Kromaffinceller: den perifera hjärnan

Kromaffinceller är kanske det mest intressanta cellsystemet i människokroppen. De är nära besläktade med sympatiska neuroner och är ett av de mest intensivt studerade av neuralkammarderivaten. Som en evolutionär hybrid av både det endokrina systemet och nervsystemet har de fungerat som en modell för att utforska de grundläggande mekanismerna för neurofysiologi, reglerad sekretion och farmakologi. De kromaffinceller som finns i binjurarna kan således betraktas som den perifera hjärnan eftersom de delar vissa grundläggande mekanismer med neuronerna: (1) De tar emot elektriska och kemiska signaler. (2) De kan avkoda och känna igen dessa signaler. (3) De har maskineriet för att generera och utarbeta svarsmönster som t.ex. frisättning av katekolaminer och andra budbärare. Sammanfattningsvis kan kromaffincellerna, liksom en neuron, ses som en sekretorisk cell som släpper ut sitt sekret på stort avstånd från cellkroppen där makromolekyler syntetiseras, vilket möjliggör snabb kommunikation mellan vitt skilda delar av kroppen. Dessutom tjänar binjuremärgen med sina kromaffinceller genom frisättning av katekolaminer till kommunikation med alla de viktigaste organen som hjärta, kärl, lungor, njurar och även hjärnan.

Mer viktigt är att kromaffincellerna, som är belägna i mitten av ett lättillgängligt perifert organ, i många år har fungerat som ett fönster till hjärnans funktioner. Kromaffincellerna har tjänat som modell för att identifiera det grundläggande konceptet för neurokemisk överföring. De första sekretoriska organellerna isolerades från kromaffinceller, och kromaffinvesiklar användes som modell för vesiklar som innehåller neurotransmittorer. Många av de viktigaste vesikelassocierade proteinerna som är involverade i exocytosprocessen karakteriserades i kromaffinvesiklar.1, 2, 3, 4, 5

Kromaffincellerna har samma ektodermiska ursprung (neuralkam) och är en del av den s.k. Erspamerska triangeln (hud, tarm och hjärna), som har samma neurotransmittorer, neuropeptider och transduktionsmekanismer.6 En stor del av dagens förståelse av fysiologin och patofysiologin hos neuropeptid- och monoaminneurotransmittorsystem beror på studier som utnyttjar kromaffincellmodeller. Cellinjen för feokromocytom (PC12) hos råtta, som utvecklades av Greene och Tischler7 för mer än 35 år sedan, är fortfarande en av de mest välstuderade och fortsätter än i dag att vara en kraftfull modell för att förstå neuronala system. Denna cellinje och andra kromaffinmodeller har varit särskilt användbara för studier av exocytotiska mekanismer, inklusive jonkanalernas funktion, vesikulär dynamik och stimulus-sekretionskoppling. Tillhörande metodologiska framsteg inom elektrofysiologin, från utvecklingen av patch clamp till mer sofistikerade tekniker som kombinerar elektrofysiologiska och elektrokemiska metoder (t.ex. patch amperometri), har till stor del underlättats av tillgången till sådana modellsystem.

I kattens binjure som perfunderats in situ har det med hjälp av olika receptoriska stimuli (acetylkolin, nikotin, dimetylfenylpiperazimium och så vidare) tydligt visats att kromaffincellerna har två distinkta neurosekretoriska granuler (noradrenerga och adrenerga granuler), Detta utesluter tanken att de noradrenerga cellerna är de föregångsceller i vilka fenyletanolamin-N-metyltransferas fungerar för att förvandla dem till adrenerga kromaffinceller. Dessutom ökar även på hjärnnivå D-amfetamin särskilt frisättningen av noradrenalin.8, 9

Förutom att förbättra förståelsen av neurala utvecklingsprocesser har kromaffincellsystem varit ytterst viktiga för studier av neurodegenerativa processer, tumörigenes och läkemedelsutveckling.

