Poranění páteřní míchy: poskytnou kmenové buňky odpověď? Understand article

Přeložila Jana Hájková. Poranění páteřní míchy obvykle způsobuje trvalou paralýzu, přičemž tento stav nejsme schopni zvrátit. Mohly by přinést kmenové buňky naději?

Obrázok so súhlasom Debivort
/ Wikimedia Commons

Amerického herce a aktivistu Christophera Reeva si pamatujeme díky jeho hlavní roli vSupermanovi, kasovním trháku z roku 1978. Bohužel si ho také pamatujeme jako muže, jehož život, velmi činorodý jak na plátně, tak mimo něj, zcela zničilo zranění, které ho znehybnilo od krku dolů. V tomto stavu zůstal až do své smrti v roce 2004.

Christopher Reeve diskutuje
o možné prospěšnosti
výzkumu kmenových buněk
na neurovědecké konferenci
na Massachusettském
technickém institutu v USA v
roce 2003.

Obrázok so súhlasom Mike Lin
/ Wikimedia Commons

V květnu roku 1995 spadl Reeve při jezdecké soutěži z koně na hlavu. Při pádu se mu v páteři zlomily dva krční obratle a způsobily rozsáhlá poškození páteřní míchyw1.

Co se při jeho nehodě přihodilo (na úrovni krve, kostí, buněk a molekul), co způsobilo jeho doživotní ochrnutí? A jak by mohlo studium nových léčebných postupů založených na kmenových buňkách dát naději lidem s poraněním páteřní míchy? Mohlo by jim pomoci opět získat vládu nad jejich tělem a jejich životem?

Co je poranění páteřní míchy?

Páteřní mícha je informační dálnice spojující mozek se zbytkem těla (obrázek 1). Její poškození jsou obvykle způsobena náhlým zraněním, k němuž typicky dochází při sportu nebo při dopravních nehodách. Tato zranění obvykle vedou k posunu a / nebo zlomení obratlů, které naruší míšní tkáň a poničí či zpřetrhá axony. Vnímání a pohyblivost se ztrácí od místa tohoto poranění směrem dolů (obrázek 2).

Mnoho buněk, které jsou přímo v místě poranění nebo v jeho blízkosti, odumře v důsledku sekundárních změn, například změn v zásobení krví, nebo kvůli imunitní odpovědi či nárůstu volných radikálů a excitačních neurotransmitérů (viz okénko o sekundárních dopadech poranění páteřní míchy).

Obrázek 1: Anatomie a funkce páteřní míchy. Kliknutím na obrázok ho zväčšite.

Páteřní mícha je měkká, rosolovitá struktura, která se rozšiřuje směrem od dolní části zad ke spodině mozku (A). Je 38 až 43 cm dlouhá a v místě své největší tloušťky je široká asi jako palec. Je umístěna v dutém kanále, který vede skrz 33 páteřních obratlů (B).

Páteřní nervy (které jsou součástí periferního nervového systému) jsou propojeny s míchou na různých místech. Vedou do určitých oblastí těla a z nich opět zpět. Dohromady tvoří páteřní mícha a mozek centrální nervový systém.

Páteřní mícha sestává ze senzorických a motorických neuronů (C). Senzorické axony dopravují z těla do mozku vjemy, zatímco motorické axony dopravují opačným směrem instrukce (jak volní, tak mimovolní). Páteřní neurony podporují nejrůznější gliové buňky, jako jsou oligodendrocyty – které obalují axony myelinem, izolují je a umožňují jim rychlý a účinnýpřenos akčního potenciálu – a astrocyty, které plní mnoho funkcí, například poskytují výživu a uvolňují růstové faktory ku prospěchu ostatních nervových buněk. 
Obrázek se souhlasem Debivort / Wikimedia Commons (vertebra); Faigl.ladislav / Wikimedia Commons (neuron); Barnabé-Heider & Frisén (2008), se svolením Elsevier (grey man)

