1. ábra * Az idegszövet fő alkotói.
Bevezetés
Az 1900-as évek végéig általánosan elfogadott tétel volt, hogy a magasabbrendű gerinces fajok központi idegrendszerében az idegsejtképződés lehetősége rövid idővel a születés után lezárul, a kifejlett agyban és gerincvelőben új idegsejtek már nem keletkeznek. Ez az elképzelés makacsul tartotta magát annak ellenére, hogy már az 1980-as években Fernando Nottebohm és munkatársai (Goldman, 1983) megmutatták, hogy az énekesmadarak ún. "ének-központjaiban" a párválasztási időszakban, nagy számban képződnek új idegsejtek. A Science folyóiratban 1992 tavaszán megjelent közlemény (Reynolds, 1992) áttörést hozott: Samuel Weiss laboratóriumában felnőtt egér előagyából izoláltak idegi őssejteket. Ezek a sejtek a mesterségesen biztosított környezeti feltételektől függően vagy gyors osztódással, változatlan formában sokszorozódtak, vagy nem-szimmetrikus osztódással olyan utódsejteket hoztak létre, amelyek idegsejtekké fejlődtek.
A bejelentést követő években, gyors egymásutánban jelentek meg közlemények hasonló idegi őssejtek jelenlétéről főemlősök (Gould, 1999) és az ember (Svendsen, 1999) érett központi idegrendszerében is. Az adatok egyértelműen bizonyították, hogy sokirányú fejlődésre képes, önmegújító sejtek - azaz szöveti őssejtek - jelen vannak a magasan differenciált, önmegújításra látszólag nem képes idegszövetben is. A felfedezés az őssejtkutatásnak újabb lendületet adott, az orvosi gyakorlat számára pedig felvillantotta a felnőttkori idegsejtpótlás lehetőségét.
Az új eredmények új kérdéseket vetettek fel. Ha az idegszövetben vannak idegi őssejtek, akkor mi a "feladatuk", és miért nem pótlódnak belőlük a sérülés vagy betegség során elpusztuló idegsejtek? Hol helyezkednek el a felnőttkori idegi őssejtek, és milyen hatásokra nőhet a számuk vagy sejtképző kapacitásuk? Vajon a felnőtt agyban található idegi őssejtek ugyanolyan fejlődési lehetőségekkel rendelkeznek, mint az idegszövet kialakításában szerepet játszó embrionális idegi őssejtek?
A lázas kutatómunka ellenére ezekre a kérdésekre ma még csak részleges válaszok adhatók. Azt már tudjuk, hogy hol érdemes keresni őssejteket a kifejlett agyban és gerincvelőben. Élettani jelentőségük, fejlődési lehetőségeik azonban továbbra is csak részben ismertek, és klinikai felhasználhatóságuk intenzív kutatások és heves viták tárgya.
Az idegi őssejtek sajátosságait, fejlődési lehetőségeit csak az idegszövet szerkezetének, működési sajátságainak és kialakulásának ismeretében lehet megérteni. A klinikai sejtpótlás kérdései pedig csak akkor vizsgálhatók, ha megértjük az idegi őssejtekből történő sejtképzés folyamatait, legalább meg tudjuk becsülni azokat a szükséges és lehetséges kapcsolatokat, amelyeket az őssejtekből fejlődő sejtalakok létesíthetnek a központi idegszövet alkotóival, és ismerjük azokat a válaszreakciókat, amelyeket a beültetett őssejtek a befogadó idegszövetben váltanak ki.
Az idegszövetről, röviden
A gerincesek központi ideg(gerincvelő- és agy)szövete az embrionális idegcsőből fejlődik, és a csőszerkezet a kifejlett szervre is jellemző. A cső üregét (a gerincvelői csatornát és az agykamrákat) szorosan záró ependyma sejtek határolják, a cső külső felszínét a lágy agyhártya (pia mater) fedi (1. ábra).
E két határoló hártya között, maga a csőfal sejttestek és finoman tagolt nyúlványok tömör szerveződése, amelyben a sejtek közötti tér nagyon szűk. A vérereket, valamint a vérsejteket nem tekintve, a központi idegszövetet egyetlen embrionális csíralemezből származó, ektoderma eredetű sejtek, az idegsejtek (neuronok) és makroglia sejtek (asztrociták és oligodendroglia sejtek) építik fel. A látszólag kevés sejtféleség ellenére az idegszövet igen bonyolult összetételű sejtegyüttes, amelyben szinte minden neuron és gliasejt egyedi sajátságokkal és jellemző kapcsolatrendszerekkel rendelkezik.
Az idegsejtek osztódásra képtelen, ún. végdifferenciált sejtek, amelyek a környezetükből érkező (elsősorban kémiai) ingerek felfogására, továbbítására és átadására "szakosodtak". Citoplazmájuk igen nagy része - nagy vetítő neuronok esetén, akár kilencven százaléka - nem a sejtmag körül, hanem hosszú, finoman elágazó nyúlványokban - a dendritekben és axon-ágakban - található. Ez az egyik oka annak, hogy ha egy idegsejt a sejttesthez közel sérül, és elveszti a nyúlványainak jelentős részét, a regenerációra igen kis esélye van. A nyúlványos szerkezetből adódik, hogy az idegsejt felülete a térfogatához képest igen nagy. Hatalmas felszíni sejtmembrán-mennyiséget kell "karbantartania", rendszeresen felépítenie és lebontania. Ez a sejtfelszíni membrán nem egységes: specializált - ingerületet vezető, ingerületet átadó (preszinaptikus), ingerületet fogadó (posztszinaptikus), gliasejtekkel kapcsolódó - membránfoltok mozaikja (2. ábra).
