V části přednášky jsou použity publikované výsledky práce jiných vědeckých pracovníků. Citace práce je uvedena v jeho pravém dolním rohu

Plasticita CNS CNS,, degenerace a regenerace g RNDr. Věra Valoušková, CSc. 2. LF UK, Praha

V části ppřednášky y jsou j použity p y publikované p výsledky ý y práce p jiných j ý vědeckých ý ppracovníků. Citace práce je uvedena v jeho pravém dolním rohu. Celé primární články je možno vyhledat na WEB of Science (bezplatný přístup ze sítě fakulty)

Všeobecně ppřijímané j postuláty p y -

CNS je rigidní systém bez schopnosti jakýchkoliv změn

- Počet neuronů v CNS se s věkem snižuje , nevznikají nové buňky -

Ztráta paměti je přirozeným projevem stáří

-

Životaschopnost mozkové tkáně velmi nízká ( vysoká energetická spotřeba, malé zásoby – 5 min)

-

Zralý CNS není schopen regenerace, veškerá poškození jsou nevratná SKUTEČNĚ???

Pokud ne – PROČ??

Všeobecně ppřijímané j postuláty p y - CNS je rigidní systém bez schopnosti jakýchkoliv změn -

Počet neuronů v CNS se s věkem snižuje, nevznikají nové buňkyy

-


-

Životaschopnost mozkové tkáně velmi nízká ( vysoká energetická spotřeba, spotřeba malé zásoby – 5 min)

-

Zralýý CNS není schopen p regenerace, g , veškerá ppoškození jsou j nevratná

Plasticita CNS (přizpůsobivost) ( ři ů bi t) = schopnost h t přizpůsobit se nejrůznějším změnám vnitřního i vnějšího prostředí - přežití Funkční úroveň Buněčná a molekulární úroveň S té Systémová á úroveň ú ň Nejvyšší v rané fázi postnatálniho života, podnětné prostředí (deprivace –> sociální debilita) V dospělosti klesá – ovlivněna pohybovou aktivitou

Plasticita CNS

Funkční úroveň

Orientační reakce Adaptace, desenzitace, akomodace, LTD Habituace (přivykání – negativní učení) Senzitizace, PTP: STP, LTP Učení - ukládání informace Paměť –uchovávání informace

Orientační Orienta ční reakce

Schopnost detekovat nové děje a správně na ně reagovat je základní podmínkou přežití v měnícím se prostředí

l lateral l prefrontal f l c-x – feature f novelty l – visual i l stimulus i l (monkey) ( k ) M. Matsumoto et al., Neurosci Res 57 (2007) 268–276

Adaptace Adaptace ((sensor (sensorický ickýý syst systé y ém)) = snížení citlivosti receptorů za přítomnosti nepřetržitého neměnícího se stimulu Důležitý ý zprostředkovatel p - intracelulární intracelulární Ca+2: aktivuje guanylát cyklásu c-GMP ( retina ) modululuje Cl- kanály (čichový epitel) Repozice iontových kanálů v ciliích aktivuje aktin, myosin (sluch)

- akomoda omodace ce – buněčná úroveň – schopnost M-ny neodpovídat d íd t na dráždění d áždě í s pomalu l se zvyšující š jí í intensitou - senzitizace – zesílení odpovědi na biologicky významný podnět (bolest)

Habituace Habitua ce - p přivykání y

= negativní negativní učení – snížení odpovědi na opakující se biologicky nevýznamný podnět

EX – extra-stimul t ti l o nižší intenzitě „orientační reakce“

LP

T Tectum opticum i

0

čas (ms)

Neuronální odpovědˇ odpověd na opakující se světelné dráždění (světelné zánlesky)

každý řádek = odpověd 1 neuronu na 1 světelný stimul, každá tečka = vznik AP), intracelulární registrace

P tt t i ká poten Posttetanická Posttetanic potenci t cia iace - PTP –zvýšená ý odpověď p na dráždění o stejné j intenzitě (synchronizovaná odpověď pyramidových neuronů , vysokofrekvenční dráždění) Tetanizace 100 Hz, H 5 s, 20 V

