Celele cromafine formează probabil cel mai interesant sistem celular din corpul uman. Ele sunt strâns înrudite cu neuronii simpatici și sunt una dintre cele mai intens studiate dintre derivatele crestei neuronale. Fiind un hibrid evolutiv atât al sistemului endocrin, cât și al sistemului nervos, ele au servit drept model pentru a explora mecanismele de bază ale neurofiziologiei, secreției reglementate și farmacologiei. Astfel, celulele cromafine suprarenale pot fi considerate ca fiind creierul periferic, deoarece împărtășesc cu neuronii unele mecanisme fundamentale: (1) primesc intrări de natură electrică și chimică; (2) sunt capabile să decodifice și să recunoască aceste semnale; (3) posedă mașinăria pentru a genera și a elabora un model elaborat de răspunsuri, cum ar fi eliberarea de catecolamine și alți mesageri. În concluzie, celulele cromafine, la fel ca un neuron, pot fi privite ca o celulă secretorie care își eliberează secreția la o distanță mare de corpul celular unde sunt sintetizate macromoleculele, asigură o comunicare rapidă între părți ale corpului foarte separate. În plus, măduva suprarenală cu celulele sale cromafine servește prin eliberarea de catecolamine pentru comunicarea cu toate organele cele mai importante, cum ar fi inima, aparatul vascular, plămânii, rinichii și, de asemenea, creierul.
Mai important, celulele cromafine situate în centrul unui organ periferic ușor accesibil au servit timp de mulți ani ca o fereastră către funcțiile creierului. Celulele cromafine au servit drept model pentru a identifica conceptul de bază al transmisiei neurochimice. Primele organite secretorii au fost izolate din celulele cromafine, iar veziculele cromafine au servit drept model de vezicule care conțin neurotransmițători. Multe dintre principalele proteine asociate veziculelor implicate în procesul de exocitoză au fost caracterizate în veziculele cromafine.1, 2, 3, 4, 5
Părtășind aceeași origine ectodermică (creastă neurală), celulele cromafine fac parte din așa-numitul triunghi al lui Erspamer (piele, intestin și creier), care posedă aceiași neurotransmițători, neuropeptide, mecanisme de transducție.6 O mare parte din înțelegerea actuală a fiziologiei și fiziopatologiei sistemelor de neuropeptide și neurotransmițători monoamină se datorează studiilor care utilizează sisteme model de celule cromafine. Linia celulară de feocromocitom de șobolan (PC12), dezvoltată de Greene și Tischler7 cu peste 35 de ani în urmă, rămâne una dintre cele mai bine studiate și, până în prezent, continuă să ofere un model puternic pentru înțelegerea sistemelor neuronale. Această linie celulară și alte sisteme de modele cromafine au fost deosebit de utile pentru studiile privind mecanismele exocitotice, inclusiv funcționarea canalelor ionice, dinamica veziculară și cuplarea stimul-secreție. Progresele metodologice asociate în electrofiziologie, de la dezvoltarea patch clamp-ului la tehnici mai sofisticate care combină metodele electrofiziologice și electrochimice (de exemplu, amperometria patch) au fost în mare măsură facilitate de disponibilitatea unor astfel de sisteme model.
În glanda suprarenală de pisică perfuzată in situ s-a demonstrat în mod clar, prin utilizarea diferiților stimuli receptori (acetilcolină, nicotină, dimetilfenilpiperazimiu și așa mai departe), că celulele cromafine posedă doi granule neurosecretoare distincte (cele noradrenergice și cele adrenergice), excluzând astfel ideea că cele noradrenergice ar fi fost celulele precursoare în care feniletanolamina-N-metiltransferaza funcționează pentru a le transforma în celule cromafine adrenergice. În plus, tot la nivel cerebral, D-amfetamina crește în mod deosebit eliberarea de noradrenalină.8, 9
Pe lângă îmbunătățirea înțelegerii proceselor de dezvoltare neuronală, sistemele de celule cromafine au fost extrem de importante pentru studiile privind procesele neurodegenerative, tumorigeneza și dezvoltarea de medicamente.