A nyúlványok életben tartásához és működéséhez sok olyan anyagra van szükség, amely a sejtmag körüli citoplazmában termelődik, és innen szállítódik a nyúlványokba. A nyúlványok végein felvett és onnan szállított molekulákra viszont szükség van a sejttest anyagcseréjének szabályozásához. Mindez nagy távolságot - emberi gerincvelői mozgató idegsejtek esetén, akár egy métert is - áthidaló, nagy kapacitású szállítást igényel, amit az idegsejtek jellegzetes belső szállítórendszerei biztosítanak.
A neuronok jellegzetes működése, a gyors információtovábbítás a belső molekulaszállító rendszerektől függetlenül, a felszíni membrán gyorsan nyíló és csukódó feszültségérzékeny ioncsatornáinak működése révén valósul meg. Az ioneloszlás változása a vezető membránfelszínek mentén elhelyezett mikroelektródokkal terjedő potenciálváltozásként ("csúcspotenciál"-sorozatokként) mérhető. A potenciálváltozás terjedési sebessége (az ún. vezetési sebesség) emlős állatok gyorsan vezető axonjain elérheti a 100 m/sec értéket. (Ehhez azonban már az oligodendroglia sejtek segítségére van szükség.) A központi idegszövetben egyetlen neuron akár tízezer posztszinaptikus felületen "fogadhat" és hasonló számú preszinaptikus felületen "adhat" információt. A "fogadott" információ a posztszinapszis körüli "vezető" membránszakaszok potenciálállapotát változtatja meg. Az információ-adás meghatározott mennyiségű idegi átvivőanyag (például acetilkolin, noradrenalin, glutaminsav, gamma-amino-vajsav [GABA] stb.) és különböző neuropeptidek kibocsátásával történik a sejt pillanatnyi potenciálállapota által "kijelölt" preszinapszisokból. Összességében az idegsejt hatalmas mennyiségű jelmolekulát szintetizál és tárol.
Az idegsejtek szerkezete, anyagcseréje és speciális működése csak nagy energiabefektetéssel biztosítható. Ehhez segítségre van szükség: az emlős idegszövetben az érett idegsejtek csak az asztroglia sejtekkel együtt, azokkal összehangolt együttműködésben léteznek. Az idegi nyúlványrendszer kialakítása és fenntartása más neuronokkal vagy egyéb célsejtekkel (például izom- vagy mirigysejtekkel) létesített aktív kapcsolatokat igényel. Az egymással szinaptikus kapcsolatok útján kommunikáló idegsejtek alkotják a bonyolult idegi hálózatokat.
Új sejtek tömeges képződése vagy bevándorlása a sejtek közötti kapcsolatok megbomlásával járna, és lehetetlenné tenné a stabil ideghálózati működést. Nem véletlen, hogy az érett, ép idegszöveten belül osztódó és vándorló sejtek csak meghatározott helyeken találhatók, és számuk igen alacsony. Ép felnőtt agyban az osztódásra képes őssejtek nem az idegszövet belsejében, hanem annak peremén, a fejlődés korai szakaszain sejteket termelő, ún. germinatív zónák maradványterületein helyezkednek el. A germinatív zónákból - az embrionális fejlődés és a felnőtt kori sejtképzés alatt egyaránt - olyan idegsejt-előalakok lépnek ki, amelyek már nem osztódnak. Ezekből hosszú érési folyamatok során, fokozatosan alakulnak ki a különböző típusú idegsejtek.
Idegsejtképzés az idegrendszer kialakulása során: embrionális és perinatális idegi őssejtek
A gerinces fajok embrióiban a központi idegszövetet képző idegi lemez igen korán (csirkében a tojás fejlődésének megindulása utáni másfél nappal, emberben a megtermékenyítés után a hetedik-nyolcadik, a méhfalba való beágyazódás után kb. a második napon) alakul ki, és a fejlődő embrió háti sejtrétegét csaknem teljesen kitölti. Kezdetben ez a neuroektoderma réteg gyorsan osztódó sejtekből áll, amelyek magukkal azonos utódsejteket létrehozva, a réteget növelik. A gyors növekedés eredményeként a test középvonalában a réteg benyomódik, és kialakul az idegi árok (3. A ábra).
További osztódások és sejtmozgások hatására az árok a test hosszanti tengelye mentén megnyúlik, és csővé záródik. Megjelenik az embrió test teljes hosszán végighúzódó idegi cső. Az idegcsőből fejlődik a központi idegrendszer (szinte) minden ideg- és makroglia sejtje. A csővé záródás során a cső két oldalán kimarad egy-egy neuroektoderma-csík, a neurális léc. Ebből fejlődik a perifériás idegrendszer. A korai embrionális idegcső sejtjeiből - ha más irányú fejlődést indító külső tényezőkkel nem találkoznak - "kötelezően" idegszöveti sejtek képződnek: ez a csőfal embrionális idegi őssejtekből áll.