20 V

KMP

2 min i

6 min i

Postsynaptický mechanismus Tetanizace

NMDA receptory

AMPA receptory

NMDA receptory

AMPA receptory

Opakovaná aktivace AMPA receptorů – silná depolarizace postsynaptic M M-ny ny – +2 +2 odstraněn Mg z NMDA receptorů – influx Ca

Aktivace NMDA receptorů (depolarizace M-ny) vede ke vstupu Ca2+ do dendritického trnu, aktivuje se Ca-kalmodulin sensitivní kináza II (CaMK II), která se autofosforyluje a zůstává v činnosti i po odeznění vstupu Ca2+ Dva mechanismy zvyšující výkon synapse: 1) fosforylují se „silent“ – „němé“ AMPA receptory v membráně 2) CaMK II pomáhá zabudovat reservní AMPA receptory z cytosolu.

PTP-- velikost ppostsy PTP postsynaptické naptick p ého potenciáálu potenci

Ca - kalmodulin – senzitivní kináza zůstává fosforylována (aktivována) i po odeznění d ě í signálu; i ál opakovaná k á ffrakvenční k č í stimulace ti l - syntéza té dalších d lší h AMPA receptorů a jiných molekul => trvalé morfologické změny => zesílení dendritických trnů, zvýšení jejich počtu … => „….opakování matka moudrosti…“

Postupné zvyšování postsynaptické účinnosti glutamátu (LTP) Dlouhodobá potenciace (LTP) v hippokampu anestetizovaného králíka.

(B) V časech označených šipkou byly aplikovány krátké série pulsů (15 za sekundu po dobu 10 s). Každá série impulsů vyvolala vzrůst amplitudy synaptické odpovědi (vzrůst amplitudy postsynaptických proudů, EPSP, červená kolečka), trvající až hodiny. U buňky nestimulované sériemi pulsů se velikosti amplitud postysynaptic-kých proudů neměnily y ((modrá kolečka). )

Amplituda EP PSP (%)

(A) Odpověď na stimuly zaznamenaná z pyramidální buňky CA1 oblasti hippokampu.

Čas (h)

Hipookampové dráhy (place cells) Hip id place l cells ll “Sensory-side” “Place-by-direction” cells “Motor-side” place cells

Theta rhythm

x

Theta rhythm

Theta cells

Place cells-interneurony (zaznamenávají směr hlavy)

“Place cell” (bu (buň ňky místa) activitaa v hipo activit hipokkampu je bun buněč ěčné né vyjádř vyjádření prostorové orientace umístění ostrůvku v bazénu

Aktivita 8 neuronů ve vztahu k místu v bazénu při plavání

8 CA1 place cells: neuronální „mapa“ „ p

Plasticita CNS

Systémová y úroveň •aferentní - ztráta čidla (oko), část končetiny (prsty) ⇒ rozšíření korového představenstva ostatních čidel čidel, částí těla •eferentní – poškození části CNS (sensorická, somatosensorická, motorická kůra) ⇒ funkci částečně přebírá okolní kůra případně kontralaterální hemisféra

Plasticita CNS

Buněčná B ěč á a molekulární l k lá í úroveň ú ň Strukturální změny při příjmu a zpracování signálů krátkodobé (změna polohy a citlivosti receptorů v postsynaptické membráně; senzitace a inhibice kanálů – dočasné konformační a k fi konfigurační č í změny) ě ) dlouhodobé (proteosyntéza, proteolýza, enzymy = > strukturální změny - např. ztluštění dendritických trnů - nové receptory

Synaptogenese y p g Neurogenese g Gliogenese g

Signálová nedostatečnost ((deprivace) p ) – zraková kůra -Apikální dendrity – snížení počtu dendritických trnů - zraková k á deprivace, d i poškození šk í oka k (myší novorozenec)

Valverde in Maršala J., 1983, Tkanivá a orgány človeka



-

P č t neuronůů v CNS se s věkem Počet ěk snižuje, iž j nevznikají nové buňky

-


-

Životaschopnost mozkové tkáně velmi nízká ( vysoká energetická g spotřeba, p , malé zásobyy – 5 min))

-

Zralý CNS není schopen regenerace, veškerá poškození jsou nevratná

Germinální zóny ón Subependymová zóna laterál. laterál mozkových komor

Subgranulární vrstva gyrus dentatus Čichovéé bbulby Čicho lb Okolí míšního kanálu

Proliferující Proliferu jjící buňkyy

(BrdU)

