De weg naar vooruitgang in preklinisch onderzoek naar leeftijdsgebonden neurodegeneratieve ziekten: een perspectief op knaagdier- en HiPSC-afgeleide modellen, deel 4

Van hiPSC afgeleide in vitro modellen van Parkinson zijn ook zeer informatief geweest bij het ophelderen van de pathofysiologische progressie die verband houdt met familiale PD-mutaties in van patiënten afkomstige hiPSC DA-neuronale modellen.

PD is een neurodegeneratieve ziekte die doorgaans een bepaalde invloed heeft op het geheugen en het cognitieve vermogen van de patiënt. Met de voortdurende vooruitgang van de moderne geneeskunde kunnen we echter verschillende methoden gebruiken om patiënten te helpen een goed geheugen te behouden.

Ten eerste kan regelmatige lichaamsbeweging het cognitieve vermogen en het geheugen van Parkinson-patiënten verbeteren. Lichaamsbeweging kan de bloedcirculatie en hersenvoeding van zenuwcellen in de hersenen bevorderen, wat helpt de verbinding en coördinatie tussen verschillende delen van de hersenen in stand te houden, waardoor het algehele cognitieve niveau wordt verbeterd.

Ten tweede is voeding ook de sleutel tot het verbeteren van het geheugen van Parkinson-patiënten. Een vezelrijk, vetarm en cholesterolarm dieet is de sleutel tot het behoud van de gezondheid van de hersenen. Dit dieet kan de bloedcirculatie in de hersenen bevorderen en zorgen voor gezonde voedingsstoffen, die neuronen kunnen beschermen en de progressie van de ziekte van Parkinson kunnen vertragen.

Ten slotte zijn een positieve houding en voldoende rust ook de sleutel tot het verbeteren van het geheugen van Parkinson-patiënten. Hoewel Parkinson een zekere klap voor lichaam en geest zal veroorzaken, kunt u, als u een optimistische houding aanhoudt en uzelf wat rust gunt, mentale en psychologische stress verlichten en uw geheugen beter onderhouden.

Kortom, hoewel Parkinson invloed zal hebben op het geheugen, betekent dit niet dat we geen veranderingen kunnen aanbrengen. Door de juiste lichaamsbeweging, voeding en psychologisch management kunnen Parkinson-patiënten een bepaald niveau van cognitieve vaardigheden en geheugen behouden. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche kan het geheugen aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche een traditioneel Chinees medicinaal materiaal is met veel unieke effecten, waaronder het verbeteren van het geheugen. Het effect van Cistanche komt van de verschillende actieve ingrediënten die het bevat, waaronder looizuur, polysachariden, flavonoïde glycosiden, enz. Deze ingrediënten kunnen op verschillende manieren de gezondheid van de hersenen bevorderen.

Klik op 10 manieren kennen om het geheugen te verbeteren

HiPSC-afgeleide neuronen van een patiënt met de LRRK2 GS2019S-mutatie vertoonden bijvoorbeeld ziektegerelateerde cellulaire fenotypes, waaronder een verhoogde kwetsbaarheid voor oxidatieve stress170 en een verminderde lengte en aantal neurieten.171

Andere voorbeelden zijn onder meer van hiPSC afgeleide DA-neuronen verkregen van patiënten met de PARK2-mutatie die mitochondriale dysfunctie en oxidatieve stressmorfologie vertoonden en van hiPSC afkomstige neuronen met de A53T-mutatie en de SNCA-triplicatie die kenmerkende verhoging en accumulatie van a-syn-aggregaten vertonen.173

Bovendien verbeterden verschillende onderzoeken deze ziektefenotypen door interventies gericht op het corrigeren van het gemuteerde gen, waaronder LRRK2,174PINK1,175 SNCA,140,176 en GBA1.177 Dergelijke modellen demonstreren het nut van hiPSC-technologie bij de identificatie en validatie van nieuwe medicijndoelen en leveren een proof of concept. voor gentherapiebenaderingen.