A hat-hét napos patkányembrió "idegrendszere" egy egyetlen sejtrétegből álló sejttermelő cső, amelyben a gyorsan osztódó sejtek átérik a csőfal teljes vastagságát, és kapcsolatot tartanak mind a cső üregét, mind a cső külső felszínét borító molekularétegekkel. A sejtmagok a megnyúlt sejtek eltérő részeire vándorolnak attól függően, hogy a sejt az osztódási ciklus melyik fázisánál tart (3. B ábra).
A sejt kettéosztódásakor (mitotikus fázis) a magok mindig a cső ürege mentén helyezkednek el. A fejlődés előrehaladtával egyre nagyobb számban jelennek meg olyan sejtek, amelyek a kettéosztódás után elvesztik a kapcsolatukat a cső üreg felé néző felszínével, és a falban éppen nem osztódó sejtek felszínén a cső külső részére vándorolnak. A cső fala ezzel vastagodni kezd (3. D ábra).
Az üreget közvetlenül határoló sejtréteg továbbra is osztódó sejtekből áll, és a központi idegrendszer primér germinatív zónájának, vagy elhelyezkedése alapján ventrikuláris (kamrafali) zónának (VZ) nevezik. Ebben a korai embrionális stádiumban, azok a sejtek, amelyek leválnak a cső üregi felszínéről, és kilépnek a VZ-ból, elvesztik osztódó képességüket, és posztmitótikus (osztódás utáni) idegsejt előalakokká válnak. Az elsőként leváló előalakokból a nagy méretű, hosszú axonnal rendelkező ún. fő vagy vetítő neuronok differenciálódnak a későbbi fejlődés során. A később lelépő sejtekből egyre kisebb sejttestű, és rövidebb axonnal bíró idegsejtek fejlődnek. A kisebb idegsejtek (ún. helyi vagy köztes neuronok) születésével egy időben megjelennek az első asztroglia előalakok is. Ezek azonban a VZ-ból való kilépés után nem vesztik el osztódó képességüket, és a vastagodó idegi falon belül további gliasejtek létrehozására képesek.
Az elsődleges germinatív zóna egyik jellegzetes sejtalkotója a radiális gliasejt (Rakic, 1971). Az eredeti leírás szerint ezek a sejtek a csőfal két felszíne között stabil kapcsolatot létesítenek, és a neuronképzés időszakában nem osztódnak. A korai idegsejt-előalakok ezeknek a sejteknek a felszínére tapadva vándorolnak ki VZ-ból, és jutnak el kezdeti "rendeltetési helyükre". Az újabb adatok azonban azt mutatják, hogy a radiális gliasejtek között kell keresni a valódi embrionális idegi őssejteket. Megdőlt az a nézet, hogy a radiális gliasejtek az idegsejtképzés időszakában nem osztódnak. Osztódásuk valóban nem folyamatos - ezért lehetett őket nem-osztódó sejtekként is azonosítani. Egy valódi szöveti őssejttől azonban nem is várható, hogy folytonosan szaporodjon. Viszonylag ritka aszimmetrikus osztódásával létrehoz egy magával azonos őssejtet, és egy gyors(abb)an osztódó, de fejlődésre már nagyobb mértékben elkötelezett utódsejtet. Ez utóbbi egy olyan sokszorozó sejt, amely sorozatos osztódásával felszaporítja az elkötelezett(ebb) sejtpopulációt. Ezek szerint a VZ-ban a könnyen azonosítható osztódó sejtek már többé-kevésbé elkötelezett, sokszorozó sejtek.
A fejlődés előrehaladtával a VZ a fejlődő agykamrákat, illetve a gerincvelő csatornáját határoló, szorosan záró ependyma sejtréteggé alakul, amely fontos szerepet játszik az agy-gerincvelői folyadék (liquor) és az idegszövetet átitató szövetnedv összetételének szabályozásában. Az ependyma és az idegszövet között kialakul egy újabb osztódó réteg, az ún. másodlagos germinatív zóna vagy szubventrikuláris zóna (SVZ). A SVZ további idegszöveti sejtek - köztes neuronok és gliasejtek - képződésének helye (4. ábra), emlősökben elsősorban a születés körüli (perinatális) fejlődés időszakában.
A középagy és nyúltvelő határán, a negyedik agykamra háti részéből a SVZ sejtjei egyetlen sejtrétegként ránőnek a fejlődő kisagy felületére, és külső másodlagos germinatív rétegként a kisagykéreg közti idegsejtjeit, legnagyobb számban a kisagykérgi szemcsesejteket termelik.
Emlősökben, az oldalsó előagyi agykamrák mentén, a striatum területén (5. ábra) már az embrionális korban kialakul, és kisebb kapacitással az élet végéig sejteket termel az SVZ. Korai sejtképzése során az agykéreg gátló közti neuronjainak többségét hozza létre. Későbbi működése elsősorban a szaglógumó idegsejtjeinek állandó pótlásában játszik fontos szerepet (lásd felnőttkori idegsejtképzés).