Z těchto buněk mohou vznikat jak nové glie, tak neurony

Newly born cells are found in many brain regions, including SGZ of dentate gyrus (a), habenula (b), caudal SEZ (c), corpus callosum (d), and overlying neocortex ((e). ) irregularly g y shaped, p appear pp in clusters. clusters Proliferating g cells in SGZ (a) and in rostral SEZ (rostral to panel (c)) have the potential to become neurons. neurons Clinical Neuroscience Research 2 (2002) 93–108 To be or not to be: adult neurogenesis and psychiatry Amelia J. Eisch*, Eric J. Nestler

Multipotent human stem cells Multipotentní buňky mohou pod vlivem různého složení kultivačního roztoku diferencovat v různé typy buněk - neurony, astrocyty, oligodendrocyty

bFGF and NT3 (5d) => vysoké procento b-III tubulin+ buněk ((A)) => p protilátka A2B5+ => neurony y ((D)) + fetal calf serum( 5d) => GFAP => astrocyty (E) bFGF (2 days) + PDGF and T3 (10 days) => protilátky k O4 and GalC => oligodendrocyty (B,C)

Buňkyy byly y y kultivovány y v mediu obsahujícím j bFGF ((A,, D,, E)) nebo PDGF 1 thyroid y hormone ((B,, C)) p po dobu 5 a 7–10 dnů,, a barveny specifickými buněčnými protilátkami: (A) anti-b-IIItubulin (B) A2B5 (B) O4 (C) anti-GalC and (E) anti-GFAP M. Mayer-Proschel et al. / Clinical Neuroscience Research 2 (2002) 58–69

Cytogeneze a neurogenez neurogenezee ve zralém CNS (GD hihipokampu) k ) Cytogeneze y g (proliferace) (p ) – buněčné klastryy migrace – neurogenese (diferenciace)

Faktory zvyšující neurogenez neurogenezi Neurotransmitery (serotonin) Stimulující prostředí Pohybová aktivita – cvičení (FGF, BDNF) Učení (hipokampus) Estrogen (estradiol) Růstové a trofické faktory Antidepressanty Lithium

Faktory snižující neurogenez neurogenezi Stres (BDNF) Glukokortikoidyy Věk (pohybová aktivita) Opiáty Excitační AK Clinical Neuroscience Research 2 (2002) 93–108 To be or not to be: adult neurogenesis and psychiatry Amelia J. Eisch*, Eric J. Nestler

R.S. Duman et al. 2001 NEUROPSYCHOPHARMACOLOGY,,VOL 25, NO 6

Neuroprotektivní p vliv estradiolu Steroidní hormony: -Modulace synaptogenese -Snížení Snížení apoptózy -Omezení zánětlivých reakcí -Zvýšení průtoku krve v mozku

estradiol

- riziko cerebrovaskulární příhody na 50% (mozková mrtvice) - rozsah poškození v CNS (ischemie, trauma) - syntézu proteinů podílejících se na buněčné smrti => inhibice buněčné smrti (transkripce anti apoptických genů, blok pro-apoptického receptoru p75) - přežití neuronů (různé neurotoxiny) - diferenciaci neuronových populací (pregenitory) - schopnost učení – závislost na cyklu - remyeliniyaci Komplex hormon-receptor se váže na ERE (estrogen responsive elements) na genovém é promotoru t citlivém itli é k estrogenu t

Intracelulární estrogenové receptory – Erα(reprodukce), ERβ = transkripční faktory neuroprotekce?

Amantea et al., 2005, Pharmac.Res. 52, p.122

FGF--2 FGF

FGF,, BDNF

neurony, glie, FGFr 1-3 – zralá tkáň - zvýšení proliferace a diferenciace buněk; facilitace LTP

Protektivní efekt FGF-2: Glutamátové N-ny=> suprese AMPA/kainátových receptorů GluR1, společně l č ě s GDNF (glial ( li l cell ll line li derived d i d NF) Cholinergní N-ny – nepřímo, přes glii (další faktor) Dopaminergní N-ny - ??