Van hiPSC afgeleide modellen voor verschillende NDD's zijn sindsdien uitgebreid naar een verscheidenheid aan verschillende co-cultuur 2D- en 3D-configuraties, waardoor de modulariteit en het potentiële basisonderzoek en preklinische toepassingen zijn verbreed.

Huidige configuraties van van hiPSC afgeleide NDD-modellen2D enkele en co-cultuur celmodellen

De afgelopen tien jaar is er een aanzienlijke hoeveelheid werk gepubliceerd waarin gebruik wordt gemaakt van 2D-culturen bestaande uit van hiPSC afgeleide enkelvoudige celtypen. Deze modellen van een enkel celtype zijn informatief geweest bij het blootleggen van de rol van individuele celpopulaties bij NDDs, zoals spinale musculaire atrofie, AD, PD en amyolaterale sclerose (ALS) (Figuur 1), en hebben bovendien een grotere ontwikkeling mogelijk gemaakt. inzicht in hoe ziekte-geassocieerde genen op biologisch niveau cellulaire verstoringen beïnvloeden.

hiPSC-cellulaire modellen zijn gerekruteerd in AD-onderzoek om de rol van genetische polymorfismen en mutaties in individuele celpopulaties beter te begrijpen en hoe deze kunnen bijdragen aan of invloed hebben op ziekten. In een op hiPSC gebaseerd AD-model, Kondo et al.181

waargenomen verhoogde Ab-oligomeeraccumulatie gekoppeld aan verhoogde endoplasmatisch reticulumdisfunctie en oxidatieve stress in van hiPSC afkomstige neuronen en astrocyten verkregen van sAD- en fAD-patiënten die de APP E693D-mutatie bevatten. Van hiPSC afgeleide individuele 2D-modellen hebben ook grote waarde getoond bij het bestuderen van de genetische bijdragen van APOEε4, de grootste en meest repliceerbare genetische risicofactor voor AD, in een verscheidenheid aan neurale celmodellen.182

Lin en collega's183 gebruikten 2D-culturen om te ontdekken dat isogene, van hiPSC afgeleide APOEε4-astrocyten grootschalige veranderingen vertonen in genexpressie met betrekking tot cholesterolaccumulatie en internalisatie van Ab42, die beide kritische homeostatische functies zijn van astrocyten, vergeleken met isogene APOEε3-cellen. Bovendien vertoonden isogene ε4-astrocyten een verminderd vermogen om APOE tot expressie te brengen en uit te scheiden, wat resulteerde in verminderde lipidatie.

Verbeterde neurietgroei in zowel lengte als aantal in neuronen, naast verbeterde Ab-secretie, bleken inisogene APOEε4-neuronen ook een pathogene bijdrage te zijn in deze modellen.183

Bij het genereren van astrocytenculturen verkregen van neurotypische individuen die isogeen zijn voor de APOEε3- en APOEε4-allelen, ontdekten Zhao et al.161 dat APOEε4-astrocyten een lagere APOE-lipidatiestatus vertoonden vergeleken met de gezonde APOEε3-controles, wat het inzicht verkregen uit dergelijke modellen verder benadrukt.

Het gebruik van 2D-co-culturen heeft ook de studie van APOEε4 mogelijk gemaakt in de context van individuele celpopulaties en cel-cel-interacties en hoe deze kunnen bijdragen aan de pathogenese van AD.

Voortbouwend op het bovenstaande experiment, werd bij het co-kweken van van hiPSC afgeleide APOEε4-astrocyten met neuronen de morfologische en functionele integriteit van neuronen aangetast en werd remming van de rijping aangetoond in vergelijking met hun isogene ε3-controles.161

Het samenspel tussen verschillende neuronale en gliale cellen speelt een cruciale rol in de ontwikkeling en progressie van AD en PD, waarbij gebruik wordt gemaakt van de hiPSC-technologie om in vitro modellen op te zetten die cel-cel-interacties nabootsen, en de cellulaire micro-omgeving is zeer informatief gebleken.

