C’è voluto più di un secolo per arrivare a confutare il dogma della neurobiologia che vedeva il cervello adulto come impossibilitato a fare neurogenesi. Nei primi anni ’60 infatti vi fu una delle prime prove che nel cervello ci sono cellule proliferanti anche se non si era ancora in grado di capire che tipo di cellule fossero. Trent’anni dopo, utilizzando delle tecnologie più sofisticate rispetto all’autoradiografia utilizzata in precedenza (utilizzo della Bromodesossiuridina), si è capito che nel sistema nervoso ci sono delle cellule che vanno incontro a proliferazione. Grazie a studi successivi, verso la metà degli anni ’90, è stato possibile isolare queste cellule, metterle in coltura ed è venuto fuori che queste cellule sono delle vere e proprie cellule staminali. Quando isolate e messe in coltura andavano incontro ai due lineage differenziativi tipici del sistema nervoso: neuronale e gliale. Formavano inizialmente una sorta di “neurosfere” e poi, indotte a differenziare, diventavano neuroni o astrociti e oligodendrociti. Andando avanti con gli anni si è anche capito che le due regioni più attive del cervello adulto sono la regione dell’ippocampo (regione dell’apprendimento) e la regione dei ventricoli (formazione di nuovi neuroni a livello dei bulbi olfattivi).

Come avviene la neurogenesi in queste due regioni?

• Nella regione subventricolare abbiamo la presenza di cellule ependimali (rivestono le pareti dei ventricoli) e probabilmente sono proprio alcune di queste cellule che funzionano come cellule staminali neuronali. A livello di questa regione si attivano queste cellule staminali, si muovono lungo una specifica via chiamata “Rostral Migratory Stream” e vanno a colonizzare le regioni del bulbo olfattivo. Una volta arrivate riceveono dei segnali di induzione al differenziamento neuronale e diventeranno dei veri e propri neuroni del bulbo olfattivo.
• A livello dell’ippocampo ci sono delle cellule che funziono da staminali e, anche qui, si muovono dalla regione del giro dentato alla regione sottostante (Granular Layer) e portano al differenziamento sia i neuroni sia permettono la formazione di astrociti.

Perché sono le due regioni più attive?

Nell’ippocampo adulto nuovi neuroni si formano perché devono partecipare e garantire la plasticità del cervello e l’apprendimento. Più si va avanti con l’età probabilmente si perdono i fattori che permettono neurogenesi a livello dell’ippocampo e probabilmente è il motivo per cui insorgono patologie come l’Alzheimer. L’apprendimento è un processo che, per essere mantenuto tale, richiede una neurogenesi attiva.

Nella regione sub ventricolare invece i neuroni che vengono prodotti probabilmente servono per aggiustare i circuiti olfattivi: il cane, ad esempio, utilizza l’olfatto per interagire quindi c’è bisogno di una massiccia produzione.

Molte malattie neurologiche sono anche associate ad alterazione dei processi di neurogenesi.

La depressione da stress cronico diminuisce la produzione di nuovi neuroni (trattando dei topi con agenti anti depressivi si è visto che aumentava il tasso di neurogenesi).

Anche nell’epilessia quello che si pensa è che si sviluppano nuovi neuroni ma vengono indirizzati verso strade diverse e non vanno a colonizzare le regioni dove i neuroni sono stati persi. La strategia può essere non il trapianto di staminali ma la scoperta del motivo per cui i neuroni formati prendono strade sbagliate.

Nell’ictus le staminali vengono prodotte ma muoiono e non maturano. il punto sta nell’attivare “le vie di survival”.

Per studiare la neurogenesi in questa patologia sono stati effettutati degli approcci sperimentali sia a livello sub ventricolare sia a livello dello striato, quindi a livello dell’ippocampo. In condizioni normali i neuroni occupano tutto la regione dello striato e sono presenti anche cellule staminali residenti. Inducendo un’ischemia ci sarà una riduzione nel numero di neuroni e un aumento della proliferazione delle staminali. Il problema dell’ictus cerebrale non sta quindi nella NON attivazione delle staminali ma nella non sopravvivenza dei neuroni prodotti. Andando a misurare la percentuale di neuroni, sia neoformati che sopravvissuti all’ictus, ci si è accorti che più dell’80% dei neuroni neoformati morivano nelle prime settimane dal difetto ischemico e soltanto lo 0.2% era in grado di rimpiazzare i neuroni morti in seguito allo stroke. Probabilmente andando a trapiantare cellule staminali di altra natura e specie nel cervello di un paziente ischemico, le staminali che non sono neuronali, che non hanno capacità di diventare da subito neuroni, probabilmente faranno la stessa fine delle staminali residenti.