BDNF receptor ecep o trkB,, ssignální g á ddráhy á y (CREB) (C ) zvýšení PTP (synaptická plasticita), syntéza dendritických proteinů, učení Serotonin -5-HT1A 5 HT1A receptory Estrogen reguluje expresi BDNF a NGF, expresi jejich receptorů (trkA,trkB, p75) p - MAPK/ERK Genyy BDNF – sekvence ppodobné ERE – ppřímo,, nepřímo



- Počet oče neuronů eu o ů v CNS C S se s vě věkem e snižuje s uje , nevznikají ev j nové ové buňky

- Ztráta paměti je přirozeným projevem stáří -


-


Změnyy p paměťových ý schopností p p y pohybová aktivita => zvýšená ý koncentrace např. p bFGF, BDNF => více proliferujících buněk -korelace počtu proliferujících buněk s kognitivní pamětí) ěí Paměťové poškození: Dlouhodobý stres, epilepsie S íž í pohybové Snížení h b é aktivity kti it Choroby s mnohaletou genezí (Alzhaimerova choroba) Vaskulární nedostatečnost v CNS Snížení paměťových schopnosti není přirozeným projevem stáří Pravdivost přísloví“..ve zdravem těle zdravý duch..“



- Počet oče neuronů eu o ů v CNS C S se s vě věkem e snižuje s uje , nevznikají ev j nové ové buňky -


-


-


Přežívající j mozkové řezy y Mozková tkáň může za určitých podmínek přežívat i několik dnů

CA1, CA3: alveus, stratum oriens, s. pyramidale, s. radiatum, s. lacunosum Dentate gyrus: s. moleculare, s. .granulosum, s. polymorphe (CA4) Valoušková V. Čs. fyziol. 34, s. 117-134, 1985



- Počet oče neuronů eu o ů v CNS C S se s vě věkem e snižuje s uje , nevznikají ev j nové ové buňky -


-


-


Kuriózní poškození CNS Poškození funkce záleží na funkčním významu ppoškozené oblasti a rozsahu ppoškození Phineas Gage, r. 1848 - při odstřelu skály vybuchla nálož a tři centimetry silná pěchovací tyč o délce 1,5 m zespoda vnikla do Gageovy levé tváře, probodla mozek a vyšla ven v temenní oblasti. Po chvíli vstal a v doprovodu došel k lékaři, rozmlouvaje o své díře v hlavě.

Kuriózní poškození CNS Phineas Gage

Po vyléčeni nevelké infekce opustil nemocnici a žil ještě 12 let. Pitva ukázala zničený levý čelní lalok a poškozený pravý. Intelektuální následky : bez větší ztráy paměti, paměti nepatrné snížení rozumových schopností. Změnilo se chování, mentali mentalita ta - po zranění začal být hrubým a arogantním, arogantním neprojevoval zájem o práci. práci

Vysoká plasticita CNS - základem je

neurogeneze a synaptogenese Vzniká až několik tisíc nových buněk denně ⇒ neustálá remodelace neuronových sítí Učení - hipokampus – GD – subgranulární vrstva Funkční substituce při deprivaci např. sensorického vstupu

Spontánní regenerace v CNS - neurogeneze ⇒“sprouting“ ⇒ neurogenese ⇒ indukce i d k růstovými ůt ý i faktory, které ve zvýšené míře produkuje aktivovaná astroglie(BDNF, GrowthInsulin-like Factor, GIF1, FGF)

Nové granulární neurony s dendrityy v ppotkaním gg. dentatus hipokampu (Ribak et al. 2004)

K Kolaterální l t ál í větvení ět í axon axonu u (c (collateral ollateral sprouting) - synaptogenese y p g

Poškozený axon oddělený od cílové buňky

Kompenzační větvení z nepoškozné p buňky y

?? Regenerace přerušeného axonu ??

Glenn Yiu and Zhigang He, NEUROSCIENCE v. 7, 2006 | 617-627)

Poškození P šk í NS akutní (trauma, (tra ma krvácení, kr ácení ischemie..) ischemie ) chronické (neurodegenerativní onemocnění)

primární sekundární

Rozzsah a mí Ro místo poškození = => > narušení funkce reversibilní ireversibilní

primární sekundární

Sekundární degenerace degenera g ce v CNS primární léze

7th day

sekundární léze

kontralatrální hemisféra

1st day 3rd day 3rd day

Ag modification for neurons in degeneration 24 h

day 3

Wallerianova degenerace (PNS) 1 1. 2 2.

