Neural Stem Cells & Adult Neurogenesis for Thai Youth
เซลล์ต้นกำเนิดประสาทสำหรับเยาวชนไทย
เซลล์ต้นกำเนิด (stem cells) คือ เซลล์ที่มีคุณสมบัติพิเศษดังต่อไปนี้
- เซลล์ต้นกำเนิดเป็นเซลล์ที่ยังไม่มีการพัฒนาไปทำหน้าที่จำเพาะ (undifferentiated cells) สามารถเข้าวัฏจักรเซลล์ (cell cycle) เพื่อแบ่งตัวให้เซลล์ลูก (daughter cells) ได้ไม่จำกัด โดยเมื่อเซลล์ต้นกำเนิดแบ่งตัว (cell division) โดยวิธีไมโตซิสจากเซลล์ต้นกำเนิด (2N) 1 เซลล์ สร้างเซลล์ลูกได้ 2 เซลล์ (2N) จะสร้างเซลล์ต้นกำเนิดอย่างน้อย 1 เซลล์ที่มีคุณสมบัติเหมือนกับเซลล์เริ่มต้นที่ยังคงคุณสมบัติของเซลล์ต้นกำเนิด ดังคุณสมบัติที่เรียกว่า self-renewal
- เซลล์ต้นกำเนิดสามารถเจริญพัฒนา (differentiation) ไปเป็นเซลล์กึ่งกลางที่เรียกว่า progenitor cells และในท้ายที่สุดพัฒนาไปเป็นเซลล์ที่จำเพาะได้หลายชนิด (terminal differentiation) ซึ่งศักยภาพของเซลล์ต้นกำเนิดในการเจริญพัฒนาไปเป็นเซลล์ในขั้นสุดท้าย (potency) อาจจำแนกได้หลายระดับ ดังต่อไปนี้
- Unipotency สามารถพัฒนาไปเป็นเซลล์ที่จำเพาะได้เพียงหนึ่งชนิด
- Bipotency สามารถพัฒนาไปเป็นเซลล์ที่จำเพาะได้สองชนิด
- Oligopotency สามารถพัฒนาไปเป็นเซลล์ที่จำเพาะได้ 3-4 ชนิด
- Multipotency สามารถพัฒนาไปเป็นเซลล์ที่จำเพาะได้หลายชนิด
- Pluripotency สามารถพัฒนาไปเป็นเซลล์ที่จำเพาะได้หลายชนิดครบทั้ง 3 ชั้น (endoderm, mesoderm และ ectoderm)
- Totipotency สามารถเจริญไปเป็นตัวอ่อนทั้งตัวได้
การแบ่งตัวของเซลล์ (cell division) ในเซลล์ต้นกำเนิดอาจเกิดได้ 2 ลักษณะเป็นอย่างน้อย
1. เซลล์ตั้งต้นแบ่งตัวให้เซลล์ลูกเหมือนกันทั้งสองเซลล์ (Symmetric Cell Division) กรณี b เช่น
1.1 Non-terminal Symmetric Cell Division
» เซลล์ต้นกำเนิดประสาท (Neural stem cells; NSC) → เซลล์ต้นกำเนิดประสาท (NSC) + เซลล์ต้นกำเนิดประสาท (NSC)
» เซลล์ตั้งต้นประสาท (Neural progenitor cells; NPC) → เซลล์ตั้งต้นประสาท (NPC)+ เซลล์ตั้งต้นประสาท (NPC)
♦ → ♦ + ♦
1.2 Terminal Symmetric Cell Division
- เซลล์ตั้งต้นประสาท (Neural progenitor cells; NPC) → เซลล์ประสาท (neurone) +เซลล์ประสาท
♦ → ♦ + ♦
2. การแบ่งตัวของเซลล์ที่เซลล์ลูกที่ได้แตกต่างกัน (Asymmetric Cell Division) กรณี a เช่น
- เซลล์ต้นกำเนิดประสาท (NSC) → เซลล์ต้นประสาท (NSC) + เซลล์ตั้งต้นประสาท (NPC)