Le strategie terapeutiche quindi possono essere:

• Aumentare la risposta neurogenica: fare in modo che si attivino molte più cellule staminali. La percentuale di neuroni che sopravvive potrebbe essere più elevata.
• Contribuire alla neuro protezione: fare in modo che vengano attivati le vie di sopravvivenza. Alcuni fattori di crescita neurotrofici normalmente sono in grado di attivare delle vie di sopravvivenza, per esempio la via di AKT. Alcuni ricercatori, dopo aver indotto un’ischemia cerebrale, hanno cominciato ad inserire, nella regione dove si formano le staminali, dei fattori di crescita. Essendo la regione del cervello alterata non c’era l’impedimento della barriera emato-encefalica quindi questi fattori riuscivano regolarmente a entrare in questa regione e il risultato finale era un aumento della sopravvivenza dei neuroni neoformati.

Perché ci sono delle differenze di neurogenesi nelle varie regioni del sistema nervoso? Per rispondere a questa domanda è importante  capire che cosa si trova all’interno di queste regioni ( ippocampo e regione ventricolare) rispetto alla nicchia delle regioni meno attive del cervello.

Una delle cellule che hanno un ruolo determinante nella neurogenesi adulta sono gli astrociti. È stata fatta una co-cultura con le staminali delle regioni più attive del cervello e altri tipi cellulari per capire se cellule già terminalmente differenziare o committed di altre specie erano in grado di influenzare la neurogenesi. Nel primo esperimento hanno messo in co-cultura le staminali dell’ippocampo con i fibroblasti oppure con i neuroni già formati: non c’era nessun effetto, sia i fibroblasti che i neuroni già differenziati non avevano assolutamente alcun effetto sulle staminali embrionali. Poi hanno preso sempre le staminali dell’ippocampo e questa volta le hanno coltivate insieme agli astrociti sempre dell’ippocampo. Il risultato è stato sorprendente: in condizioni normali i neuroni venivano prodotti ma la neurogenesi era molto più elevata quando le staminali neuronali erano coltivati insieme agli astrociti della stessa regione.

Per vedere se era fondamentale il contatto con le cellule o erano sufficienti solo i fattori secreti hanno prelevato le staminali dell’ippocampo e le hanno messe su una piastra, hanno prelevato gli astrociti e li hanno messi in una piastra differente e dopo del tempo hanno prelevato il supernatante degli astrociti e l’hanno messo nella piastra con i neuroni dell’ippocampo. A questo punto le cellule dell’ippocampo erano ancora in grado di rispondere ai segnali di induzione prodotti dagli astrociti. Il contatto cellula-cellula aiuta ma comunque il terreno “condizionato” dagli astrociti contiene un insieme di fattori trofici che va a aumentare il potenziale di neurogenesi di queste cellule.

Andando a vedere i marcatori dell’apoptosi e i marcatori della proliferazione si è visto che gli astrociti non influenzavano assolutamente il “survival”.

La caratteristica di promozione della neurogenesi è comune a tutti i tipi di astrociti? Per rispondere a questa domanda dei ricercatori hanno prelevato le staminali dalla regione dell’ippocampo e le hanno coltivate in presenza di astrociti del midollo spinale che è la regione meno attiva del cervello. Il risultato mostra un effetto inibitorio nella neurogenesi. Quindi non tutti gli astrociti del cervello hanno la stessa induzione di neurogenesi sulle staminali più attive del cervello, inoltre alcuni tipi di astrociti possono anche indurre l’effetto opposto. Siccome a livello del midollo spinale si formano sempre meno neuroni rispetto alla regione dell’ippocampo quindi le cellule presenti nel midollo spinale sono cellule vecchie che è quindi è meno abile a produrre fattori trofici che servono a commissionare la proliferazione e il differenziamento. Inoltre i fattori che produce possono addirittura spingere il differenziamento della staminali a intraprendere destini differenziativi non fisiologici.