A másodlagos germinatív zónák ugyancsak idegi őssejteket tartalmaznak, de radiális gliasejtek nem találhatók bennük, és nem mutatható ki az elsődleges zónákra jellemző, sejtciklustól függő sejtmagáthelyeződés sem. Az innen származó sejttípusok nem azonosak az elsődleges zónából születettekkel. A legfontosabb különbség, hogy a másodlagos zónákból nagy vetítő neuronok már nem képződnek. Ma még nem világos, hogy ez a különbség mennyiben magyarázható a másodlagos zónákban levő őssejtek beszűkült fejlődési lehetőségeivel, vagy azzal, hogy az őssejteket és a frissen képződött előalakokat egy alapvetően más idegszöveti környezet veszi körül.
Őssejtek a kifejlett központi idegrendszerben
Ma már nyilvánvaló, hogy az érett, sértetlen emlősagyban kismértékű, de állandó idegsejtképzés zajlik. Újonnan keletkezett idegsejt előalakok vándorolnak a szaglógumóba, ahol az idegsejthálózatok folyamatosan megújulnak. A szaglógumó mellett, főemlősök ép agykérgében is megfigyelték új idegsejtek beépülését (Gould, 1999).
Az agy egyes területein - például az előagyi oldalsó agykamrák striatummal határos területén - a másodlagos germinatív réteg az élet végéig fennmarad. Az ép felnőtt agyban új idegsejt-előalakok a germinatív sajátságukat fenntartó szubventrikuláris zónákban és a hippocampus ún. gyrus dentatus-ának szemcsesejt rétege alatt keletkeznek (5. ábra). Az oldalsó kamrafal mentén (az embrionális striatum mentén húzódó VZ- majd SVZ- maradvány területein) nagyobb tömegben keletkeznek sejtek, amelyek hosszú vándorlás után, viszonylag rövid nyúlványokkal rendelkező, köztes neuronokká fejlődnek. A gyrus dentatus-ban keletkező kevés sejtből viszont, születésük helyéhez igen közel, gazdag nyúlványrendszerrel bíró, vetítő típusú sejtek (ún. hippocampalis szemcsesejtek) alakulnak ki.
A gangliondomb környéki felnőttkori germinatív zónában az őssejtek a kamrafal ependyma sejtjei között vagy közvetlenül felettük, a szubventrikuláris rétegben helyezkednek el. Ma már bizonyítottnak tekinthető (García-Verdugo, 1998), hogy ezek az őssejtek asztroglia-sajátságokat is mutató, ritkán osztódó sejtek, amelyekből egy gyorsan osztódó sokszorozó sejtféleség (ún. C sejt) keletkezik. Ez utóbbi hozza létre a már nem osztódó, vándorló idegsejt-előalakokat (az ún. A sejteket) (5. B ábra).
A fejletlen idegsejt prekurzorokat egy asztroglia sejtekből álló hüvely elhatárolja a kifejlett idegszövettől, ezért a környező sejtekkel nem léphetnek kapcsolatba. A gliahüvely jellegzetes környezetet és egyben szigorúan kijelölt útvonalat biztosít az egymás felszínén előremozduló idegsejt-előalakok számára. A fő kijelölt útvonal, amely mentén a frissen keletkezett sejtek többsége vándorol, a kamrafal oldalán előrefelé húzódik, és az ún. elülső vándorlási ösvényben (rostral migratory stream - RMS) folytatódik egészen a szaglógumóig, az emlős agy legelülső részéig. A vándorlás végére az idegsejt-előalakok elég fejlettnek tűnnek ahhoz, hogy magában a szaglógumó idegszövetében folytassák vándorlásukat beépülésük végső helyére.
Az előagyi szubventrikuláris zónában keletkező idegsejt-előalakok eljuthatnak a nagyagykéregbe is, ahol beépülhetnek a kéreg köztes idegsejtei közé. Erről a vándorlási útvonalról részletes ismeretek még nincsenek, de jelentős számban találtak vándorló előalakokat az előagyi rostrendszerekben (elsősorban a két agyfélteke kérgi zónáit összekötő corpus callosum-ban).
A nagy rostkötegekben vándorló sejtek száma jelentősen nő, ha az agyat valamiféle sérülés éri. A sérült és regenerálódó agyi és gerincvelői régiókban, a kamrafal mentén bizonyítottan megnő az osztódó sejtek száma is. Az ilyenkor keletkező sejtek túlnyomó többségéből azonban nem idegsejtek, hanem a sérülés helyére vándorló gliasejtek fejlődnek. A fokozott sejtképzés olyan szubventrikuláris területeken is megfigyelhető, amelyek az ép felnőtt agy sejtképzésében nem vesznek részt. Arról egyelőre inkább csak feltevések vannak, hogy a sérülés hatására idegsejtképzésre alkalmas őssejtek is aktiválódnak, és idegsejtek is képződnek.
Egy- vagy többféle idegi őssejt?
Az idegi őssejtek elhelyezkedéséről és az általuk létrehozott sejtek végső fenotípusáról mondottak alapján adódik az a feltételezés, hogy sokféle - és nem egy univerzális - idegi őssejttípus létezik. Különösen sok őssejt-féleséget kell figyelembe vennünk, ha idegi őssejtnek tekintünk minden olyan sejtet, amely önmegújításra és idegsejt létrehozására egyaránt képes.
