В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience, исследователи из Соединенных Штатов точно определили и оценили химические вещества окружающей среды, которые препятствуют развитию олигодендроцитов с помощью различных механизмов, оценивая их воздействие на развитие нервной системы.

Общие сведения

Воздействие химических веществ окружающей среды на человека, особенно на критических этапах развития центральной нервной системы детей, вызывает серьезные опасения по поводу здоровья. Такие вещества, как метилртуть, свинец и полихлорированные дифенилы, нарушают развитие мозга, потенциально способствуя росту распространенности нарушений развития нервной системы, таких как аутизм и синдром дефицита внимания / гиперактивности (СДВГ). Эти тенденции свидетельствуют о том, что факторы окружающей среды играют решающую роль помимо генетики. Олигодендроциты, жизненно важные для функционирования мозга благодаря миелинизации и поддержке нейронов, особенно чувствительны к этим химическим веществам с момента внутриутробного развития до подросткового возраста. Несмотря на их значимость, ограниченные исследования были сосредоточены на воздействии токсинов окружающей среды на олигодендроциты. Этот пробел подчеркивает необходимость дальнейшего изучения того, как эти химические вещества влияют на развитие олигодендроцитов, и определения способов противодействия их пагубному воздействию на развитие нервной системы.

Об исследовании

Настоящее исследование соответствовало этическим стандартам, установленным Международным обществом исследований стволовых клеток и Национальными институтами здравоохранения, получив одобрение Комитета по институциональному уходу за животными Университета Кейс Вестерн Резерв. Клетки-предшественники олигодендроцитов (OPC) мыши культивировали из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (IPSC) в соответствии с установленными протоколами, которые включали удаление IPSC из питающего слоя, их диссоциацию и последующее культивирование в среде, способствующей размножению и созреванию OPC. На десятый день культуральную среду сменили, чтобы стимулировать развитие OPC, используя специальную комбинацию добавок для обогащения популяции OPC. Кроме того, первичные мышиные OPCS и астроциты были получены из препарированной ткани мозга мыши, при этом клетки культивировались в специально подготовленных средах для стимулирования роста OPCS и астроцитов соответственно.

Органоиды коры головного мозга человека были получены из эмбриональных стволовых клеток и ИПСК в соответствии со строгими рекомендациями по исследованию стволовых клеток. Эти органоиды культивировались в среде, оптимизированной для роста и дифференцировки OPC, включающей различные факторы роста и добавки. Химический скрининг OPC проводился Агентством по охране окружающей среды США (US EPA). Химическая библиотека для прогнозирования токсичности для выявления соединений, нарушающих развитие OPC.

Для оценки воздействия химических веществ на OPCs были использованы различные методы, включая иммуноцитохимию, визуализацию с высоким содержанием данных и анализ жизнеспособности клеток. Кроме того, в исследовании изучалось влияние определенных четвертичных соединений на жизнеспособность клеток с использованием ряда экспериментальных установок для различных типов клеток, чтобы понять профили токсичности соединений.

Результаты исследования 

В настоящем исследовании разработан высокопроизводительный метод скрининга для оценки воздействия химических веществ окружающей среды на развитие OPC, полученных из плюрипотентных стволовых клеток (mPSCs) мыши, в олигодендроциты. Среди 1823 проверенных химических веществ было обнаружено, что некоторые из них либо цитотоксичны для развивающихся олигодендроцитов, либо препятствуют их образованию, не вызывая цитотоксичности. Скрининг показал, что большинство химических веществ не оказывали существенного влияния на развитие или жизнеспособность олигодендроцитов, однако 292 были идентифицированы как цитотоксичные и 47 — как ингибиторы образования олигодендроцитов.

Дальнейшее исследование с использованием анализа MTS, который измеряет метаболическую активность как показатель жизнеспособности клеток, подтвердило цитотоксическое действие определенных химических веществ. Сравнение профилей цитотоксичности различных типов клеток, включая астроциты мыши, и данных Агентства по охране окружающей среды США выявило, что четвертичные соединения избирательно цитотоксичны по отношению к олигодендроцитам. Эти соединения, характеризующиеся центральным содержанием азота с четырьмя алкильными группами, продемонстрировали особую токсикологическую чувствительность при развитии олигодендроцитов. В исследовании также изучалась активация интегрированной реакции на стресс (ISR) как потенциального механизма цитотоксичности, индуцируемой четвертичными соединениями.

Четвертичные соединения также были протестированы на их способность преодолевать гематоэнцефалический барьер, и было обнаружено, что они присутствуют в ткани мозга в наномолярных концентрациях после введения мышам. Кроме того, исследование распространилось на регионализованные нейро-органоидные модели, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека, подтверждая, что четвертичные соединения могут нарушать развитие олигодендроцитов человека, снижая плотность SOX10 + OPCs и олигодендроцитов.

Кроме того, скрининг выявил фосфорорганические антипирены как ингибиторы развития олигодендроцитов. Было показано, что эти соединения останавливают прогрессирование от ранних до промежуточных и зрелых олигодендроцитов. Результаты исследования были распространены на модели развития мозга человека in vivo и in vitro, демонстрируя, что воздействие фосфорорганических антипиренов, в частности Трис (1,3-дихлор-2-пропил) фосфата (TDCIPP), значительно снижало количество SOX10 + CC1 + олигодендроцитов как на моделях мыши, так и на моделях человека.

Наконец, в исследовании использовались данные Национального обследования состояния здоровья и питания (NHANES) для изучения связи между воздействием фосфорорганических антипиренов и последствиями развития нервной системы у детей. Высокие уровни Бис (1,3-дихлор-2-пропил) фосфата (BDCIPP) в моче, метаболита, указывающего на воздействие TDCIPP, были связаны с повышенной вероятностью возникновения особых образовательных потребностей и выраженной двигательной дисфункции, что указывает на тесную связь между воздействием фосфорорганических антипиренов и неблагоприятными последствиями для развития нервной системы.