Het voordeel van 2D enkelvoudige en co-cultuurmodellen is op vergelijkbare wijze gerealiseerd bij het bestuderen van de bijdrage van verschillende PD-veroorzakende mutaties aan ziektegerelateerde cellulaire fenotypes, zoals verminderde cellevensvatbaarheid en mitochondriale dysfunctie.

Dit werd voor het eerst aangetoond in een onderzoek door Nguyen et al.,170 die aantoonden dat van PD-patiënten afgeleide hiPSC-neuronale modellen met de LRRK2 G2019S-mutatie verhoogde a-syn-niveaus vertoonden, een opregulatie van genen die betrokken zijn bij oxidatieve stressrespons, evenals een verhoogde gevoeligheid voor H2O. 6}}geïnduceerde oxidatieve stress en celdood.

Op dezelfde manier evalueerden Sánchez-Danés et al.171 veranderingen in autofagie in DA-neuronen afgeleid van de hiPSC van Parkinson-patiënten die de LRRK2 G2019S-mutatie misten en waargenomen verhoogde a-synand-autofagische disfunctie.

Een beter begrip van hoe cellulaire interacties de pathofysiologie ondersteunen is bereikt met van hiPSC afgeleide co-cultuurmodelsystemen. Van hiPSC-afgeleide astrocyten is bijvoorbeeld aangetoond dat ze een beschermend voordeel uitoefenen in gezamenlijk gekweekte neurale voorlopercellen (NPC's) verkregen van Parkinson-patiënten na blootstelling aan de mitochondriale toxinen, rotenon en kaliumcyanide, aangetoond door het redden van differentiatietekorten en mitochondriale dysfunctie.184

Een ander onderzoek maakte gebruik van neuron-astrocyt-co-culturen om de impact van de PD-veroorzakende LRRK2G2019S-mutatie op neuron-astrocyt-overspraak te onderzoeken. De auteurs rapporteerden dat co-cultuur van controle-hiPSC-afgeleide DA-neuronen met van de patiënt afkomstige astrocyten die de G2019S-mutatie dragen, neurodegeneratie en accumulatie van a-syn in de DA-neuronen induceerde.185

Deze studie illustreerde het nut van co-culturen bij het onderzoek van verschillende combinaties van de genvariant/mutatie door celtypen om cel-celinteractie en de celtypen die het pathogene effect van ziekte-geassocieerde varianten uitoefenen, bloot te leggen.

De 2D-co-culturen vormen echter een micro-omgeving voor interacties tussen verschillende typen hersencellen en zijn nog steeds van nature beperkt in hun vermogen om de complexiteit van de hersenen als een driedimensionaal weefsel te modelleren en bezitten als zodanig inherente obstakels in de relevantie van de vertaling.

3D-hiPSC-afgeleide modellen

Opkomende technologieën hebben onderzoekers in staat gesteld om 3D-hiPSC-afgeleide modellen van NDD's te genereren en te beoordelen, inclusief co-culturen en organoïden, die zowel biochemisch als fysiologisch robuust zijn. 3D-organoïdemodellen van het menselijk brein zijn erop gericht de complexe ruimtelijke organisatie van het menselijk brein zo goed mogelijk vast te leggen in een in vitro-model.

Deze hersenorganoïden, verkregen uit hiPSC's, zijn zelfgeorganiseerd en zelfvormend 3D. Naast hun algemene epigenomische en transcriptionele kenmerken186.187 is ook aangetoond dat de fysiologische eigenschappen van 3D-organoïdemodellen, zoals neuronale responsiviteit op glutamaat, instinctieve Ca2+-signalering en de ontwikkeling van cellulaire rijpingsfenotypes, nauw overeenkomen met menselijk hersenweefsel. .188–190

Recente onderzoeken hebben AD- en PD 3D-hiPSC-afgeleide modellen gegenereerd en gekarakteriseerd, waarvan is aangetoond dat ze pathologische kenmerken op een zeer reproduceerbare manier vertonen.