Si potrebbe quindi esporre cellule che normalmente non fanno neuroni in astrociti neurogenici.

Un'altra importante domanda  riguardante la  neuro genesi :

Quanto il macro ambiente può influenzare il micro ambiente?Abbiamo visto cosa fornisce il micro ambiente alla staminale in un determinato contesto tissutale , ma non abbiamo ancora parlato di come il micro ambiente possa essere influenzato da stimoli esterni.Ad esempio abbiamo parlato delle eterogeneità delle fibre muscolari che possono intecambiarsi  in relazione agli stimoli che possono ricevere . La domanda che ci poniamo è :  gli stessi principi potrebbero valere per il tessuto nervoso?

Ci sono diversi studi, soprattutto fatti da Fred gignis (?) il quale ha introdotto il paradigma dell’”ambiente ricco” ( macroambiente)

Gli studi riguardanti queste domande sono fatti su animali da laboratorio e quindi :

Sapete che l’utilizzo di modelli prevede una regolamentazione per evitare condizioni di stress che potrebbero falsare i risultati ? soprattutto in immunologia.

Passiamo all’analisi degli esperimenti svolti in relazione alllo studio di come il macroambiente può influenzare la neurogenesi .

Esperimento 1 :

topi controllo / topi con la ruota più gabbia (modello di esercizio fisico)/ topi con oggetti con cui interagire ( modello di apprendimento).

Risultava un aumento di cellule proliferanti ( staminale dell’ippocampo) nei topi nelle condizioni 2 e 3:

A partire dalle 24h il potenziale di neurogenesi aumenta molto sia nei topi che apprendono, sia nei topi sottoposti a esercizio fisico. Questo è stato visto analizzando la presenza di cellule BrdU positive è palese l’incremento di cellule proliferanti.

La domanda che si sono posti in relazione ai risultati ottenuti :

Quali possono essere i fattori neurotrofici attivati da stimoli esterni? uno di questi fattori è stato confermato essere IGF1 ( in particolare se stimolato da esercizio fisico) quindi è stato visto che l’esercizio fisico preveniva l’induzione apoptotica a livello dell’ippocampo aumentando i livelli di Igf1 .

Esperimento 2 :

Possiamo mimare un fenotipo invecchiato iniettando l’acido domoico ( danno neuronale).

Condizioni sperimentali  1: ctr / acido domoico_>  osservato danno neuronale nel topo trattato

Condizioni sperimentali 2  : Ctr/ acido domoico+ esercizio fisico -> l’esercizio fisico attenua la tossicità della sostanza preservando la funzionalità di neurogenesi.

Per dimostrare che questa azione fosse dipendente da Igf1 hanno ampliato il protocollo sperimentale : Esperimento 3 :

CTR/tratto acido  domoico+esercizio fisico+inibitore Igf1 -> anche se sottoposti ad esercizio fisico ma in assenza di igf1 non viene attenutato l’effetto tossico dell’acido domoico.

Quindi proprio Igf1 potrebbe condizionare il potenziale di neurogenesi

Esperimento 4 : è stato misurato il potenziale di neurogenesi , quindi se l’esercizio fisico determina un aumento del numero di cellule proliferanti. I risultati hanno confermato l’ipotesi che l’esercizio fisico aumenta la neurogenesi che è probabilmente indotta dall’espressione di igf1 infatti se la produzione di igf1 viene inibita il potenziale di neurogenesi, nelle stesse condizioni, viene ridotto.

Quindi IGF1 può   : sia stimolare la sopravvivenza neuronale (Akt) che stimolare la proliferazione di componenti cellulari ,inoltre dagli esperimenti effettuati si può ipotizzare che  l’ambiente giochi un ruolo critico nello stimolare la neurogenesi nell’adulto.

Staminali :

Quello che abbiamo capito durante il corso  , è che dobbiamo tenere conto di un parametro ; la conoscenza delle cellule staminali ( adulte – embrionali) e delle loro condizioni ambientali . La staminale funziona bene se si trova in un ambiente idoneo, infatti abbiamo visto che le staminali neuronali sono cellule immature,, se ricevono segnali non fisiologici, queste possono differenziarsi non in senso neuronale ma gliale, questo cambiamento potrebbe esacerbare una condizione patologica aumentando la risposta infiammatoria.