Calea spre progres Studiile preclinice ale bolilor neurodegenerative legate de vârstă: o perspectivă asupra modelelor de rozătoare și derivate din HiPSC Partea 4

Modelele in vitro de PD derivate din hiPSC au fost, de asemenea, foarte informative în elucidarea progresiei patofiziologice legate de mutațiile familiale PD în modelele neuronale hiPSC DA derivate de la pacient.

PD este o boală neurodegenerativă care are de obicei un anumit impact asupra memoriei și abilității cognitive a pacientului. Cu toate acestea, odată cu progresul continuu al medicinei moderne, putem folosi diverse metode pentru a ajuta pacienții să-și mențină o memorie bună.

În primul rând, exercițiile fizice regulate pot îmbunătăți capacitatea cognitivă și memoria pacienților cu PD. Exercițiile fizice pot promova circulația sângelui și nutriția creierului a celulelor nervoase din creier, ceea ce ajută la menținerea conexiunii și coordonării dintre diferitele părți ale creierului, îmbunătățind astfel nivelul cognitiv general.

În al doilea rând, dieta este, de asemenea, cheia îmbunătățirii memoriei pacienților cu PD. O dietă bogată în fibre, săracă în grăsimi și săracă în colesterol este cheia menținerii sănătății creierului. Această dietă poate promova circulația sângelui în creier și poate oferi nutrienți sănătoși, care pot proteja neuronii și pot încetini progresia PD.

În cele din urmă, o atitudine pozitivă și o odihnă adecvată sunt, de asemenea, cheia pentru îmbunătățirea memoriei pacienților cu PD. Deși PD va aduce o anumită lovitură corpului și minții, dacă poți să menții o atitudine optimistă și să te odihnești puțin, poți să eliberezi stresul mental și psihologic și să-ți menții mai bine memoria.

Pe scurt, deși PD va avea un impact asupra memoriei, aceasta nu înseamnă că nu putem face modificări. Prin exerciții fizice, dietă și management psihologic adecvat, pacienții cu PD pot menține un anumit nivel de capacitate cognitivă și memorie. Se poate observa că trebuie să îmbunătățim memoria, iar Cistanche poate îmbunătăți semnificativ memoria, deoarece Cistanche este un material medicinal tradițional chinezesc cu multe efecte unice, dintre care unul este îmbunătățirea memoriei. Efectul Cistanche provine din diferitele ingrediente active pe care le conține, inclusiv acid tanic, polizaharide, glicozide flavonoide etc. Aceste ingrediente pot promova sănătatea creierului în diferite moduri.

Faceți clic pe cunoaște 10 moduri de a îmbunătăți memoria

De exemplu, neuronii derivați din hiPSC de la un pacient cu mutația LRRK2 GS2019S au prezentat fenotipuri celulare legate de boală, inclusiv o vulnerabilitate crescută la stresul oxidativ170 și scăderea lungimii și numărului de neurite171.

Alte exemple includ neuroni DA derivați din hiPSC obținuți de la pacienți care posedă mutația PARK2 care au prezentat disfuncție mitocondrială și morfologie de stres oxidativ172 și neuroni derivați din hiPSC cu mutația A53T și triplicarea SNCA care prezintă o creștere a marcajului și acumulare de agregate a-syn.

Mai mult decât atât, mai multe studii au ameliorat aceste fenotipuri de boală prin intervenții care vizează corectarea genei mutante, inclusiv LRRK2,174PINK1,175 SNCA,140,176 și GBA1.177 Astfel de modele demonstrează utilitatea tehnologiei hiPSC în identificarea și validarea unor noi ținte de droguri și oferă dovezi. pentru abordările terapiei genice.

Modelele derivate din hiPSC pentru diferite NDD au fost extinse de atunci la o varietate de configurații 2D și 3D de co-cultură diferite, extinzând modularitatea și potențialele cercetări de bază și aplicații preclinice.

Configurații curente ale modelelor NDD derivate din hiPSC Modele 2D cu celule unice și co-cultură

O cantitate semnificativă de muncă care utilizează culturi 2D compuse din tipuri de celule singulare derivate din hiPSC a fost publicată în ultimul deceniu. Aceste modele cu un singur tip de celulă au fost informative în descoperirea rolului populațiilor individuale de celule în NDD, cum ar fi atrofia musculară spinală, 178,179 AD, PD și scleroza amiolaterală (ALS)180 (Figura 1) și, în plus, au permis o mai mare înțelegerea modului în care genele asociate bolii acționează la nivel biologic pentru a afecta perturbațiile celulare.

