Психиатрия Всемирная психиатрия
№03 2012

Психические расстройства в целом и шизофрения в частности характерны только для человека. Мысль о том, что шизофрению можно исследовать в чашке с клеточной культурой кажется абсурдной. Тем не менее, достижения в генетике и биологии стволовых клеток, открывают новый биологический смысл исследования этих заболеваний in vitro.
В ходе геномных исследований и скрининга на редкие генетические аномалии обнаружено большое число генов, которые могут играть роль в развитии шизофрении и биполярного расстройства. Достижения в сфере стволовых клеток позволили выделить клеточные культуры человеческих нейронов, на которых можно исследовать ряд молекулярных, возрастных и патофизиологических аспектов деятельности головного мозга.
В настоящей работе авторами проведен обзор существующих технологий исследования человеческих клеточных культур и выдвинут ряд теоретических предположений о том, как эти исследования могут помочь в лечении шизофрении и других психических расстройств.

ИММОРТАЛИЗОВАННЫЕ ЛИНИИ ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ НЕРВНЫХ КЛЕТОК

Некоторые популяции нейронов можно напрямую получить у живых субъектов и вырастить их в качестве «первичных» клеточных культур. Этические и практические соображения, как правило, ограничивают использование первичных культур нервных клеток человека в качестве объекта исследования. Многообещающим и потенциально безграничным методом является иммортализация линии нейронов путем удаления из первичной культуры генов-онкосупрессоров (антионкогенов).
В психиатрических исследованиях такие линии клеток можно использовать в качестве моделей для изучения внутриклеточных механизмов действия лекарственных средств, а также для изучения молекулярных и клеточных функций выявленных генов предрасположенности. Это научное направление может оптимизировать существующую психофармакотерапию и помочь в определении новых терапевтических мишеней.

Линии нервных клеток, полученные из опухолей

В течение многих лет исследователи используют опухоли как источник клеточных линий, которые с легкостью воспроизводятся в чашке для культивирования. Некоторые клеточные линии, полученные из опухолей, имеют характеристики человеческих нейронов. В настоящее время наиболее часто используемой линией нейронов является линия SH-SY5Y, исходно полученная из метастазирующей нейробластомы. Эта линия клеток имеет ряд исключительно «нейрональных» особенностей: аксональный рост, синтез нейротрансмиттеров, экспрессия рецепторов и др.
Линия SH-SY5Y широко использовалась для изучения внутриклеточных механизмов действия антидепрессантов и антипсихотиков (1). Эндогенная экспрессия нейронных белков в клетках SH-SY5Y позволяет изучать генетические механизмы предрасположенности и функции различных вариантов последовательностей ДНК, связанных с психическими расстройствами. Например, недавно на экстракте этих клеток показано, что первый вариант ДНК, имеющий «значимую по всему геному» связь с психозом, меняет связывание фактора транскрипции, который регулирует экспрессию гена ZNF804A (2).

Иммортализованные линии стволовых нервных клеток

Опухолевые линии клеток могут иметь общие характеристики с нейронами, однако, они способны «имитировать» далеко не все типы клеток и зачастую обнаруживают серьезные хромосомные аномалии. Стволовые клетки, полученные из мозга эмбриона человека, являются полипотентными (т. е. они могут дать начало широкому диапазону клеточных культур, включая нейроны и глиальные клетки). Такие клеточные линии позволяют более достоверно исследовать физиологию и развитие нейронов. Клональные линии стволовых нервных клеток создаются путем «условной иммортализации», в ходе которой в геном вводится регулируемый ген, отвечающий за деление клетки. Такой подход позволяет контролировать дифференциацию клеток и рост культуры (3).
Получено несколько линий стволовых нервных клеток с нормальным хромосомным набором из различных областей эмбрионального мозга (в т. ч. из коры больших полушарий, гиппокампа и полосатого тела). Как и опухолевые клеточные линии, линии стволовых клеток представляют собой модель для исследования механизмов действия лекарственных средств и определения генов предрасположенности к психическим расстройствам. К примеру, предполагается, что гормон кортизол нивелирует отрицательное воздействие стресса на нейрогенез в гиппокампе. На линии стволовых нервных клеток удалось показать, что антидепрессанты предотвращают этот феномен и восстанавливают нормальную нейрогенную активность (4). Схожая линия клеток из коры больших полушарий использовалась для моделирования патогенетических изменений в экспрессии гена DISC1 (disrupted-in-schizophrenia-1, «ген 1, нарушенный при шизофрении») (5), а также для получения первых данных о молекулярных функциях гена предрасположенности к шизофрении и биполярному расстройству, ZNF804A (6).

НЕРВНЫЕ КЛЕТКИ, ПОЛУЧЕННЫЕ У ПАЦИЕНТОВ

Альтернативным подходом является сравнение клеточного материала, полученного у пациентов и здоровых людей. Клетки пациентов позволяют исследовать патологические процессы, связанные с сочетанным действием всех вариантов генов предрасположенности у одного индивида. Живые клеточные культуры могут оказаться информативнее трупного материала. В частности, можно изучать отдельные аспекты развития нейронов, имеющие отношение к шизофрении.