För övrigt har kromaffincellerna, på grund av sitt nära släktskap med katekolaminerga nervceller, till och med använts för att behandla neurodegenerativa hjärnsjukdomar, till exempel Parkinsons sjukdom.10 Mellan 1988 och 2001 behandlades >300 Parkinsonpatienter med autolog binjuretransplantation med viss förbättring av de kliniska symptomen. Överlevnaden av de transplanterade vuxna kromaffincellerna var dock endast kortvarig och de kliniska förbättringarna försvann 1-2 år efter transplantationen.11, 12 En allvarlig begränsning i tillämpningen av vuxen binjuremärg var troligen den postmitotiska karaktären hos de flesta av de transplanterade cellerna.

Tidigare har endokrinologer utforskat rollen för flera centrala frisättande hormoner och neuropeptider inom kromaffincellsystemen.13 Intressant nog uttrycker binjuremärgen i periferin en liknande uppsättning neuropeptider som förekommer i hjärnan och som är involverade i stressreglering, energihomeostas, ångest och smärta.14, 15 Begreppet ektopisk hormonproduktion har bland annat beskrivits och förfinats i dessa celler. Detta inkluderar uttryck av kortikotropinfrisättande hormon, adrenokortikotropin, pro-opiomelanocortin och andra neuropeptider i binjuremärgen. Det intensiva samspelet mellan endokrina celler, de parakrina och neurokrina vägarna för endokrin kommunikation, etablerades särskilt i binjuren.16 Även här efterliknar binjurens komplexa men lättillgängliga mikromiljö hjärnans mikromiljö när det gäller samspelet mellan neuronala strukturer och olika endokrina celltyper.17 Dessutom har verkan av steroider och neurosteroider som förekommer i hjärnan studerats i stor utsträckning i kromaffincellsystem.18, 19 Det strikta samspelet mellan den kortikala och den medullära delen av binjuren har påvisats sedan länge. Faktum är att inhiberingen av biosyntesen av binjure glukokortikoider med den specifika hämmaren aminoglutettimid fastställde både hos katter och råttor en signifikant minskning av katekolaminer på medullär nivå utan förändringar mellan de två typerna av kromaffinceller. Glukokortikoider utövar därför en tillåtande roll på kromaffinsystemet genom en dubbel mekanism, en direkt på kromaffincellerna och en indirekt via hämning av CRH-frisättning på hypotalamisk nivå.20, 21

Där det perifera kväveoxidsystemet förekommer i binjurebarken uttrycker kromaffincellerna hjärnans kväveoxidsystem. De grundläggande mekanismerna för reglering av kväveoxid både för neuroner och endokrina celler har således identifierats i kromaffinceller.22 På samma sätt innehåller hypofysen och binjuremärgen den högsta mängden C-vitamin i människokroppen, och mekanismerna för upptag av C-vitamin och reglering av neurotransmittorer har identifierats i kromaffinceller.23

Nervtillväxtfaktorns (NGF) breda roll i den levande organismen upptäcktes först i binjuremärgen.24 Unsicker et al.25 vid den tiden vid Johns Hopkins University upptäckte att omogna kromaffinceller från binjuremärgen som odlades i närvaro av NGF fick biokemiska och morfologiska egenskaper som sympatiska neuroner.

För övrigt visade experiment som Aloe och Levi-Montalcini26 utförde in vivo vid CNR-laboratoriet för cellbiologi i Rom att tillförsel av NGF till råttfoster, som fortsatte i tre veckor efter födseln, ledde till att kromaffincellerna i binjuren differentierades till sympatiska neuroner. Detta fastställde tydligt att NGF hade en mycket större roll i de levande organismerna än vad som hittills hade antagits.

Den centrala märgen ökade markant i volym till följd av differentieringen av binjureceller till sympatiska neuroner, som sprider ett stort antal vitt förgrenade fibrer.

Med tanke på den enastående roll som kromaffincellsystemet har haft tidigare vore det ett misstag att inte använda systemet för de aktuella frågorna inom hjärnforskningen.