- เซลล์ตั้งต้นประสาท (NPC) → เซลล์ตั้งต้นประสาท + เซลล์ประสาท
♦ → ♦ + ♦
ในกรณีของเซลล์ต้นกำเนิดประสาท (neural stem cells) ซึ่งเป็นเซลล์ต้นกำเนิดของระบบประสาท เซลล์ต้นกำเนิดประสาทสามารถแบ่งตัวสร้างเซลล์ตั้งตันของระบบประสาท (neural progenitor cells) ได้แก่
- เซลล์ต้นต้นของเซลล์ประสาท (neuronal progenitor cells) ที่เป็นผู้ผลิตเซลล์ประสาท (neurone) และ
- เซลล์ตั้นต้นของเซลล์เกลีย (glial progenitor cells) ที่เป็นผู้ผลิตเซลล์แอสโทรไซต์ (astrocyte) และเซลล์โอลิโกเดนโดรไซต์ (oligodendrocyte)
โดยทั่วไปเป็นการยากที่จะระบุว่าเซลล์ใดเป็นเซลล์ต้นกำเนิดประสาทหรือเซลล์ตั้งตันของระบบประสาท (neural stem/progenitor cells) จึงมักเรียกกลุ่มเซลล์เกล่านี้เป็นชื่อรวมว่า neural precursor cells
การเพาะเลี้ยงเซลล์ต้นกำเนิดประสาทในห้องปฏิบัติการอาจแบ่งออกเป็น 2 วิธีหลัก คือ
แต่อย่างไรก็ตามเป็นที่แน่ชัดแล้วว่าตำนานการเพาะเลี้ยงเซลล์ต้นกำเนิดประสาทแบบนิวโรสเฟียร์กำลังจะอวสาน เนื่องจากเหตุผลดังต่อไปนี้
- นอกจากเซลล์ต้นกำเนิดประสาทสามารถสร้างนิวโรสเฟียร์ได้แล้ว เซลล์ชนิดอื่นก็สามารถสร้างได้เช่นกัน
- ภายในนิวโรสเฟียร์ประกอบไปด้วยเซลล์หลายชนิดซึ่งมีการเจริญพัฒนาแล้ว ดังนั้นไม่ใช่กลุ่มของเซลล์ต้นกำเนิดประสาททั้งหมด
- เนื่องนิวโรสเฟียร์มีลักษณะก้อนกลมที่มีเซลล์จำนวนมากเกาะกันแน่นทำให้สารอาหารและอากาศไม่สามารถแพร่ผ่านเข้าไปเลี้ยงยังใจกลางได้ จึงพบว่าเซลล์ที่อยู่ตรงกลางนิวโรสเฟียร์ตายแบบเนคโครซีส (necrosis) และอพอบโตซีส (apoptosis) และเกิดการกินแบบฟาร์โกไซโซสด้วยภายในใจกลางของนิวโรสเฟียร์
- ที่ชั้นภายนอกของนิวโรสเฟียร์พบว่าเซลล์มีใบพัดพิเศษที่ช่วยให้เซลล์เคลื่อนไหวได้ นิวโรสเฟียร์ 2 ก้อนที่อยู่ใกล้กันจึงเกิดการรวมกันเป็นนิวโรสเฟียร์ขนาดใหญ่ขึ้นได้ ดังนั้นการแปรผลที่ว่าเซลล์ต้นกำเนิดหนึ่งเซลล์เมื่อนำมาเพาะเลี้ยงด้วยวิธีนี้จะสร้างกลุ่มเซลล์นิวโรสเฟียร์ได้หนึ่งอัน จึงไม่สามารถใช้ได้
2. Monolayer culture เป็นการเพาะเลี้ยงเซลล์ต้นกำเนิดประสาทในรูปแบบที่นิยมกับเซลล์เพาะเลี้ยงทั่วไปซึ่งเซลล์ต้นกำเนิดประสาทเกาะที่ผิวภาชนะเพาะเลี้ยงซึ่งถูกเคลือบด้วยสารที่เป็นองค์ประกอบใน extracellular matrix เช่น polyornithine, laminin, fibronectin และ poly-d-lysine เป็นต้น