Fáze - období zpoždění - prodlužuje se s délkou distálního pahýlu (vzdálenosti poškození od těla N-nu) –potkan 36h, člověk – několik dnů) C +2 vstupuje Ca j intaktní i k í axolemou l do d axonu => aktivace ki Ca-závislé C á i lé proteázy (kalpain) => proteolýza axonového cytoskeletu

Léze není regenerace – inhibiční prostředí glie BakerRA, Barasi S., Neuroscience at Glance, Blackwell Pub.,2003

P. Glynn , Progress in Neurobiology 61 (2000) 61-74

Regenerace g perifern periferního p ího nervu

BakerRA, Barasi S., Neuroscience at Glance, Blackwell Pub.,2003

Změnyy ppo ppoškození centrálních axonů Čá t č á demyelinizace Částečná d li i

Aberantní sprouting p g

Degenerace části axonu axonu, tvorba gliové jizvy

Buněčná smrt

=> Co vyžaduje funk funkční ční regenerace: regenerace:

Neurony Správné spojení (gliová jizva, aberantní synapse myelinizace)

Jaké jsou možnosti nápravy? Remyelinizace Neurotrophic factor delivery Cellular replacement Modulation of immune response Růst axonu Neurotrophic factor delivery Removal of ggrowth inhibition Axon guidance Manipulation of intracellular signalling Bridging (glial scar, cavity) Modulation of immune response

Tvorba nových synapsí na „správném místě“ Neurotrophic factor delivery Removal of growth inhibition Axon guidance Manipulation of intracellular signalling Náhrada ztracených buněk Neurotrophic factor delivery Manipulation of intracellular signalling C ll l replacement Cellular l

Homer PJ, Gage FH NATURE, 407, 963-970, 2000

Proč myelinizované axony CNS neregenerují neuronů neregenerují?? g j ??

Schematické znázornění místa poškození CNS (mícha cha)) oligodendrocyty astrocyty

myelin intaktní axon

1.

2.

cysta

3.

4. poškozené oligodendrocyty

kousky myelinu

dystrofické růstové konusy

degenerující axon

.Distální konce axonů formují d t fi ké růstové dystrofické ů t é kónusy kó vystavené „nepřátelskému“ prostředí (glie) g y y produkují p j myelin y Oligodendrocyty obsahující inhibitory růstu axonového konu (intaktní oligodendrocyty, myelinové zbytky) b tk ) Aktivace astrocytů – gliová jizva– proces doprovázen zvýšeným uvolňováním chondroitin sulfátových proteoglykanů – další omezení regenerace Po odstranění zbytků vzniká kavita naplněná l ě á CSF – nejsou j „vodící“ dí í“ molekuly (fibrin…)

reaktivní astrocyty a gliová jizva

Glenn Yiu and Zhigang He, NEUROSCIENCE v. 7 , 2006 | 617-627

Reactivní e c v astrocyty s ocy y ((Kapal’s p method))

int

les Reakce astrocytů na poškození CNS

Poškození míchy y human

rat

1) Magnetická resonance – fragmenty kostí – kontuze míchy => tvorba myelinové jizvy (mechanická bariéra) bariéra), tekutinou vyplněná cysta 2) Cysty a gliové jizvy - příznačné pro poškozenou oblast CNS. K tik i ál í trakt Kortikospinální t kt (černý) (č ý) spojující j jí í cortex t s míchou í h je j zcela l přerušen lézí => přerušení přívodu vzruchů z kortexu do nižších Schwab M.E. at al. segmentů míchy Science, 295, 1029-1031, 2002

Centrální glie produkuje inhibiční molekuly a vytváří prostředí bránící regeneraci centrálních axonů

Existují možnosti jak zlepšit (obnovit) poškozené funkce CNS? p periferní nervyy centrální myelinizované axony (mícha) šedá mozková tkáň (těla neuronů)

Možnosti obnovení funkcí centrálního parenchymu, p y , míchy, y, hlavových ý nervů ((např. p zrakovýý n.)) Směr preventivní -omezení rozvoje patologického ložiska (sekundární d degenerace), ) O Omezeníí ažž zastavení t í pomalých lý h neurodegenerativních změn (Alzheimerova choroba), tj. zachovat co nejvíce funkčního parenchymu (f (farmakoterapie, k t i fyzikální f ikál í faktory) f kt )