Vi har gått in i en ny era av regenerativ medicin även för neurodegenerativa sjukdomar i hjärnan. Kromaffinceller skulle återigen kunna ta ledningen för att utforska några av de regenerationsmekanismer som på liknande sätt gäller för de mer komplexa sjukdomarna i det centrala nervsystemet (CNS). Kromaffincellinjer används nu för att undersöka NGF:s roll i Alzheimers sjukdom. Proteiner från kromaffinkornen främjar faktiskt neuronernas överlevnad27 , vilket kan bero på ett antal kända eller ännu okända neurotrofinfaktorer. NGF-brist från differentierade PC12-celler orsakade således överproduktion av amyloid-β-peptider, som är de giftigaste proteinfragmenten som är direkt inblandade i utvecklingen av Alzheimers sjukdom, samtidigt med celldöd genom apoptos.28 Det nära sambandet mellan NGF-brist och aktivering av den amyloidogena banan har utvidgats till hippocampala neuroner.29 Dessa studier har avslöjat en ny egenskap hos TrkA, NGF-receptorn med hög affinitet. När man berövas NGF växlar TrakA från ett prosurvival till ett proapoptotiskt cellsignalsystem. Det är rimligt att anta att en sådan egenskap också är verksam i kromaffinneuroner med NGF-receptor och att den ligger till grund för nya vägar för cellsignalmekanismer i dessa celler.29

NGF främjar också cellöverlevnad under endoplasmatisk retikulumstress i PC12-celler.30 Dessutom används PC12-celler numera i stor utsträckning för att studera effekten av och signalvägarna för ett stort antal andra neurotrofa och neuroprotektiva peptider i hjärnans regenerering. Detta inkluderar hypofysens adenylatcyklasaktiverande polypeptid31, 32 , benmorfogenetiskt protein 733 och cerebral dopaminneurotrofisk faktor34 , som kan återställa dopaminerga neuroner vid degenerativa sjukdomar i hjärnan, t.ex. Parkinsons sjukdom. Sekvensvariationer i BDNF-genen har förknippats med svår depression och framgångsrik behandling med antidepressiva läkemedel,35 och BDNF:s roll som förmedlare av antidepressiva läkemedels neuroprotektiva verkan har nyligen undersökts i kromaffincellinjer.36

Det finns dessutom allt fler bevis som tyder på att det finns multipotenta neuralkistade progenitorceller i det vuxna binjuremärgen.37 Deras identifiering och isolering38 nyligen väcker nya förhoppningar om deras potentiella användning för regenerativ behandling av neurodegenerativa sjukdomar som Parkinsons sjukdom.39, 40, 41 Kromaffinprogenitorceller delar viktiga egenskaper med neurala stamceller. I likhet med neurosfärer växer kromaffinprogenitorcellerna, när de hindras från att fästa vid odlingsskålen, i sfärer med självförnyelseförmåga, som vi kallade kromosfärer. De uttrycker de neurala progenitormarkörerna nestin, vimentin, musashi 1 och NGF-receptorn samt Sox1 och Sox10,38 Mash137 och proteiner från Notch-vägen (Vukicevic och medarbetare, under revidering). Dessutom kan de differentiera till mogna katekolaminerga neuroner38 (Vukicevic och medarbetare, under revidering). I likhet med differentierande neurala stamceller, där Notch är en viktig regulator för upprätthållandet av neurala stamceller i nervsystemet under utveckling,42, 43 åtföljs skiftet mot neuronal differentiering av kromosfärceller av en minskning av markörer för neurala progenitorer, bland annat Notch-2, Hes (hairy and enhancer of split) 1, Hes 5 och nestin (Vukicevic och medarbetare, under revidering).

För det sista får man inte glömma att enterokromaffincellerna också härstammar från neuralkammen och utgör den plats där Vittorio Erspamer på 1930-talet upptäckte enteramin44 , som senare visade sig vara identiskt med det serotonin (5-HT)45 som finns i CNS46 . Det finns ett stort antal artiklar i litteraturen som visar att andra neurotransmittorer, neuropeptider och samma transduktionsmekanismer som finns i hjärnan också finns i de gastrointestinala kromaffincellerna, där de har viktiga roller.47

Kromaffinceller och hjärnans neuroner och deras föregångsceller delar alltså liknande signalvägar och utgör återigen en idealisk modell för att identifiera de medfödda vägarna och målen för hjärnans regeneration.