Obrázek 2: Pohled na buněčné příčiny ochrnutí po poranění páteřní míchy. Nejčastěji dochází k porušení páteřní míchy obratli, které se zlomily nebo dislokovaly při traumatickém zranění (A). Ochrnutí a ztráta citlivosti nastává od tohoto poranění níže (tmavě šedé oblasti v B). Kliknutím na obrázok ho zväčšite.
Obrázok so súhlasom Barnabé-Heider & Frisén (2008), se svolením Elsevier

 

Sekundární dopady poranění páteřní míchy

Druhotné následky, k nimž dochází po poranění páteřní míchy, vedou k zániku mnoha typů buněk včetně neuronů a oligodendrocytů. Mezi tyto následky patří:

  1. Ischemie, což je nedostatečné zásobení krví způsobené popraskáním cév. Vede ke sníženému přísunu kyslíku a živin k buňkám.
  2. Edém, jehož podstatou je nahromadění tkáňového moku. Způsobuje otoky a snižuje účinnost výměny molekul a živin mezi krví a buňkami páteřní míchy.
  3. Imunitní invaze, při níž poranění spouští zánětlivou reakci, která má za následek příliv imunitních buněk (neutrofilů, T-lymfocytů, makrofágů a monocytů) do bezprostředního okolí poraněné páteřní míchy. Tato imunitní odpověď může být prospěšná (například díky uvolnění molekul, které podporují hojení páteřní míchy a odstraňují poškozenou tkáň), ale může i škodit (například prostřednictvím zánětu, který ovlivní zdravou tkáň).
  4. Uvolnění neurotransmitérů: poškozené neurony vypouštějí stimulující neurotransmitér glutamát v nadbytečném množství. To způsobuje zvýšenou excitaci nervových buněk, což je buď zabije, nebo jim zabrání v normálním fungování.
  5. Uvolnění volných radikálů souvisí s poškozením buněk a zánětlivou reakcí, které zvyšují množství volných radikálů. Tyto radikály dále poškozují nervové buňky reakcemi s molekulami důležitými pro řádné fungování buňky.

Stávající léčba: omezení škod

Obrázek 3: Potenciální
projevy poranění páteřní
míchy. Kliknutím na obrázok
ho zväčšite.

Obrázok so súhlasom
Nicola Graf

Tělo nemůže samo o sobě nahradit buňky, které byly zničeny při poranění míchy, takže je fungování míchy trvale narušené. Současné krátkodobé léčebné postupy spočívají především v omezení poškození. Jde o chirurgické zákroky, snižující tlak na páteřní míchu a stabilizující páteř, a dále o znehybnění (pomocí výztuh), které má zabránit dalšímu poničení. V rámci dlouhodobé léčby podstupují pacienti fyzioterapii a procedury, které jim uleví od doprovodných potíží (například od bolesti). Jsou jim také poskytovány poradenské služby, díky kterým se snáze vyrovnají se svým postižením (obrázek 3).

V současnosti není vyléčení poraněné páteřní míchy možné a tato zranění způsobují ohromné fyzické a emoční utrpení. Několik vědeckých týmů ale zkoumá možnosti využití kmenových buněk pro případnou léčbu.

Terapie využívající kmenové buňky

Kmenové buňky jsou takové buňky, které se mohou diferencovat do podoby specializovaných buněk a zároveň samy sebe obnovovat a tvořit tak další kmenové buňky. V zásadě existují dva typy: pluripotentní kmenové buňky, které se mohou diferencovat do jakékoliv tělní buňky, a dospělé kmenové buňky, které se mohou diferencovat pouze do jistého typu buněk. Pluripotentní kmenové buňky se mohou extrahovat ze zárodků (pak jde o embryonální kmenové buňky) nebo mohou být tvořené v laboratoři ze specializovaných buněk, například z pokožkyw2 (jde o tzv. indukované pluripotentní kmenové buňky). Dospělé kmenové buňky se nacházejí v různých tkáních, například v kostní dřeni.