Směr regeneračně rekonstrukční

vytvoření náhradní neuronové sítě

dlouhé axony transplantace periferního nervu -„přemostění“ poškozené části regenerujícími axony, -reinervace (odstranění inhibičních vlivů) parenchym transplantace: embryonální nervové tkáně, b ěč ý h prekursorů, buněčných k ů kmenových k ý h buněk, b ěk geneticky modifikovaných buněk

podpora p p spontánních p regenerativních g mechanismů

Poškození CNS (traumatické, experimentální modely)

-ovlivnění trofickými, růstovými a ??? faktory - obnovení b í „růstové“ ů t é“ vývojové ý j é fáze fá - ovlivnění intracelulárních signálních drah

St t i Strategie obnovyy ppoškozené míchyy

Schwab M.E. at al. Science, 295, 1029-1031, 2002

„„Přemostění“ ppoškozeného místa n. ischiadicus

colliculus superior n. opticus (bilateral transection)

V nervu registrace el. el odpovědí na optické dráždění, dráždění synaptické spoje v CNS, CNS vypracování podmíněných reakcí na světlo Kittlerová P., Valoušková V., 2001

Nervus opticus n. ischiadicus

colliculus superior

CNS transplantace

substantia nigra-striatum dopaminergní inervace (Parkinsonova choroba)

TRANSPLANTACE KOUSKŮ EBBRYONÁLNÍ TKÁNĚ (BUNĚČNÉ SUSPENSE) PREKULTIVOVANÝCH BUNĚČNÝCH PREKURSORŮ (N (N--n, astroglie…..) GENETICKY MODIFIKOVANÝCH BUNĚK PERIFERNÍCH NERVŮ

TR0 – 14 –dnů, dnů přežití 6 months

Angiogenese, Bodian, tu tušš Napojení krevního řečiště

Svazky vláken procházejících přes hranici hostitel-donor

TR - Golgi Transplantovaná embryonální tkáň (CNS) je schopna růst a vytvářet funkční spoje s tkání příjemce

TR host

Golgi silver impregnation

Plocha kontralaterální cavity

Fetální transplantát - produkce trofinů, růstových faktorů – posílení spontálních regenerativních mechanizmů (neurogeneze) – zmenšení rozsahu h primární i á í léze, lé zamezeníí rozvoje j sekundárních k dá í h degenerativních d ti í h změn. Valoušková V. and Gálik J. Neurosci. Lett., 186, 103-106, 1995

Možná rizika CNS transplantace - nekontrolovaný růst vložené tkáně (v parenchymu nebylo prokázáno), ALE pozor na komory - imunologické reakce - degradace vnesené tkáně se projevuje velmi pomalu i u xenotransplantací (potkan-primát - 6 měsíců) - vytvoření y nesprávných p ý spojů p j (informační ( šum)) - v centrálním parnchymu, u experimentálních včasných transplantací byly vytvářeny spoje se „správnými“ strukturami a neurony… ???chronická poškození, poškození mícha ??? - časová osa „akutní poškození - transplantace“ velmi důležitá, důležitá pozdní fáze aktivace „úklidových úklidových“ mechanismů (cca 7-10 dnů) může neúspěšná transplantace (degradující transplantát) prohloubit tyto procesy (větší poškození hostitelského parenchymu) => časná č á transplantace l (prevence ( sekundárních k dá í h změn, ě rekonstrukce), k k ) oddálená transplantace - chronické poškození (rekonstrukce složitější, gliová jizva…)



-

Počet neuronů v CNS se s věkem snižuje, nevznikají nové buňkyy

-


-

Životaschopnost mozkové tkáně velmi nízká ( vysoká energetická spotřeba, spotřeba malé zásoby – 5 min)

-

Zralýý CNS není schopen p regenerace, g , veškerá ppoškození jsou nevratná ALE NÉÉÉ ÉÉÉ !!

Faktory k ovlivňující li jí í funkční f k í stav pacienta i po poškození CNS

Preiss a kol., Neuropsychologie v neurologii, Avicenum,2006

V části přednášky jsou použity publikované výsledky práce jiných vědeckých pracovníků. Citace práce je uvedena v jeho pravém dolním rohu

Recommend Documents