Nyligen gjorda ansträngningar för att undersöka den vuxna CNS:s endogena regenerations- och reparationspotential möter stora svårigheter, som grundar sig på systemets styvhet och den begränsade tillgången till läkemedel. Blod-hjärnbarriären begränsar antalet faktorer som kan testas systemiskt och kräver invasiva alternativ som direkta injektioner i hjärnan. Stelheten beror på den subtila plasticitet som uppvisas, möjligen som ett sätt att bevara homeostas och minne. Binjuren är däremot ett anmärkningsvärt plastiskt organ som reagerar på ett tydligt sätt på många fysiska och känslomässiga påfrestningar. För den forskare som forskar om tillståndsförändringar är binjuren ett enastående verktyg. I den är kromaffincellen och dess föregångscell kanariefågeln i kolgruvan. Fysiska och känslomässiga angrepp förändrar funktionen, egenskaperna och antalet av dessa celler på ett sätt som är lätt att bedöma och manipulera. De kan odlas på ungefär samma sätt (figur 1), de uttrycker många gemensamma markörer, bland annat komponenter i cytoskelettet och transkriptionsfaktorer, och, vilket är avgörande, de reagerar på många behandlingar på samma sätt. Som ett forskningssystem för neurovetenskapsmannen är binjuren en modell av hjärnan, utanför blod-hjärnbarriären, som uppvisar förstärkta reaktioner. I den är kromaffinprekursorcellerna ett lättillgängligt och mätbart fönster till hur CNS neurala stamceller fungerar. I en tid då forskare strävar efter att inte sätta sig själva i fack inom ett enda organ, utan söker efter ledtrådar som leder till nya terapeutiska tillvägagångssätt på så många ställen som möjligt, är kromaffincellsystemet en utmärkt forskningskamrat till sin mer esoteriska motsvarighet i CNS.

I CNS har endogena neurala stamceller (eNSCs) endast i två områden, den subventrikulära zonen och hippocampus’ dentata gyrus, en roll för att generera nya neuroner erkänts. Ändå har populationer av eNSC upptäckts i hela hjärnan och ryggmärgen hos vuxna gnagare och primater. En utbredd population kan identifieras med hjälp av uttryck av transkriptionsfaktorn Hes3.48 Sådana observationer har gett upphov till andra roller för eNSCs än cellersättning. Hes3 regleras av en icke-kanonisk Notch-väggren som innefattar sekventiell aktivering av Notch-receptorn, fosforylering av signalmolekylen signaltransducerare och transkriptionsaktivator 3 på dess serinrest och induktion av Hes3-transkription.49 Andra faktorer som reglerar denna väg på olika ställen, bland annat insulin50 , hämmare av p38MAP- och Janus-kinaserna, Tie2-receptorliganden angiopoietin 2 och koleratoxin51 , ökar också antalet stamceller. Var för sig har vissa av dessa faktorer negativa effekter på kärlsystemet (vissa är pro- och andra anti-angiogena).52 När de kombineras i en särskild blandning som innehåller Delta4, angiopoietin2, insulin och en Janus kinashämmare uppnås maximala ökningar av antalet eNSC med minimala vaskulära bieffekter. Hos råttor som utsatts för experimentell parkinsonism främjar en enda injektion av denna blandning långsiktig räddning av dopaminneuroner, som annars skulle dö, och återhämtning av motoriska färdigheter. Dessa resultat tyder på att eNSC har en roll i skyddet av skadade neuroner. Många av dessa komponenter i banan kan delas med kromaffincellsystemet och arbetet har redan visat att Notch-receptorn och flera gemensamma transkriptionsfaktorer är generellt involverade (se ovan). Dessutom tyder binjurens starkt vaskulariserade miljö på att angiogena cytokiner också kan reglera adrenomedullära prekursorceller. Även om kromaffinprekursorcellernas inblandning i cellförnyelsen i binjuremärgen är fastställd, tyder data från CNS på att ytterligare reglerande och möjligen proöverlevnadsroller för kromaffincellerna i binjuremärgen väntar på att upptäckas.

Sammanfattningsvis gäller de lärdomar som vi har dragit av kromaffincellsbiologin som perifer modell för hjärnan och hjärnsjukdomar mer än någonsin den spetsforskning som bedrivs inom neurobiologin. Vi bör fortsätta och intensifiera användningen av denna modell för att klarlägga mekanismerna för regeneration både i CNS och i neuroendokrin vävnad. Det kommer inte bara att bidra till att utforska de grundläggande mekanismerna för cellförnyelse och regeneration utan också till att utforma nya strategier för regenerativa behandlingar av hjärnan i framtiden.