Modelele celulare hiPSC au fost recrutate în cercetarea AD pentru a înțelege mai bine rolul polimorfismelor genetice și al mutațiilor în populațiile individuale de celule și modul în care acestea pot contribui sau influența boala. Într-un model AD bazat pe hiPSC, Kondo et al.181

a observat o acumulare crescută de oligomeri Ab legată de disfuncția crescută a reticulului endoplasmatic și stresul oxidativ la neuronii și astrocitele derivați de hiPSC obținute de la pacienții cu sAD și fAD care conțin mutația APP E693D. Modelele individuale 2D derivate din hiPSC au arătat, de asemenea, o mare valoare în studierea contribuțiilor genetice ale APOEε4, cel mai mare și mai replicabil factor de risc genetic al AD, într-o varietate de modele de celule neuronale.182

Lin și colegii183 au folosit culturi 2D pentru a descoperi că astrocitele APOEε4 izogenice derivate din hiPSC prezintă modificări la scară largă în expresia genelor legate de acumularea colesterolului și internalizarea Ab42, ambele fiind funcții homeostatice critice ale astrocitelor, în raport cu celulele izogenice APOEε3. În plus, astrocitele izogenice ε4 au arătat o capacitate redusă de a exprima și secreta APOE, rezultând o lipidare diminuată.

Creșterea îmbunătățită a neuriților atât în ​​lungime, cât și în număr în neuroni, pe lângă secreția îmbunătățită de Ab, neuronii inizogeni APOEε4 s-au dovedit, de asemenea, a fi o contribuție patogenă în aceste modele.183

În generarea de culturi de astrocite obținute de la indivizi neurotipici izogeni pentru alelele APOEε3 și APOEε4, Zhao și colab.161 au descoperit că astrocitele APOEε4 au prezentat o stare de lipidare APOE mai scăzută în comparație cu controalele sănătoase APOEε3, evidențiind și mai mult cunoștințele obținute de la astfel de modele.

Utilizarea co-culturii 2D a permis, de asemenea, studiul APOEε4 în contextul populațiilor individuale de celule și al interacțiunilor celulă-celulă și modul în care acestea pot contribui la patogenia AD.

Extindendu-se pe experimentul de mai sus, la co-cultivarea astrocitelor APOEε4 derivate din hiPSC cu neuroni, integritatea morfologică și funcțională a neuronilor a fost compromisă și a demonstrat inhibarea maturării în comparație cu controalele izogenice ε3.161

Interacțiunea dintre diferitele celule neuronale și gliale joacă un rol critic în dezvoltarea și progresia AD și PD, valorificând astfel tehnologia hiPSC pentru a stabili modele in vitro care imită interacțiunile celulă-celulă, iar micromediul celular s-a dovedit a fi foarte informativ.

Beneficiul modelelor 2D singulare și de co-cultură a fost realizat în mod similar în studierea contribuției mai multor mutații care cauzează PD la fenotipurile celulare legate de boli, cum ar fi scăderea viabilității celulare și disfuncția mitocondrială.

Acest lucru a fost demonstrat pentru prima dată într-un studiu efectuat de Nguyen și colab.,170 care au arătat că modelele hiPSCneuronale derivate de la pacientul cu PD cu mutația LRRK2 G2019S au prezentat niveluri crescute de a-syn, reglare în sus a genelor implicate în răspunsul la stres oxidativ, precum și o susceptibilitate crescută la H2O{{ 6}}stresul oxidativ indus și moartea celulară.

În mod similar, Sánchez-Danés și colab.171 au evaluat modificările autofagiei în neuronii DA derivați de la hiPSC de la pacientul cu PD care slăbesc mutația LRRK2 G2019S și au observat o disfuncție autofagică a-sinand crescută.