În plus, datorită relației strânse a celulelor cromafine cu neuronii catecolaminergici, acestea au fost folosite chiar și pentru tratamentul tulburărilor neurodegenerative ale creierului, cum ar fi boala Parkinson.10 Între 1988 și 2001, >300 de pacienți parkinsonieni au fost tratați prin transplant autolog de suprarenale, cu o oarecare ameliorare a simptomelor clinice. Cu toate acestea, ratele de supraviețuire a celulelor cromafine adulte grefate au fost doar pe termen scurt, iar îmbunătățirile clinice au dispărut la 1-2 ani după transplant.11, 12 O limitare serioasă în aplicarea medularei suprarenale adulte a fost probabil natura post-mitotică a majorității celulelor transplantate.
În același timp, endocrinologii au explorat rolul mai multor hormoni de eliberare centrală și neuropeptide în cadrul sistemelor de celule cromafine.13 În mod interesant, măduva suprarenală de la periferie exprimă un set similar de neuropeptide care apar în creier și care sunt implicate în reglarea stresului, homeostazia energetică, anxietatea și durerea.14, 15 Conceptul de producție ectopică de hormoni a fost, printre altele, descris și rafinat în aceste celule. Acesta include expresia hormonului de eliberare a corticotropinei, a adrenocorticotropinei, a pro-opiomelanocortinei și a altor neuropeptide în măduva suprarenale. Interconectarea intensă a celulelor endocrine, căile paracrine și neurocrine de comunicare endocrină, s-au stabilit în special în glanda suprarenală.16 Aici, din nou, micro-mediul complex, dar accesibil al suprarenalei imită micro-mediul creierului în ceea ce privește interconectarea structurilor neuronale cu diferite tipuri de celule endocrine.17 În plus, acțiunea steroizilor și a neurosteroizilor care apar în creier a fost studiată pe scară largă în sistemele de celule cromafine.18, 19 Interacțiunea strictă dintre partea corticală și cea medulară a glandei suprarenale a fost demonstrată de mult timp. De fapt, inhibarea biosintezei glucocorticoizilor suprarenale de către inhibitorul specific aminoglutetimidă a determinat atât la pisici, cât și la șobolani, o scădere semnificativă a catecolaminelor la nivel medular, fără modificări între cele două tipuri de celule cromafine. Prin urmare, glucocorticoizii exercită un rol permisiv asupra sistemului cromafinic printr-un dublu mecanism, unul direct la nivelul celulelor cromafine și unul indirect prin inhibarea eliberării de CRH la nivel hipotalamic.20, 21
În timp ce sistemul periferic de oxid nitric periferic are loc în cortexul suprarenal, celulele cromafine exprimă sistemul de oxid nitric din creier. Astfel, mecanismele de bază ale reglării nitric-oxidului de azot, atât pentru neuroni, cât și pentru celulele endocrine, au fost identificate în celulele cromafine.22 În mod similar, hipofiza și măduva suprarenale conțin cea mai mare cantitate de vitamina C din corpul uman, iar mecanismele de preluare a rolului vitaminei C și de reglare a neurotransmițătorilor au fost identificate în celulele cromafine.23
Rolul larg al factorului de creștere nervoasă (NGF) în organismul viu a fost descoperit pentru prima dată în măduva suprarenală.24 Într-adevăr, Unsicker și colab.25 la acea vreme la Universitatea Johns Hopkins au constatat că celulele cromafine imature obținute din măduva suprarenale cultivate în prezența NGF dobândesc proprietățile biochimice și morfologice ale neuronilor simpatici.
În plus, experimentele efectuate în laboratorul de biologie celulară al CNR (Consiliul Italian pentru Cercetare) din Roma de Aloe și Levi-Montalcini26 au demonstrat in vivo că aplicarea de NGF la fătul de șobolan și continuată timp de 3 săptămâni după naștere a indus diferențierea celulelor cromafine în neuroni simpatici în cadrul glandei suprarenale. Acest lucru a stabilit în mod clar că NGF are un rol mult mai larg în organismele vii decât se presupunea până acum.