การเพาะเลี้ยงด้วยวิธีนี้ทำให้เซลล์ที่ได้มีความบริสุทธิ์สูง กล่าวคือ เซลล์ต้นกำเนิดประสาทยังคงสามารถเติบโต แบ่งตัว ได้เรื่อยๆ มีการเจริญพัฒนาไปเป็นเซลล์อื่นได้น้อยมากหากเลี้ยงในภาวะที่เหมาะสม ซึ่ง Kempermann และคณะสามารถเพาะเลี้ยงเซลล์ต้นกำเนิดประสาทจากเดนเตตไจรัสด้วยวิธีนี้ได้ไม่ต่ำกว่า passage number 60 และเมื่อเก็บเซลล์ต้นกำเนิดประสาทดังกล่าวไว้ในไนโตรเจนเหลวก็สามารถนำกลับมาเพาะเลี้ยงได้อีก หากต้องการเหนี่ยวนำให้สร้างเซลล์ประสาทก็สามารถทำได้โดยการหยุดให้สารเร่งการเติบโต (growth factors) หรือเติมสารบางชนิด เช่น กรดวิตามินเอ หรือ BDNF เป็นต้น ดังนั้นวิธีการเพาะเลี้ยงแบบนี้กำลังได้รับความนิยมเนื่องจากสามารถควบคุมปัจจัยต่างๆ ได้ดีและผลการทดลองที่ได้มีความแม่นยำและน่าเชื่อถือกว่าการเพาะเลี้ยงแบบนิวโรสเฟียร์
เป็นที่ทราบกันดีในปัจจุบันว่ากระบวนการสร้างเซลล์ประสาทในสมองมนุษย์เกิดได้ตลอดชีวิต นับตั้งแต่อยู่ในครรภ์มารดา หลังคลอด และเจริญเป็นผู้ใหญ่ แต่อย่างไรก็ตามพบว่าเซลล์ประสาทใหม่มีอัตราการสร้างที่ลดลงเมื่ออายุมากขึ้น โดยทั่วไปการเกิดใหม่ของเซลล์ประสาท (adult neurogenesis) หมายถึงกระบวนการแบ่งตัว (cell proliferation) ของเซลล์ต้นกำเนิดประสาท (neural stem cells) มีการพัฒนาเป็นเซลล์ประสาทที่สมบูรณ์ รวมทั้งมีการเดินทาง (neuronal migration) ไปยังตำแหน่งที่ถูกต้อง สามารถเกิดไซแนปส์และทำงานเชื่อมต่อกับกลุ่มเซลล์ประสาทเดิมได้ วิธีการวัดการเกิดใหม่ของเซลล์ประสาทที่นิยมแต่ไม่ครอบคลุมนิยามดังกล่าว คือ การวัดการแบ่งตัวของเซลล์ประสาทโดยใช้ bromodeoxyuridine (BrdU) ซึ่งเซลล์ที่กำลังแบ่งตัวแบบไมโตซิสจะดึงสารดังกล่าวไปใช้ไปในเซลล์เพื่อสร้างสารพันธุกรรม แล้วนักวิจัยใช้แอนติบอดีต่อ BrdU ในการตรวจจับ
จากภาพด้านซ้ายซึ่งเป็นกลุ่มควบคุมมีปริมาณสาร BrdU มากกว่าภาพทางด้านขวา จึงอาจสรุปได้ว่าเนื้อเยื่อด้านขวามีจำนวนเซลล์ที่กำลังแบ่งตัว (คาดว่าเป็นเซลล์ต้นกำเนิดหรือเซลล์ตั้นต้นประสาท) มากกว่าเนื่อเยื่อในภาพด้านซ้าย
ถึงแม้ว่าการเกิดใหม่ของเซลล์ประสาทในสมองส่วนต่างๆ เป็นที่โต้แย้งในเชิงวิชาการและยังไม่มีข้อสรุปที่แน่ชัด แต่นักวิทยาศาสตร์เห็นพ้องต้องกันว่าบริเวณที่มีคุณสมบัติในการผลิตเซลล์ประสาทใหม่ (neurogenic regions) ได้แก่ subventricular zone (SVZ) ของโพรงสมองด้านข้าง (lateral ventricles ) และบริเวณ subgranular layer (SGL) ในส่วนเดนเตตไจรัส (gentate gyrus) ของสมองส่วนฮิปโปแคมปัสซึ่งเป็นศูนย์กลางด้านความจำ การเรียนรู้ และความคิดสร้างสรรค์ของของสมองมนุษย์