O mai bună înțelegere a modului în care interacțiunile celulare stau la baza patofiziologiei a fost realizată cu sistemele model de co-cultură derivate din hiPSC. De exemplu, astrocitele derivate din hiPSC au demonstrat că exercită un beneficiu protector în celulele progenitoare neuronale (NPC) cocultivate obținute de la pacienții cu PD după expunerea la toxinele mitocondriale, rotenonă și cianura de potasiu, demonstrată prin salvarea deficitelor de diferențiere și a disfuncției mitocondriale.184

Un alt studiu a folosit co-culturi neuron-astrocite pentru a investiga impactul mutației LRRK2G2019S care cauzează PD asupra diafoniei neuron-astrocite. Autorii au raportat că co-cultura de control neuroni DA derivați din hiPSC cu astrocite derivate de la pacient purtând mutația G2019S a indus neurodegenerarea și acumularea de a-syn în neuronii DA.185

Acest studiu a exemplificat utilitatea co-culturii în examinarea diferitelor combinații ale variantei/mutației genei în funcție de tipurile de celule pentru a descoperi interacțiunea celulă-celulă și tipul/tipurile de celule care exercită efectul patogen al variantelor asociate bolii.

Cu toate acestea, co-culturile 2D formează un micromediu pentru interacțiunile dintre diferitele tipuri de celule ale creierului și sunt încă limitate în mod înnăscut în capacitatea lor de a modela complexitatea creierului ca țesut tridimensional și, ca atare, posedă obstacole inerente în relevanța translației.

Modele 3D derivate din hiPSC

Tehnologiile emergente au permis cercetătorilor să înceapă să genereze și să evalueze modele 3D derivate din hiPSC ale NDD, inclusiv co-culturi și organoide, care sunt atât biochimic, cât și fiziologic robuste. Modele organoide. Modelele organoide ale creierului uman 3D au scopul de a surprinde organizarea spațială complexă a creierului uman cât mai de aproape posibil într-un model in vitro.

Obținute din hiPSC, acești organoizi creierului sunt auto-organizați și auto-modelați 3D. Pe lângă semnăturile lor epigenomice și transcripționale generale186,187, proprietățile fiziologice ale modelelor organoide 3D, cum ar fi răspunsul neuronal la glutamat, semnalizarea instinctivă Ca2+ și dezvoltarea fenotipurilor de maturare celulară, s-au dovedit, de asemenea, că oglindesc îndeaproape țesutul creierului uman. .188–190

Studii recente au generat și caracterizat modele derivate din hiPSC 3D AD și PD, care s-au dovedit că prezintă caracteristici patologice într-un mod foarte reproductibil.

De exemplu, Gonzalez et al.191 au dezvoltat un model de organoid ADbrain care a prezentat acumularea progresivă a peptidei Ab cu structuri asemănătoare plăcii și proprietăți amiloidogene, precum și apariția tau-ului fosforilat și a NFT.

Linet al.183 a extins aceste descoperiri prin introducerea izogenicAPOEε3- sau APOEε{4-purtător de celule asemănătoare microgliei în organoizi cerebrali stabiliți anterior cultivați din hiPSC-uri care conțin mutația de duplicare a APP asociată cu AD și a observat o formare a procesului semnificativ lungă. în celulele asemănătoare microgliei APOEε4 în comparație cu controalele APOEε3, sugerând o capacitate limitată în capacități senzoriale și de răspuns la Ab extracelular.

Cel mai recent, Zhao și colab.192 au generat modele organoide cerebrale folosind hiPSC-uri derivate de la pacienți cu AD și martori sănătoși purtând diferite genotipuri APOE. Modelul organoid APOEε4 a prezentat fenotipuri legate de boală în comparație cu organoidul APOEε3 derivat de la un donator diferit și modelul organoid izogen APOEε3 creat prin editarea genomului liniei APOEε4.

Efectul advers al genotipului APOEε4 în modelul organoid a recapitulat caracteristicile patologice cheie ale AD, inclusiv pierderea integrității sinaptice, moartea celulelor apoptotice, acumularea de Ab și tau fosforilat și niveluri ridicate de APOE solubile, demonstrând astfel adecvarea sistemului pentru modelarea non-fAD.

În plus, aceste rezultate oferă un sprijin suplimentar pentru rolul patogen al APOEε4 în AD și potențialul său ca țintă medicamentabilă pentru AD.192 În mod similar, Smitset al.193 a generat un model funcțional de DA organoid al creierului mediu al PD derivat din țesutul pacientului PD care conține mutația LRRK GS2019.

Acest model de organoid a produs și secretat DA și a prezentat cu succes patologii caracteristice asociate în organoizi, cum ar fi cantitatea și complexitatea redusă a neuronilor DA din creierul mediu193. Cu toate acestea, o abordare GT care corectează mutația LRRK a fost insuficientă pentru ameliorarea fenotipurilor bolii în acest model.