Medicula centrală și-a mărit în mod semnificativ volumul ca urmare a diferențierii celulelor suprarenale în neuroni simpatici, care germinează un număr mare de fibre cu ramificații largi.
Datorită rolului remarcabil pe care sistemul de celule cromafine l-a avut în trecut, ar fi o greșeală să nu folosim acest sistem pentru problemele actuale ale cercetării creierului.
Am intrat într-o nouă eră a medicinei regenerative și pentru bolile neurodegenerative ale creierului. Celulele cromafine ar putea din nou să preia conducerea pentru a explora unele dintre mecanismele de regenerare care se referă în mod similar la afecțiunile mai complexe ale sistemului nervos central (SNC). Liniile de celule cromafine sunt utilizate în prezent pentru a explora rolul NGF în boala Alzheimer. Într-adevăr, proteinele din granulele cromafine promovează supraviețuirea neuronilor27 , ceea ce se poate datora unui număr de factori neurotrofină cunoscuți sau încă necunoscuți. Astfel, privarea de NGF din celulele PC12 diferențiate a provocat o supraproducție de peptide amiloid-β, care sunt cele mai toxice fragmente proteice direct implicate în dezvoltarea bolii Alzheimer, concomitent cu moartea celulară prin apoptoză.28 Legătura strânsă dintre privarea de NGF și activarea căii amiloidogene a fost extinsă la neuronii hipocampali.29 Aceste studii au dezvăluit o nouă proprietate a TrkA, receptorul NGF de mare afinitate. Atunci când este privat de NGF, TrakA trece de la un sistem de semnalizare celulară pro-supraviețuire la unul proapoptotic. Este rezonabil să presupunem că o astfel de proprietate este, de asemenea, operațională în neuronii cromafini purtători ai receptorului NGF și subînțelege noi căi pentru mecanismele de semnalizare celulară în aceste celule.29
NGF promovează, de asemenea, supraviețuirea celulară în timpul stresului reticulului endoplasmatic în celulele PC12.30 Mai mult, celulele PC12 sunt acum utilizate pe scară largă pentru a studia efectul și căile de semnalizare a numeroase alte peptide neurotrofice și neuroprotectoare în regenerarea creierului. Printre acestea se numără polipeptidul de activare a adenilatciclazei hipofizare31, 32 , proteina morfogenetică osoasă 733 și factorul neurotrofic al dopaminei cerebrale34 , care poate reface neuronii dopaminergici în bolile degenerative ale creierului, cum ar fi boala Parkinson. Variațiile de secvență în gena BDNF au fost asociate cu depresia majoră și cu succesul tratamentului cu antidepresive35 , iar rolul BDNF în medierea rolului neuroprotector al antidepresivelor a fost explorat recent în liniile de celule cromafine.36
În plus, tot mai multe dovezi sugerează existența unor celule progenitoare multipotente derivate din creasta neurală în măduva suprarenală adultă.37 Identificarea și izolarea recentă a acestora38 suscită noi speranțe în ceea ce privește utilizarea lor potențială în tratamentul regenerativ al bolilor neurodegenerative, cum ar fi boala Parkinson.39, 40, 41 Celulele progenitoare cromafine au proprietăți semnificative în comun cu celulele stem neuronale. Similar cu neurosferele, atunci când sunt împiedicate să adere la vasul de cultură, celulele progenitoare cromafine cresc în sfere cu capacitate de auto-reînnoire, pe care le-am numit cromofere. Acestea exprimă markerii progenitorilor neuronali nestin, vimentin, musashi 1 și receptorul NGF, precum și Sox1 și Sox10,38 Mash137 și proteine ale căii Notch (Vukicevic și colaboratorii, în curs de revizuire). Mai mult, aceștia sunt capabili să se diferențieze în neuroni catecolaminergici maturi38 (Vukicevic și colegii, în curs de revizuire). Similar diferențierii celulelor stem neuronale, unde Notch este un regulator cheie al menținerii celulelor stem neuronale în sistemul nervos în curs de dezvoltare42, 43, trecerea la diferențierea neuronală a celulelor cromozeroide este însoțită de o reducere a markerilor progenitorilor neuronali, inclusiv Notch-2, Hes (hairy and enhancer of split) 1, Hes 5 și nestin (Vukicevic și colaboratorii, în curs de revizuire).
