Stochastic cellular automata model of neurosphere growth: Roles of proliferative potential, contact inhibition, cell death, and phagocytosis

Neural stem and progenitor cells isolated from the central nervous system form, under specific culture conditions, clonal cell clusters known as neurospheres. The neurosphere assay has proven to be a powerful in vitro system to study the behavior of such cells and the development of their progeny. However, the theory of neurosphere growth has remained poorly understood. To overcome this limitation, we have, in the present paper, developed a cellular automata model, with which we examined the effects of proliferative potential, contact inhibition, cell death, and clearance of dead cells on growth rate, final size, and composition of neurospheres. Simulations based on this model indicated that the proliferative potential of the founder cell and its progenitors has a major influence on neurosphere size. On the other hand, contact inhibition of proliferation limits the final size, and reduces the growth rate, of neurospheres. The effect of this inhibition is particularly dramatic when a stem cell becomes encapsulated by differentiated or other non-proliferating cells, thereby suppressing any further mitotic division - despite the existing proliferative potential of the stem cell. Conversely, clearance of dead cells through phagocytosis is predicted to accelerate growth by reducing contact inhibition. A surprising prediction derived from our model is that cell death, while resulting in a decrease in growth rate and final size of neurospheres, increases the degree of differentiation of neurosphere cells. It is likely that the cellular automata model developed as part of the present investigation is applicable to the study of tissue growth in a wide range of systems.

Isolamento e cultivo de neurônios e neuroesferas de córtex cerebral aviar

Métodos de cultivo celular são convenientes na realização de análises funcionais de alterações/interações protéicas das células neuronais, auxiliando a decifrar o interactoma de proteínas chaves na neurogênese de doenças do Sistema Nervoso Central. Por esse motivo, culturas de neurônios e neuroesferas isolados do córtex cerebral aviar representam um modelo acessível para o estudo de diversas doenças neurológicas, tal como a epilepsia. A espécie aviar apresenta peculiaridades em seu proteoma neuronal, visto a presença de uma expressão diferenciada de proteínas chaves no metabolismo energético cerebral, algumas destas (VDAC1 e VDAC2) desempenham papel importante na compreensão do mecanismo da epilepsia refratária. A metodologia estabelecida no presente estudo obteve cultivo de neuroeferas, onde as células cresceram tipicamente em aglomerados atingindo, dentro de 7 dias, o diâmetro ideal de 100-200 µm. A diferenciação celular das neuroesferas foi obtida após a aderência destas às placas tratadas com poli-D-lisina, evidenciada pela migração de fibras do interior da neuroesfera. Ao contrário das neuroesferas, os neurônios em cultivo extenderam seus neuritos após 11 dias de isolamento. Tal modelo in vitro pode ser utilizado com sucesso na identificação das variáveis neuroproteômicas, propiciando uma avaliação global das alterações dinâmicas e suas interações protéicas. Tal modelo pode ter aplicações em estudos dos efeitos de indutores da morte celular e bloqueadores de canais de membrana mitocondriais em proteínas chaves do metabolismo energético cerebral.