Existují dvě možnosti, jak využít kmenové buňky při poraněních páteřní míchy:

  1. Transplantace kmenových buněk do místa zranění.
  2. Využití místních nervových kmenových buněk poraněné páteřní míchy.

V obou případech se kmenové buňky využívají buď jako náhrady ztracených či poškozených buněk páteřní míchy, nebo jako nepřímá podpora při uzdravování. Přičemž tento nepřímý účinek může vzejít jak z kmenových buněk samotných, tak z buněk, ve které se diferencují.

1) Transplantování kmenových buněk

Výzkum poranění páteřní míchy prováděný na zvířatech (především na hlodavcích) ukázal, že transplantace může napomoci hojení, i když je často obtížné zjistit, který mechanismus je za to zodpovědný. V těchto studiích se využívají tři typy kmenových buněk: buňky pluripotentní, non-neurální dospělé kmenové buňky a neurální kmenové buňky (jak z dospělců, tak z embryí).

Pluripotentní kmenové buňky

Transplantace kmenových buněk u zvířat měla vážné vedlejší účinky, mj. vedla ke tvorbě nádorů. Z tohoto důvodu se tyto buňky ještě před použitím pro léčbu páteřní míchy přimějí, aby se diferencovaly do nervových progenitorových buněk (buněk schopných rozrůznit se do určitých typů neuronů). Jistá studie ukázala, že sedm dní po transplantaci progenitorových buněk oligodendrocytů do poraněné páteřní míchy potkana došlo k remyelinizaci axonů a potkani byli schopni hýbat končetinami (Keirstead et al., 2005).

Non-neurální dospělé kmenové buňky

Non-neurální kmenové buňky se extrahují z různých tkání, jako je kostní dřeň, tuková tkáň nebo placenta. Tyto kmenové buňky pomáhají opravovat páteřní míchu nepřímo. Mnoho studií dokládá, že po transplantaci těchto buněk jsou zvířata schopna lépe se hýbat a mají lepší hmatové vjemy (Parr et al., 2007).

Neurální kmenové buňky

Neurální kmenové buňky se získávají z jistých částí nervového systému embryí nebo dospělců. Studie ukazují, že se transplantované buňky diferencují v astrocyty, které pomáhají novým nervovým buňkám růst (Enzmann et al., 2006Pfeifer et al., 2006). V loňském roce uveřejněný výzkum svědčí o tom, že neurální kmenové buňky mohou reprogramovat zánětlivou reakci v místě poranění a snížit zastoupení škodlivých imunitních buněk (například makrofágů) a podpořit hojení poraněné páteřní míchy (Cusimano et al., 2012). V mnoha výzkumech, které sledovaly hojení po transplantaci neurálních kmenových buněk, začala zvířata lépe hýbat končetinami.

2) Využití místních kmenových buněk

Transplantování kmenových buněk je riskantní. Vyžaduje totiž choulostivé chirurgické postupy a (v případě embryonální kmenových buněk a neurálních kmenových buněk) mohou být nově vložené buňky imunitním systémem odvrhnuty. Těchto nebezpečí se dá vyvarovat využitím alternativního postupu, při kterém se prostřednictvím léčiv předávají neurálním kmenovým buňkám pokyny podporující hojení tkáně (Barnabé-Heider & Frisén, 2008).

Třebaže jsou tato úskalí překonatelná, je výzkum této potenciální léčby, terapie náborem kmenových buněk, v plenkách a teprve uvidíme, zda skutečně pomůže v hojení poraněné páteřní míchy u zvířat.

Malé změny mohou mít za následek velký rozdíl

Porozumění zapojeným mechanismům, testování účinnosti na zvířatech, provádění klinických zkoušek na lidech – vývoj léčebných postupů je pomalý a složitý proces. Prozatím představuje transplantační terapie s využitím kmenových buněk velký příslib pro léčbu poraněné páteřní míchy. V roce 2010 kalifornská společnost Geron spustila klinické testováníw3 vycházejí z tohoto přístupu. Testování ale bylo záhy z finančních důvodů zastaveno. V současné době provádí Balgristova univerzitní nemocnice ve švýcarském Curychu testyw4, při nichž využívá buňky odvozené od tkáně lidského mozku. Vědci doufají, že tyto buňky po transplantování do porušené páteřní míchy obnoví některé z důležitých okruhů nervové sítě, která po těle roznáší informace.