În cele din urmă, nu trebuie uitat faptul că celulele enterochromafine derivă tot din creasta neurală și reprezintă locul în care Vittorio Erspamer a descoperit în anii 1930 enteramina,44 care mai târziu a fost găsită identică cu serotonina (5-HT)45 prezentă în SNC.46 În literatura de specialitate există un număr mare de lucrări care arată că alți neurotransmițători, neuropeptide și aceleași mecanisme de transducție prezente în creier există și în celulele cromafine gastrointestinale unde au roluri importante.47
Astfel, celulele cromafine și neuronii cerebrali și celulele lor precursoare împărtășesc căi de semnalizare similare și constituie din nou un model ideal pentru a identifica căile și țintele înnăscute pentru regenerarea creierului.
Eforturile recente de sondare a potențialului endogen de regenerare și reparare a SNC adult se confruntă cu mari dificultăți, care au la bază rigiditatea sistemului și accesul limitat la produse farmaceutice. Bariera hemato-encefalică limitează numărul de factori care pot fi testați pe cale sistemică și necesită alternative invazive, cum ar fi injecțiile directe în creier. Rigiditatea provine din plasticitatea subtilă manifestată, posibil ca mijloc de păstrare a homeostaziei și a memoriei. Glanda suprarenală, în contrast puternic, este un organ remarcabil de plastic, care reacționează în mod marcat la multe stresuri fizice și emoționale. Pentru omul de știință care cercetează schimbările de stare, glanda suprarenală este un instrument extraordinar. În cadrul acesteia, canarul din mina de cărbune este celula cromafină și celula sa precursoare. Insultele fizice și emoționale modifică funcția, proprietățile și numărul acestor celule într-un mod care este ușor de evaluat și manipulat. Relevanța pentru neuroștiință este directă: celulele precursoare cromafine au multe caracteristici comune cu frații lor de bună credință din SNC; ele pot fi cultivate în același mod (figura 1), exprimă mulți markeri comuni, inclusiv componente ale citoscheletului și factori de transcripție și, în mod critic, răspund în mod similar la multe tratamente. Ca sistem de cercetare pentru neuroștiințifici, glanda suprarenală este un model de creier, în afara barierei hematoencefalice, care prezintă reacții sporite. În cadrul acesteia, celulele precursoare cromafine reprezintă o fereastră accesibilă și măsurabilă pentru funcționarea celulelor stem neuronale din SNC. Într-un moment în care oamenii de știință se străduiesc să nu se limiteze la un singur organ, ci să caute indicii care să conducă la abordări terapeutice noi în cât mai multe locuri, sistemul de celule cromafine este un partener de cercetare remarcabil pentru omologul său mai ezoteric din SNC.