A gerinces hólyagcsíra embrionális őssejtjeiből (ES) sejttenyészetekben nagyszámú idegsejt fejlődik. Ehhez csak azt kell megakadályozni, hogy az őssejtekre hassanak a mezoderma és ektoderma kialakulását elindító jelmolekulák (például activin, csont morfogenetikus fehérjék «bone morphogenetic proteins - BMPs») (Muńoz-Sanjuán - Brivanlou, 2002). E faktorok hiányában az ún. preneurális gének aktiválódnak, és a korai embrionális vagy egyéb el nem kötelezett sejtekben kialakul a neurális fejlődés lehetősége. Valószínűleg a pre- és proneurális gének könnyű indukálhatósága magyarázza, hogy primitív elkötelezetlen őssejteket (is) tartalmazó sejtegyüttesekben (például csontvelő-preparátumban) idegi irányú differenciálódás váltható ki. A vérképző, idegi és embrionális (ES) őssejtekben aktívan működő gének összehasonlító vizsgálata (Ramalho-Santos, 2002) is azt mutatta, hogy a test minden sejtjét létrehozni tudó embrionális (ES) őssejtek és az embrionális idegi őssejtek között jelentős hasonlóság van; e két őssejt-féleség közelebb áll egymáshoz, mint a vérképző őssejtek bármelyikhez (6. ábra).
Az idegi lemez kialakulásának és a cső záródásának időszakában az idegi őssejtekben a preneurális gének működnek. A proneurális gének az idegi előalakok kialakulása során válnak aktívvá, és aktivitásukat a közvetlen sejt-sejt kapcsolatok szabályozzák.
A germinatív réteg őssejtjeinek sajátságait sok környezetből érkező hatás befolyásolja. A külső hatások annál nagyobb valószínűséggel érvényesülnek, minél hosszabb idő telik el a sejtciklusban két osztódás között. A fejlődés során a germinatív réteg sejtjeinek ciklusideje és ezen belül a G1 fázis időtartama folyamatosan nő. Az embrionális ideglemez sejtjeinek tíz-tizenkét órás ciklusidejével szemben, a másodlagos germinatív rétegben az osztódó sejtek megkettőződéséhez már huszonnégy óra kell. A rétegben ritkán osztódó "valódi" őssejtek ciklusidejéről nincsenek adataink, de ha a feltételezett hosszú nyugalmi periódust tekintjük, akkor két osztódásuk között a környezet hatására jelentősen változhatnak.
Miközben a "valódi" őssejtek egyre ritkábban osztódnak, nagy számban megjelennek a sokszorozó sejtek (7. ábra) az elsődleges germinatív rétegben.
Mi a szerepe e két (vagy több) sejttermelő populációnak? Az egyik lehetőség, hogy a sokszorozók csak meghatározott számú, szimmetrikus sejtosztódásra képesek, azaz korlátozott számú és azonos sajátságú sejteket hoznak létre. Adott számú osztódás után, szaporodóképességük kimerül, és posztmitotikus sejtként kivándorolnak a VZ-ból, vagy ott maradva a kamrafal nem-osztódó (például ependyma) alkotóivá válnak illetve elpusztulnak. Eszerint a kilépő idegsejt előalakok sajátságai (például hogy belőlük nagy vetítő vagy kis köztes neuron fejlődhet) alapvetően attól függ, hogy a "valódi" őssejt milyen sokszorozó populációt hozott létre. E modell szerint - ha magyarázni akarjuk a keletkező előalakok sokféleségét - a "valódi" őssejt sajátságainak folyamatosan és jelentős mértékben változnia kell a fejlődés előrehaladtával. Alátámaszthatja a modellt az a megfigyelés, hogy az idegi cső egy adott területéről nem folyamatosan, hanem időben jól elkülönülő hullámokban, egyszerre lép ki egy nagyobb mennyiségű, azonos sajátságú posztmitotikus sejt. Ellene szól viszont az az elméleti meggondolás, hogy egy ilyen szerveződés rendkívül sérülékeny lehet: egyetlen, viszonylag nagy lépésekben változó őssejt-populáció épségén múlhat a szöveti sejtprodukció.
Egy másik lehetőség szerint a viszonylag gyorsan osztódó "sokszorozó" sejtek maguk is őssejtek, amelyek képesek szimmetrikus és aszimmetrikus osztódásra is. Szimmetrikus osztódásukkal saját populációjukat növelik, aszimmetrikusan osztódva viszont két utódsejtjük közül az egyik az anyasejttel azonos őssejt-populáció fenntartását szolgálja, míg a másik a szöveti elköteleződés magasabb fokát képviselő sejt. Ez utóbbi ugyancsak lehet "őssejt", azaz kiterjesztheti a maga tulajdonságaival rendelkező őssejt-populációt, miközben egy magánál "még elkötelezettebb" populáció kiindulópontja vagy osztódását befejező előalak lehet. Bár ma még nem tudjuk biztonsággal megmutatni a különböző mértékben elkötelezett őssejt-populációkat a VZ-ban, az egymásból származtatható, egymástól csak kismértékben különböző őssejtek sorozata valószerűbb elképzelésnek látszik. A különböző "minőségű" idegi őssejtek jelenlétét igazolni látszik, hogy - legalább is Petri-csészében - jól elkülöníthetőek egymástól olyan őssejt-populációk, amelyek más fejlődést szabályozó hatóanyagokra (az egyik például epidermális növekedési faktorra, a másik fibroblaszt növekedési faktorra) érzékenyek.
