов подавляет регенерацию его тканей, и сами нейроны слабо способны к восстановлению. В то же время неонатальный спинной мозг демонстрирует впечатляющие способности к регенерации после травмы. Авторы статьи в Cell Stem Cell разобрались в причинах этого и предложили способ восстановить поврежденный спинной мозг взрослой крысы с помощью внеклеточного спинномозгового матрикса, полученного от неонатальных животных.

Чтобы отследить изменения внеклеточного матрикса спинного мозга от эмбрионального до взрослого состояния, ученые провели анализ спинного мозга кролика. Они брали образцы на 24-й день эмбрионального развития, на вторые сутки и через четыре месяца после рождения. Из выявленных белков 118 присутствовали на всех трех стадиях, а 72 — только на эмбриональной и неонатальной (два дня). В ходе развития уровень коллагенов и гликопротеинов снизился, а протеогликанов и секретируемых факторов — повысился. Цитокины, связанные с пролиферацией прогениторных клеток (FGF2), и гликопротеины, участвующие в развитии аксонов, также снижали свой уровень к четырем месяцам. Кроме того, на взрослой стадии повышалась активность аксон-ингибирующих элементов, таких как хондроитинсульфатные протеогликаны (CSPG), а также количество белков семейства S100, способствующих иммунному ответу и пролиферации астроцитов. Дальнейший анализ экспрессии белков внеклеточного матрикса (ECM) показал, что неонатальный ECM спинного мозга похож на эмбриональный, но значительно отличается от такового во взрослом спинном мозге. Так, в неонатальном спинном мозге выше содержание белков, связанных с развитием нейронов и аксональным поиском пути, но меньше нейроингибиторных молекул. При этом основное различие достигается именно за счет белков внеклеточного матрикса.

Для дальнейшей работы авторы выбрали два варианта очищенного внеклеточного матрикса — взрослый и неонатальный. Они получали из них гидрогель, в котором выращивали эмбриональные (14-й день развития) и неонатальные нейропрогениторные клетки спинного мозга (scNPC). Затем их анализировали с помощью иммунофлуоресцентного окрашивания и транскриптомики. В неонатальном матриксе обнаружилось большее количество пролиферирующих SOX2+ нейрональных предшественников и OLIG2+ предшественников олигодендроцитов. Кроме того, scNPC активнее мигрировали. Транскриптомный анализ выявил, что в неонатальном матриксе активнее экспрессировались гены, регулирующие дифференцировку нейронов, аксоногенез и формирование синапсов. Интересно, что там также был выше уровень генов, связанных с развитием спинного мозга.

Ученые предположили, что неонатальный внеклеточный матрикс спинного мозга создает благоприятную среду для созревания двигательных нейронов спинного мозга. Эту гипотезу они проверили на органоидах, протестировав оба варианта матрикса и используя матригель в качестве контроля. Органоиды, состоящие из мотонейронов спинного мозга, подвергали иммунофлуоресцентному окрашиванию на 14, 21 и 28 день культивирования. Авторы анализировали клеточный состав и морфологию нейронов, сформировавшихся в органоидах. В матриксе спинного мозга нейроны удлиняли отростки на 21 день культивации, причем в неонатальном матриксе эффект был более выражен, тогда как в матригеле этого не происходило. Кроме того, органоиды, культивированные в неонатальном матриксе, демонстрировали усиленную активацию путей, связанных с развитием аксонов, дифференцировкой нейронов и формированием синапсов.

Дальнейший анализ выявил ключевые белки, обеспечивающие рост аксонов в неонатальном спинномозговом матриксе — это тенасцин (TNC) и плейотрофин (PTN). Опыты с ингибированием этих белков показали, что они действуют в органоидах синергично и дозозависимо.

Затем исследователи перешли к экспериментам на животных. После травмы спинного мозга им подсаживали тот или иной вариант внеклеточного матрикса в поврежденный участок. Оказалось, что неонатальный матрикс эффективно снижает воспаление и препятствует рубцеванию ткани. Авторы работы также подсаживали крысам в место повреждения клетки-предшественники нейронов, загруженные в спинногомозговой матрикс. Нейрональные предшественники пометили GFP, чтобы отслеживать их рост и миграцию. Оказалось, что при использовании неонатального матрикса эти клетки мигрировали дальше и лучше интегрировались в ткани животного-реципиента. В этом случае также наблюдалось более эффективное восстановление двигательной активности крыс, чем при использовании внеклеточного матрикса взрослого спинного мозга.

Исследование демонстрирует, что внеклеточный матрикс спинного мозга, служащий нишей для стволовых клеток, играет ключевую роль в регуляции их поведения. Это важно для восстановления поврежденного спинного мозга с помощью пересадки нейрональных предшественников в область травмы. Так, неонатальный спинномозговой матрикс влияет на эндогенные аксоны, способствуя их регенерации и облегчая взаимодействие между трансплантатом и нервами хозяина, что, в свою очередь, способно улучшить восстановление двигательной функции даже после полного разрыва спинного мозга.


Новый препарат стимулирует регенерацию нервов