Celele precursoare cromafine adulte se comportă în mod similar cu celulele stem neuronale adulte. Cu mai bine de un secol în urmă, Kohn a demonstrat asemănările dintre celulele cromafine și neuroni.53, 54, 55 Ca urmare, celulele cromafine izolate și linia celulară PC12, derivată dintr-un feocromocitom din măduva suprarenală de șobolan, au fost stabilite ca modele de diferențiere neuronală. Progresele recente în biologia celulelor stem au generat metode de cultură care permit propagarea de celule precursoare primare din țesuturi necanceroase. Aceste tehnici au extins similitudinile dintre celulele cromafine adulte mature și neuronii adulți maturi la celulele lor precursoare de origine: în prezent, se înțelege din ce în ce mai bine că precursorii celulelor cromafine se comportă în mod similar cu celulele stem neuronale din SNC. (a) Celulele stem neuronale din creierul fetal și adult și precursorii cromafinei din măduva suprarenală bovină adultă pot fi cultivate fără ca celulele să se atașeze la substrat, dând naștere la structuri sferoidale (3-dimensionale). (b) La fel ca și omologii lor din SNC, celulele precursoare din măduva suprarenală bovină adultă pot fi, de asemenea, cultivate sub formă de monostraturi în absența serului, cu sprijin mitogenic din partea factorului de creștere a fibroblastelor de bază (bFGF). Retragerea bFGF din mediul de cultură induce diferențierea acestor celule în 2 zile. (Inset: culturi monostrat de celule stem neuronale în prezența bFGF pentru comparație morfologică).
Diapozitiv PowerPoint
În SNC, un rol al celulelor stem neuronale endogene (eNSCs) în generarea de noi neuroni este recunoscut doar în două zone, zona subventriculară și girusul dentat al hipocampusului. Cu toate acestea, au fost descoperite populații de eNSC în tot creierul și măduva spinării la rozătoare și primate adulte. O populație larg răspândită poate fi identificată cu ajutorul expresiei factorului de transcripție Hes3.48 Astfel de observații au scos la iveală alte roluri pentru eNSC decât înlocuirea celulară. Hes3 este reglementat de o ramură necanonică a căii Notch care implică activarea secvențială a receptorului Notch, fosforilarea moleculei de semnalizare a transductorului de semnal și activatorului de transcripție 3 pe reziduul său de serină și inducerea transcripției Hes3.49 Alți factori care reglează această cale în diferite puncte, inclusiv insulina,50 inhibitori ai kinazelor p38MAP și Janus, ligandul receptorului Tie2, angiopoietina 2 și toxina holerică51 , cresc, de asemenea, numărul de celule stem. Individual, unii dintre acești factori au efecte adverse asupra vasculaturii (unii sunt pro- și alții anti-angiogenici).52 Atunci când sunt combinați într-un amestec special care conține Delta4, angiopoietină 2, insulină și un inhibitor al kinazei Janus, se obțin creșteri maxime ale numărului de eNSC cu efecte secundare vasculare minime. La șobolanii supuși parkinsonismului experimental, o singură injecție a acestui amestec promovează salvarea pe termen lung a neuronilor dopaminei, care altfel ar fi murit, și recuperarea abilităților motorii. Aceste rezultate sugerează că eNSC-urile au un rol în protejarea neuronilor compromiși. Multe dintre aceste componente ale căii pot fi împărtășite cu sistemul de celule cromafine, iar lucrările au arătat deja o implicare generală a receptorului Notch și a mai multor factori de transcripție comuni (a se vedea mai sus). În plus, mediul puternic vascularizat al glandei suprarenale sugerează că citokinele angiogenice pot regla și celulele precursoare adrenomedulare. Deși implicarea celulelor precursoare cromafine în refacerea celulară în măduva suprarenalei este stabilită, datele din SNC sugerează că roluri suplimentare de reglementare și, eventual, pro-supraviețuire ale celulelor cromafine din măduva suprarenale așteaptă să fie descoperite.
În concluzie, lecțiile pe care le-am învățat din biologia celulelor cromafine ca model periferic pentru creier și boli ale creierului se referă mai mult ca niciodată la cercetarea de vârf în neurobiologie. Ar trebui să continuăm și să intensificăm utilizarea acestui model pentru a desluși mecanismele de regenerare atât în SNC, cât și în țesutul neuroendocrin. Acesta nu numai că va ajuta la explorarea mecanismelor de bază ale reînnoirii și regenerării celulare, dar va ajuta și la proiectarea de noi strategii pentru terapiile regenerative ale creierului în viitor.
.