Az első elképzelés szerint a késői germinatív rétegekben fennmaradó, ritkán osztódó vagy nyugvó állapotú őssejt a "valódi őssejt" fejlődés során módosult formája. Egy ilyen sokféle hatást megért, "öreg" sejt szükségszerűen olyan sajátságokat hordoz, amelyek korára és a germinatív zóna szöveti környezetére jellemzőek. Az ilyen őssejt várhatóan egyre kisebb fejlődési lehetőséggel rendelkező előalakokat hoz létre az idő előrehaladtával, azaz fejlődési potenciálja beszűkül. A felnőttkori SVZ-ben már csak néhány idegszöveti sejtféleség előalakjai keletkezhetnek belőle.
A második modellből az következik, hogy az "őssejt-leszármazás" több lépcsőjéből is fennmaradhatnak őssejtek a késői germinatív zónákban. Ezek különböző fejlődési állapotban "megrekedt" őssejtek lehetnek, tehát többféle sejt létrehozására marad lehetőség. A modellek kutatási-gondolkodási keretet adnak; ezt a keretet a következő évek kutatásainak tényekkel kell megtöltenie.
Az idegi őssejtek és az idegsejtpótlás
Az idegszövet szigorú, tömött szerveződése és az idegsejtek speciális szerkezeti és működési sajátságai az egyedfejlődés során fokozatosan alakulnak ki. Az osztódásra már képtelen idegsejt-előalak, meghatározott szöveti környezetben vándorolva, sok sejttel, sokféle kapcsolatot létesít. Nagy részben e kölcsönhatások eredményeként formálódik az előalak meghatározott típusú neuronná és egy adott idegsejthálózat elemévé. A nem megfelelő szövetkörnyezetbe kerülő, kapcsolatokat nem létesítő előalakok és idegsejtek elpusztulnak. Ez az ún. morfogenetikus sejtpusztulás a szövetképződés természetes velejárója, amelynek során a legalkalmasabb, megfelelő időben, a megfelelő helyen előforduló sejtek válogatódnak ki. Az egyedfejlődés során csaknem tízszer annyi idegsejt-előalak és fejlődő neuron jön létre, mint amennyi végül a kifejlett szövetbe beilleszkedik.
A fentiek alapján nyilvánvaló, hogy egy idegi őssejtet hiába ültetnénk be az érett agyszövet egy véletlenszerűen kiválasztott területére, az ott nagy valószínűséggel elpusztulna. A kezdeti agyi szövetbeültetések jelezték, hogy a felnőtt agy adott területére beépülhetnek embrionális agyi sejtek, de csak akkor, ha meghatározott korú embriók meghatározott agyi régióiból származnak (Björklund, 2000).
Parkinson-kórban szenvedő betegek egy részénél jelentős javulást lehetett elérni, ha a beteg striatumba dopamint termelő embrionális középagyi sejteket ültettek. Ehhez azonban kizárólag hét-nyolc hetes humán embriók középagyi szövetét lehetett felhasználni. Más agyterületekről vett vagy korban (fejlődési állapotukban) nem megfelelő sejtek a felnőtt szövetbe nem épültek be.
Az embrionális agyból vett mintákban a sikeresen beépülő sejtek nem az őssejtek, hanem olyan fejlődő, de még nem végdifferenciált idegsejt-előalakok, amelyek az idegsejtérés bizonyos fokára már eljutottak, és többé-kevésbé elköteleződtek egy adott idegi működésre. A felnőtt agyszövetben nincsenek jelen olyan sejten kívüli molekulák és sejtsorsot irányító faktorok, amelyek az embrionális szövetszerveződés idején fontos szerepet játszanak. Hiányzik az a szöveti környezet, amely ahhoz kell, hogy egy elkötelezetlen sejt az adott szöveti régiónak megfelelő idegsejtté fejlődjön.
Hogyan lehet mindezek után az idegi őssejteket felhasználni a központi idegszövet sejtjeinek pótlására? Alapvetően két stratégia adódik: 1.) az őssejteket fejlődésre kell bírni, még mielőtt a befogadó területre kerülnek, és 2.) a befogadó idegszövetet olyan irányba kell módosítani, hogy az a fejlődő sejtek számára befogadó és fejlődést biztosító környezetet nyújtson.
Az idegi őssejteket a testen kívül is fejlődésre lehet késztetni. A fejlődést megfelelő hatóanyagokkal és sejtletapadást befolyásoló molekulákkal irányítani is lehet, és a fejlődésnek indult sejtegyüttesből a megfelelő sajátságokkal rendelkező sejtek kiválogathatók.
Embrionális egér őssejtek gondosan megtervezett in vitro kezelésével már sikerült a gerincvelő fejlődő mozgató neuronjaihoz minden tekintetben hasonló (Wichterle, 2002), vagy dopamint termelő (Kim, 2002) idegsejteket létrehozni. Ezek a sejtek be tudtak illeszkedni felnőtt egerek központi idegrendszerének megfelelő területeire.
Ilyen kísérletek a világ igen sok laboratóriumában zajlanak, és sok különböző helyről izolált idegi őssejt-populációt vizsgálnak. Van remény arra, hogy a kezdeti ígéretes eredményekből gyakorlatban is alkalmazható klinikai eljárások születnek, talán nem is a túl távoli jövőben.
