Szczegółowy plan dramatycznych zmian w komórkach nerwowych może pomóc w zidentyfikowaniu sposobów leczenia uszkodzeń rdzenia kręgowego.
Danio pręgowany posiada wyjątkową zdolność regeneracji przerwanego rdzenia kręgowego, która może być kluczem do leczenia podobnych obrażeń u ludzi. Badania pokazują, że przeżycie i zdolność adaptacji uszkodzonych neuronów mają kluczowe znaczenie dla tej regeneracji. W przeciwieństwie do ludzi, neurony danio pręgowanego nie umierają w wyniku urazu, lecz przechodzą transformację, stając się centralnym elementem procesu gojenia. Badanie sugeruje, że uratowanie tych neuronów przed śmiercią, zamiast skupiać się wyłącznie na komórkach macierzystych, może mieć kluczowe znaczenie dla opracowania skutecznych metod leczenia urazów rdzenia kręgowego.
Danio pręgowany i regeneracja rdzenia kręgowego
Danio pręgowany należy do rzadkiej grupy kręgowce zdolny do całkowitego wygojenia przerwanego rdzenia kręgowego. Jasne zrozumienie, w jaki sposób zachodzi ta regeneracja, może dostarczyć wskazówek dotyczących strategii leczenia urazów rdzenia kręgowego u ludzi. Takie urazy mogą być druzgocące i powodować trwałą utratę czucia i ruchu.
W nowym badaniu przeprowadzonym przez Washington University School of Medicine w St. Louis sporządzono szczegółowy atlas wszystkich komórek zaangażowanych – i tego, jak współdziałają – w regeneracji rdzenia kręgowego danio pręgowanego. W wyniku nieoczekiwanego odkrycia naukowcy wykazali, że do pełnej regeneracji rdzenia kręgowego wymagane jest przeżycie i zdolność adaptacji samych uszkodzonych neuronów. Co zaskakujące, badanie wykazało, że komórki macierzyste zdolne do tworzenia nowych neuronów – i zwykle uważane za kluczowe dla regeneracji – odgrywają rolę uzupełniającą, ale nie przewodzą temu procesowi.
Wyniki badania zostaną opublikowane dzisiaj (15 sierpnia) w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Rola neuronów w regeneracji danio pręgowanego
W przeciwieństwie do urazów rdzenia kręgowego u ludzi i innych ssaków, w wyniku których uszkodzone neurony zawsze umierają, uszkodzone neurony danio pręgowanego radykalnie zmieniają swoje funkcje komórkowe w odpowiedzi na uraz, najpierw aby przeżyć, a następnie przyjąć nową, główną rolę w koordynowaniu precyzyjnych zdarzeń regulujące gojenie – odkryli naukowcy. Naukowcy wiedzieli, że neurony danio pręgowanego przeżywają uszkodzenie rdzenia kręgowego, a nowe badanie pokazuje, jak to robią.
„Odkryliśmy, że większość, jeśli nie wszystkie, aspekty naprawy neuronów, które staramy się osiągnąć u ludzi, występują naturalnie u danio pręgowanego” – powiedziała starsza autorka, dr Mayssa Mokalled, profesor nadzwyczajny biologii rozwoju. „Zaskakującą obserwacją, której dokonaliśmy, jest to, że zaraz po urazie zachodzą silne mechanizmy ochrony i naprawy neuronów. Uważamy, że te mechanizmy ochronne pozwalają neuronom przetrwać uraz, a następnie przyjąć rodzaj spontanicznej plastyczności – czyli elastyczności swoich funkcji – która daje rybom czas na regenerację nowych neuronów i osiągnięcie pełnego powrotu do zdrowia. W naszym badaniu zidentyfikowaliśmy cele genetyczne, które pomogą nam promować tego typu plastyczność w komórkach ludzi i innych ssaków”.
Mapowanie funkcji komórek w regeneracji rdzenia kręgowego
Mapując ewoluujące role różnych typów komórek biorących udział w regeneracji, Mokalled i jej współpracownicy odkryli, że elastyczność uszkodzonych neuronów, które przeżyły, oraz ich zdolność do natychmiastowego przeprogramowania po urazie prowadzą do łańcucha zdarzeń niezbędnych do regeneracji rdzenia kręgowego. Jeśli te neurony przeżywające uraz zostaną wyłączone, danio pręgowany nie odzyska normalnej zdolności pływania, mimo że regeneracyjne komórki macierzyste pozostaną obecne.
Kiedy długie okablowanie rdzenia kręgowego zostaje zmiażdżone lub przerwane u ludzi i innych ssaków, uruchamia to łańcuch zdarzeń toksycznych, które zabijają neurony i czynią środowisko rdzenia kręgowego wrogim mechanizmom naprawczym. Ta toksyczność neuronalna może w pewnym stopniu wyjaśnić niepowodzenie prób wykorzystania komórek macierzystych do leczenia urazów rdzenia kręgowego u ludzi. Nowe badanie sugeruje, że zamiast skupiać się na regeneracji za pomocą komórek macierzystych, każda skuteczna metoda leczenia urazów rdzenia kręgowego u ludzi musi zaczynać się od uratowania uszkodzonych neuronów przed śmiercią.
„Neurony same w sobie, bez połączeń z innymi komórkami, nie przeżywają” – powiedział Mokalled. „Uważamy, że u danio pręgowanego uszkodzone neurony mogą przezwyciężyć stres związany z urazem, ponieważ ich elastyczność pomaga im nawiązać nowe lokalne połączenia natychmiast po urazie. Nasze badania sugerują, że jest to tymczasowy mechanizm, który kupuje czas, chroniąc neurony przed śmiercią i umożliwiając systemowi zachowanie obwodów neuronowych podczas budowy i regeneracji głównego rdzenia kręgowego”.
Potencjał nowych terapii u ssaków
Istnieją pewne dowody na to, że zdolność ta jest obecna, ale w neuronach ssaków jest uśpiona, zatem według naukowców może to stanowić drogę do nowych terapii.
„Mamy nadzieję, że identyfikacja genów odpowiedzialnych za ten proces ochronny u danio pręgowanego – których wersje są również obecne w ludzkim genomie – pomoże nam znaleźć sposoby ochrony neuronów u ludzi przed falami śmierci komórek, które obserwujemy po urazach rdzenia kręgowego – powiedziała.
Przyszłe kierunki badań
Chociaż badanie to koncentruje się na neuronach, Mokalled stwierdziła, że regeneracja rdzenia kręgowego jest niezwykle złożona, a przyszłe prace jej zespołu będą dotyczyć nowego atlasu komórek, aby zrozumieć udział innych typów komórek w regeneracji rdzenia kręgowego, w tym komórek nieneuronalnych, tzw. glej, w ośrodkowym układzie nerwowym, a także w komórkach układu odpornościowego i układu naczyniowego. Prowadzą także ciągłe badania porównujące odkrycia dotyczące danio pręgowanego z tym, co dzieje się w komórkach ssaków, w tym w tkance nerwowej myszy i człowieka.
Odniesienie: „Danio pręgowany wykorzystuje zaskakującą strategię do odrostu rdzenia kręgowego”, Saraswathy VM, Zhou L, Mokalled MH, 15 sierpnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50628-y
Dzieło to wsparł m.in Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH), numer grantu R01NS113915; oraz stypendium podoktorskie w ramach programu Seed of Independence Grant na Wydziale Biologii Rozwoju w Washington University School of Medicine.