Bologninet al.194 a stabilit, de asemenea, un model neuronal 3D DA derivat de la un pacient PD cu mutația LRRK2 G2019S, care a prezentat semne de disfuncție mitocondrială și morfologie alterată, diferențiere și complexitate de ramificare scăzută și moarte celulară prematură crescută la neuronii tineri în comparație cu liniile de control izogenic; unele dintre aceste perturbări au fost salvate prin administrarea inhibitorului LRRK2 2 (Inh2).

Cu toate acestea, este important de remarcat diferitele limitări care au fost raportate în utilizarea modelelor organoide 3D, în special referitoare la modul spontan și necontrolat de creștere și diferențiere celulară care contribuie la variabilitatea interexperimentală.

Dependența de auto-asamblare spontană în modelele organoide poate duce la variații de la model la model, inclusiv proporții eterogene ale celulelor, orientarea spațială și fenotipul bolii, făcând reproductibilitatea o preocupare proeminentă în modelele 3Dco-cultura și organoide.195

Progresele recente arată, totuși, îmbunătățiri ale reproductibilității modelelor organoide 3D196, variabilitatea identităților celulelor terminale rămâne195 și se anticipează progrese continue.

Sisteme de co-cultură. Progresele biotehnologice recente au permis generarea de schele tridimensionale sofisticate care permit celulelor derivate din hiPSC să crească în modele bazate pe cocultură, ceea ce facilitează o abordare mai controlată în comparație cu organoizii discutați mai sus, în special în ceea ce privește tipul de celule, maturarea, compoziția și expunerea omogenă a celulelor.197

Modelele existente pe bază de co-cultură includ modele de motoneuroni și joncțiunea neuromusculară derivate de la pacienții cu SLA; 180 de neuroni DA de la pacienți cu PD cu mutații cunoscute (de exemplu, LRRK2194); modele tricelulare de neuroni, astrocite și microglia care modelează mediul neuroinflamator AD;198 și țesutul muscular scheletic.199

Aceste modele oferă cercetătorilor instrumente îmbunătățite pentru a investiga rolul organizației țesuturilor spațiale-celulă-celulă și conexiunile celulă-matrice, care joacă un rol major în patogeneza NDD. Un studiu recent realizat de Blanchard și colab.200 a construit un model de co-cultură 3D derivat din hiPSC al BBB, compus din celule endoteliale ale creierului, astrocite și pericite, pentru a modela patologiile legate de AD cu fidelitate ridicată.

Acest model 3D a dezvăluit un rol cheie al pericitelor în celulele derivate din APOEε4-, care au prezentat o acumulare BBB crescută de peptide Ab și amiloid fibrilă ca urmare a semnalizării pericitelor calcineurinei NFAT crescute.

200 Park și colab.198 au dezvoltat, de asemenea, un model hiPSC 3D tri-cultură AD compus din neuroni, astrocite și microglia într-o platformă microfluidică, care recapitulează cu succes caracteristicile distinctive AD, inclusiv acumularea de tau fosforilat de agregate de Ab, precum și caracteristici neuroinflamatorii, cum ar fi recrutare microglială, eliberare de oxid nitric și stres oxidativ ulterior.

Deși sistemele de co-cultură 3D urmăresc să depășească limitările menționate mai sus observate în modelele organoide, ele prezintă, de asemenea, și retrogradări inerente. Modelele actuale derivate din hiPSC generează rețele neuronale cărora le lipsesc caracteristicile critice ale țesutului cerebral pe care doresc să le reprezinte, inclusiv lipsa vascularizării și circulația necesară a nutrienților și îndepărtarea deșeurilor metabolice201 și o variabilitate în generarea de proporții reprezentative din punct de vedere biologic de celule neuronale și gliale. populații, caracteristici care sunt puncte forte discutabile în utilizarea culturilor organoide 3D.

În plus, modelele de co-cultură 3D necesită schele artificiale și însămânțarea secvențială a celulelor, în timp ce modelele organoide s-au dezvoltat mai „natural”. Cu toate acestea, utilizarea co-culturii derivate din hiPSC nu permite doar cercetătorilor să investigheze rolul activ al fiecărui tip de celulă în generarea caracteristicilor bolii AD și PD, ci și interacțiunea celulelor derivate din diferite genotipuri, evidențiind setul de instrumente revoluționar pe care îl reprezintă hiPSC-urile în studiul temolecular al NDD-urilor.

Avantajele și limitările modelelor in vitro bazate pe hiPSC sunt explorate mai detaliat în secțiunea următoare.

For more information:1950477648nn@gmail.com