Világszerte sok laboratóriumban foglalkoznak azzal a kérdéssel is, hogy hogyan lehet a befogadó agyszövetet alkalmassá tenni az őssejtek fogadására. Különösen fontos kérdésekre kell választ találni, ha meggondoljuk, hogy sok idegszöveti degenerációs folyamat esetén nemcsak elpusztult sejteket kell pótolni, hanem mindezt egy kórosan elváltozott szövetkörnyezetben kell megoldani. Egyelőre csak elenyésző részét ismerjük azoknak a faktoroknak, amelyek létfontosságú szerepet játszanak abban, hogy egy fejlődő sejt megfelelő kapcsolatot létesítsen a környezetével. Vannak adatok, amelyek azt mutatják, hogy a felnőtt agyban mesterségesen kell "helyet teremteni" a beültetett sejtek számára. Olyan módon - programozott sejtelhalás kiváltásával (Shin, 2000) - kell fellazítani az agyszövetet, hogy annak hatására gyulladásos folyamatok ne induljanak el. A megfelelően regenerálódó agyszövetben sok olyan molekula újratermelődik, amely egyébként csak a fejlődő embrionális idegszövetre jellemző. Számos kísérleti eredmény azt mutatja, hogy az így előkészített környezetben az idegsejt-előalakok nagyobb valószínűséggel épülnek be.
A sok nehézség ellenére az idegi őssejtek terápiás felhasználása ígéretes és nem túl távoli lehetőség. Ma azonban még csak lehetőség. Az embrionális idegszövet beültetésével nyert adatok megmutatták, hogy súlyos idegi degenerációs betegségek gyógyíthatók (vagy a tünetek jelentősen csökkenthetők), ha megfelelő új idegsejtek kerülnek az érintett agyterületre. Megfelelő embrionális idegszövet azonban csak korlátozottan állhat rendelkezésre, és súlyos etikai problémákkal terhelt.
A Parkinson-kór sejtbeültetéssel történő kezelésénél egy páciens kezeléséhez minimálisan négy abortált (hét-nyolc hetes) embrióból nyert sejtekre van szükség. De ha olyan agyterületeken (például a hippocampus) van sejtpótlásra szükség, amelyre csak a magzati fejlődés késői szakaszában megjelenő sejtek használhatók, akkor beültetésre alkalmas sejteket fiatalon abortált embriókból már nem lehet nyerni.
Az őssejt-terápiát szorgalmazó kutatók legszebb "álma", hogy felnőtt szervezetből könnyen kivehető őssejteket, például a bőr vagy bélhám germinatív rétegében előforduló elkötelezetlen sejteket lehessen idegi beültetésre alkalmassá tenni. Az idegi sejtsors könnyű indukálhatósága erre reményt nyújt. Kérdés marad azonban, hogy vannak-e teljesen fejletlen, idegi sorsra még elkötelezhető őssejtek a felnőtt szervezetben. Ezek megtalálása, izolálásukra alkalmas módszerek kidolgozása és alkalmazhatóságuk vizsgálata ma az őssejtkutatás legfontosabb feladatai közé tartozik.
Kulcsszavak: idegsejtképződés, idegszövet, sejtmegújulás, idegsejtpótlás
1. ábra * Az idegszövet fő alkotói.
2. ábra * Az idegsejt felszínének mozaikszerkezete. A sejten más idegsejtek
nyúlványai preszinapszisokat létesítenek. A preszinapszisokkal szemben a fogadó
sejt felszínén speciális szerkezetű membránszakaszok, posztszinapszisok
helyezkednek el. A szinaptikus membránszakaszok között a gyors
ingerületvezetésre szakosodott, ún. vezető membrán található. Az ábrán
nincsenek feltüntetve a szinaptikus végződések körül elhelyezkedő asztroglia
nyúlványok.
3. ábra * Az idegrendszer kialakulásának kezdeti lépései. A: Az egyetlen
sejtsorból álló ideglemez csővé záródik. B: Az ideglemez és az idegcső sejtjei
kezdetben szimmetrikusan osztódnak. A kettéosztódás (M) fázisában a sejtmagok a
csőfal üregi oldalán helyezkednek el. C: A velőcső feji szakasza a záródás
időszakában kitágul, megjelennek az agyhólyagok, amelyeknek fala ugyancsak
egyetlen osztódó sejtrétegből áll. D: A csőfal vastagodása során az idegszöveti
sejtek előalakjai a ventrikuláris zónából (V) kilépve, az ún. intermedier zónán
(I) át vándorolnak a széli (marginális; M) terület felé. A V zóna idővel a
kamrafalat határoló ependyma sejtek rétegévé (E) alakul. Az ábra a gerincvelő
kialakulására jellemző sémát mutatja.
4. ábra * A különböző idegszöveti sejtek keletkezése az elsődleges (primér; VZ)
és a másodlagos (SVZ) idegi germinatív rétegből.