S ohledem na mnohotvárnost poranění páteřní míchy je nepravděpodobné, že by jeden typ ošetření zajistil úplné vyléčení, nicméně i malý pokrok výrazně zlepší život pacientů. Představte si, že byste byli jako Christopher Reeve ochrnutí od krku dolů. Moci pohnout pažemi a sevřít dlaň může být otázkou vaší závislosti, resp. nezávislosti na okolí.

Poďakovanie

Článek vychází z přehledu vytvořeného pro Eurostemcell websitew5 a z článku Barnabé-Heider & Frisén (2008).

Autor děkuje Kate Doherty ze společnosti Eurostemcell za její pomoc při přípravě a sepisování tohoto článku. Poděkování za odborné rady patří také Dr. Stefano Pluchinovi z Katedry klinických neurověd britské Univerzity Cambridge.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Author(s)

Andrew Brown je molekulární a buněčný biolog, který studoval ve Spojeném království na Univerzitě v Bathu. Pracoval také pro Science in School, poté se stal členem komunikačního a publikačního týmu Britské imunologické společnosti.


Review

Článek se zaměřuje na různé důsledky poranění páteřní míchy u lidí, představuje soudobou vědu a uvažuje o případné budoucí léčbě založené na kmenových buňkách.

Mladší studenti (ve věku 11 až 14 let) může zaujmout případ herce Christophera Reeva, ztělesňujícího Supermana, a motivovat je ke studiu nervového systému (například obloukového reflexu). Nicméně bude nezbytné tento text zjednodušit.

Vzhledem k množství detailních informací se článek hodí především pro středoškolské studenty (ve věku 15-18 let). Může se provázat s tématy anatomie a fyziologie nervového systému, fyziologie imunitního systému, buněčné dělení a diferenciace. Článek vhodně doplňuje seznam doporučených zdrojů.

Článek se dá využít také jako začátek interdisciplinárních výzkumných projektů propojujících fyziku a chemii. Náměty takovýchto projektů by mohly být například tyto: Proč poraněné buňky uvolňují volné radikály a proč to buňkám škodí? S jakými molekulami reagují volné radikály jako první? Proč snižuje edém účinnost výměny živin a různých molekul vyměňovaných mezi krví a míšními buňkami? Jaké typy molekul by mohly podpořit opravu páteřní míchy?

Článek by mohl být použit jako základ pro porozumění a rozšíření následujících úloh:

  1. Odlišit pluripotentní kmenové buňky od dospělých kmenových buněk a nervových kmenových buněk (ať již z dospělců či embryí) a to podle jejich schopnosti vytvořit specializovanou nervovou buňku. Dát to do souvislostí s mechanismem genové regulace.
  2. „Pluripotentní kmenové buňky mohou být buď extrahovány z embryí (tzv. zárodečné kmenové buňky), nebo vytvořené v laboratoři ze specializovaných buněk, například kůže. (Jde o tzv. indukované pluripotentní kmenové buňky.)“ „Transplantace pluripotentních kmenových buněk u zvířat vedla k vážným vedlejším účinkům, například k tvorbě nádorů.“ Dát tato tvrzení do vztahu k buněčné diferenciaci a genetické regulaci.
  3. Transplantace kmenových buněk je riskantní: Vyžaduje choulostivé chirurgické zákroky a (v případě embryonálních kmenových buněk a nervových kmenových buněk) může imunitní systém nově zavedené buňky odvrhnout.“ Vysvětlit biologické mechanismy, které jsou zodpovědné za tato rizika.

Betina da Silva Lopes, Portugalsko




License

CC-BY-NC-ND