Клетки, полученные из обонятельного нейроэпителия

Слизистая оболочка обонятельной области является источником стволовых клеток, которые можно извлечь с помощью биопсии. Эти клетки можно репродуцировать в виде нейросфер — скоплений стволовых клеток и дифференцируемых нервных клеток-предшественников. В клетках, полученных таким образом у пациентов с шизофрений и здоровых лиц, выявляются отличия в экспрессии генов, связанных с различными процессами развития нейронов, например, с процессами аксонального наведения (7). Кроме того, в клетках обонятельного нейроэпителия, полученных у пациентов с шизофренией, обнаружены нарушения цикла деления (8).

Индуцированные полипотентные стволовые клетки

Обонятельные нейроэпителиальные клетки несут в себе все генетические варианты, которые определяют предрасположенность к заболеванию, однако, они не являются идеальной моделью отдельных популяций нейронов, играющих важную роль в развитии психических расстройств (в частности, клеток коры и гиппокампа). Технология индуцированных полипотентных стволовых клеток является большим прорывом в этом направлении.
Представьте, что вы можете определить потенциального пациента с шизофренией in utero, за 20 лет до начала заболевания, и выполнить биопсию мозга. Вы сможете выполнить культивирование клеток данного пациента их отследить их патологическое развитие. Технология индуцированных стволовых клеток, представленная в оригинальной статье 2009 г., во многом напоминает описанную ситуацию. Можно взять у пациента первичные соматические клетки (как правило, из кожи), а затем «перепрограммировать» их в полипотентные стволовые клетки, которые могут дать начало клеткам любого типа, в том числе клеткам центральной нервной системы.
В последнее время публикуются отчеты об успешном применении этой технологии на клетках, взятых у пациентов с психическими заболеваниями. Например, Brennand и соавт. (10) взяли кожные фибробласты у пациентов с шизофренией и здоровых лиц, перепрограммировали их, а затем вырастили из этих полипотентных клеток нейроны. При сравнении с клетками из контрольной группы в нейронах пациентов с шизофренией обнаружены изменения в экспрессии генов, связанных с глутаматом и циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ), количестве нейрональных отростков и синаптических связей, а также в передаче сигналов интеграции генов MMTV «бескрылого» типа.
Индуцированные полипотентные клетки представляют собой превосходную модель для изучения развития нейронов in vitro, т. к. они позволяют целиком исследовать геном пациента и здорового человека. Недавно показана возможность прямого перепрограммирования фибробластов человека в нейроны («индуцированные нейрональные клетки») (11). Такие клетки представляют собой превосходную модель, на которой можно исследовать клеточную патофизиологию и реакцию на фармакотерапию.
Обе технологии находятся в самом начале пути своего развития. К сожалению, эти клеточные линии получены на ограниченном числе пациентов. Требуется большой объем работы, чтобы определить вариабельность нейрональных культур, а также различия между отдельными пациентами и типами клеток (12). Для того чтобы эти технологии достигли своего полного потенциала, необходимо использование стандартизированных протоколов и увеличение количества клеточных линий от разных пациентов.

ОГРАНИЧЕНИЯ КЛЕТОЧНЫХ МОДЕЛЕЙ

Все клеточные модели имеют свои ограничения. Безусловно, линии человеческих нервных клеток могут использоваться для изучения молекулярных и клеточных функций отдельных генов предрасположенности. Тем не менее, эти клеточные линии не позволяют изучить множество подчас взаимодействующих генетических переменных, которые играют роль в развитии сложных психических расстройств. Клеточные линии, полученные у пациентов, позволяют исследовать весь геном. Однако в настоящее время мы не знаем, какие типы клеток в большей степени участвуют в патогенезе и, соответственно, требуют более пристального внимания.
Анализ нескольких типов клеток одного пациента при сравнении с клетками здорового человека, может выявить клеточные популяции, имеющие «заинтересованность» при том или ином заболевании. Нужно отметить высокую стоимость подобных исследований. Технология индуцированных полипотентных/нейрональных стволовых клеток позволяет исключить средовые переменные, мешающие анализу патогенетических механизмов (например, исключить эффекты фармакотерапии). Однако это также приводит к тому, что не учитываются средовые факторы, играющие важную роль в развитии психических расстройств.
В целом можно сказать, что психические расстройства (например, шизофрения) представляют собой производное деятельности всего головного мозга с учетом индивидуального и социального контекста. Клеточные модели могут в какой-то мере прояснить молекулярные и клеточные механизмы психических расстройств, однако, они не являются всеобъемлющими.

ВЫВОДЫ

Клеточные методы в исследовании психических расстройств развиваются в двух основных направлениях. Первое направление — это клональные линии, с помощью которых моделируются клетки центральной нервной системы. На этих линиях изучаются механизмы действия лекарственных средств и определяются гены предрасположенности к психическим расстройствам. Это направление может в недалеком будущем помочь разработать новые методы психофармакотерапии. Другое направление — это клетки, полученные в популяциях пациентов и здоровых лиц. Они используются для изучения «в реальном времени» патологических процессов, в основе которых лежат различные варианты генов предрасположенности. Протоколы изучения индуцированных нервных клеток в настоящее время бурно развиваются. Их доступность и очевидная валидность гарантируют то, что они обретут популярность среди фармкомпаний и академических учреждений.
Безусловно, клеточные модели не могут охватить всей сложности психических заболеваний. Тем не менее, исследования определенных типов нервных клеток в крупных когортах пациентов в недалеком будущем может дать новые сведения о биологических механизмах психических расстройств и предоставить модели для разработки и тестирования новых методов лечения.