5. ábra * A kifejlett patkányagy hosszmetszeti sémáján (A) az előagyi kamra
szubventrikuláris zónájában keletkező idegsejt-előalakok vándorlási útvonalát a
kamrafal tetején és az elülső vándorlási ösvényen fekete vonalak és pöttyözött
nyílhegyek mutatják. Az első hosszú nyíllal jelölt helyről ké-szült
keresztmetszet-vázlaton (B; felső ábra) a szubventrikuláris zóna elhelyezkedése
látszik. A zóna (SVZ) mikroszkópos szerkezetét a B alsó ábra mutatja. Az
agykamrát határoló ependyma réteg tete-jén, asztroglia sejtekkel (B1 és B2)
határolt térben vándorolnak az idegsejt előalakok (A). A sejtegyüttes C-vel
jelölt tagja a gyorsan osztódó sokszorozó sejt, amely az A sejteket hozza
létre. A C ábra a hippocampusban zajló felnőttkori idegsejtképzés helyét
mutatja. A keresztmetszeti vázlat (C felső ábra) a patkányagyból azon a helyen
készült, amit az A ábrán a második hosszú nyíl mutat. A C alsó ábra a
hippocampus nagyított sémáján a sejtképző réteg elhelyezkedését mutatja a gyrus
dentatusban.
6. ábra * A különböző őssejtek (embrionális őssejt: EŐS; vérképző őssejt: VŐS;
idegi őssejt: IŐS) "rokonsági fokát" annak alapján hasonlították össze, hogy
mennyire azonos gének működnek bennük. Az éppen aktív gének készletét úgy lehet
megállapítani, ha megmutatjuk, hogy milyen hírvivő RNS-molekulák vannak a
sejtben. Több tízezer hírvivő RNS vizsgálata azt mutatta, hogy viszonylag kevés
közös gén működik mindhárom őssejtben (legsötétebb átfedés). A legtöbb közös
működő gént az EŐS és IŐS összehasonlításánál találták.
7. ábra * Az idegi őssejtek sejtképző folyamatának két lehetséges vázlata
(részletes leírás a szövegben). Jelmagyarázat: TS: "totipotens" minden sejt
képzésére alkalmas őssejt. IŐS: idegi őssejt. Az eltérő indexek megváltozott
sajátságú IŐS-eket jelölnek. S: sokszorozó sejt, amely csak néhány vagy
egyetlen sejttípus létrehozására alkalmas. E: idegsejt-előalak. Az eltérő
indexek eltérő sajátságú előalakokat jelölnek. IS: idegsejtek
Irodalom
Björklund, Anders - Lindvall, Olle (2000): Cell Replacement Therapies for Central Nervous System Disorders. Nature Neuroscience. 3, 537-544
García-Verdugo, José M. - Doetsch, F. - Wichterle, H. - Lim, D. A. - Alvarez-Buylla, A. (1998): Architecture and Cell Types of the Adult Subventricular Zone: In Search of the Stem Cells. Journal of Neurobiology. 36, 234-248
Goldman, Steven A. - Nottebohm, Fernando (1983): Neuronal Production, Migration, and Differentiation in a Vocal Control Nucleus of the Adult Female Canary Brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 80, 2390-2394
Gould, Elizabeth - Reeves, A. J. - Graziano, M. S. - Gross, C. G. (1999): Neurogenesis in the Neocortex of Adult Primates. Science. 286, 548-552
Kim, Jong-Hoon - Auerbach, J. M. - Rodríguez-Gómez, J. A. - Velasco, I. - Gavin, D. - Lumelsky, N. - Lee, S. H. - Nguyen, J. - Sánchez-Pernaute, R. - Bankiewicz, K. - McKay, R. (2002): Dopamine Neurons Derived from Embryonic Stem Cells Function in an Animal Model of Parkinson's Disease. Nature. 418, 50-56
Muňoz-Sanjuán, Ignacio - Brivanlou, Ali H. (2002) Neural Induction, The Default Model and Embryonic Stem Cells. Nature Reviews Neuroscience. 3, 271-280
Rakic, Pasko (1971) Guidance of Neurons Migrating to the Fetal Monkey Neocortex. Progress in Brain Research, 33, 471-478
Ramalho-Santos, Miguel - Yoon, S. - Matsuzaki, Y. - Mulligan, R. C. - Melton, D. A. (2002): "Stemness", Transcriptional Profiling of Embryonic and Adult Stem Cells. Science. 298, 597-600
Reynolds, Brent A. - Weiss, Samuel (1992): Generation of Neurons and Astrocytes from Isolated Cells of the Adult Mammalian Central Nervous System. Science. 255, 1707-1710
Shin, Jennifer J. - Fricker-Gates, R. A. - Perez, F. A. - Leavitt, B. R. - Zurakowski, D. - Macklis, J. D. 2000. Transplanted Neuroblasts Differentiate Appropriately into Projection Neurons with Correct Neurotransmitter and Receptor Phenotype in Neocortex Undergoing Targeted Projection Neuron Degeneration. Journal of Neuroscience, 20, 7404-7416
Svendsen, Clive N. - Caldwell, Maeve A. - Ostenfeld, Thor (1999). Human Neural Stem Cells: Isolation, Expansion and Transplantation. Brain Pathology. 9, 499-513
Wichterle, Hynek - Lieberam, I. - Porter, JA. - Jessell, T. M. 2002. Directed Differentiation of Embryonic Stem Cells into Motor Neurons. Cell. 110, 385-397