Gonzalez et al.191 ontwikkelden bijvoorbeeld een AD-hersenorganoïdemodel dat progressieve accumulatie van het Ab-peptide met plaque-achtige structuren en amyloïdogene eigenschappen vertoonde, evenals het verschijnen van gefosforyleerde tau en NFT's.

Linet al.183 breidde deze bevindingen uit door isogene APOEε3- of APOEε4-dragende microglia-achtige cellen te introduceren in eerder gevestigde cerebrale organoïden gekweekt uit hiPSC's die de AD-geassocieerde APP-duplicatiemutatie bevatten en observeerde een aanzienlijk lange procesvorming in de APOEε4 microglia-achtige cellen vergeleken met de APOEε3-controles, wat duidt op een beperkt vermogen in sensorische en responsieve vermogens op extracellulair Ab.

Meest recentelijk hebben Zhao et al.192 cerebrale organoïdemodellen gegenereerd met behulp van hiPSC's afkomstig van AD-patiënten en gezonde controles met verschillende APOE-genotypes. Het APOEε4 organoïdemodel vertoonde ziektegerelateerde fenotypes vergeleken met de APOEε3 organoïde afkomstig van een andere donor en het isogene APOEε3 organoïdemodel gecreëerd door genoombewerking van de APOEε4-lijn.

Het nadelige effect van het APOEε4-genotype in het organoïdemodel recapituleerde de belangrijkste pathologische kenmerken van AD, waaronder verlies van synaptische integriteit, apoptotische celdood, accumulatie van Ab en gefosforyleerde tau, en verhoogde oplosbare APOE-niveaus, waarmee de geschiktheid van het systeem voor het modelleren van niet-fAD werd aangetoond.

Bovendien bieden deze resultaten verdere ondersteuning voor de pathogene rol van APOEε4 in AD en zijn potentieel als medicijnbaar doelwit voor AD.192 Op dezelfde manier genereerde Smitset al.193 een functioneel DA-organoïde model van de middenhersenen van Parkinson, afgeleid van weefsel van Parkinson-patiënten dat de LRRK GS2019-mutatie bevat.

Dit organoïdemodel produceerde en scheidde DA af en vertoonde met succes geassocieerde kenmerkende pathologieën in organoïden, zoals een verminderde hoeveelheid en complexiteit van DA-neuronen in de middenhersenen. Een GT-benadering die de LRRK-mutatie corrigeerde was echter onvoldoende voor verbetering van ziektefenotypes in dit model.

Bologninet al.194 stelde ook een 3D DA-neuronaal model vast, afgeleid van een PD-patiënt met de LRRK2 G2019S-mutatie, dat tekenen vertoonde van mitochondriale disfunctie en veranderde morfologie, verminderde DA-differentiatie en vertakkingscomplexiteit, en verhoogde voortijdige celdood bij jonge neuronen in vergelijking met isogene controlelijnen; sommige van deze verstoringen werden verholpen door toediening van de LRRK2-remmer 2 (Inh2).

Het is echter belangrijk om de verschillende beperkingen op te merken die zijn gerapporteerd bij het gebruik van 3D-organoïdemodellen, met name met betrekking tot de spontane en ongecontroleerde manier van celgroei en differentiatie die bijdraagt ​​aan de interexperimentele variabiliteit.

De afhankelijkheid van spontane zelfassemblage in organoïdemodellen kan leiden tot variatie van model tot model, waaronder heterogene celverhoudingen, ruimtelijke oriëntatie en ziektefenotype, waardoor reproduceerbaarheid een prominente zorg wordt in 3Dco-cultuur- en organoïdemodellen.195

Recente ontwikkelingen laten echter verbeteringen zien in de reproduceerbaarheid in 3D-organoïdemodellen,196 de variabiliteit in terminale celidentiteiten blijft bestaan,195 en er wordt voortdurende vooruitgang verwacht.

Co-cultuursystemen. Recente biotechnologische ontwikkelingen hebben de generatie mogelijk gemaakt van geavanceerde driedimensionale steigers waarmee hiPSC-afgeleide cellen kunnen groeien in op co-cultuur gebaseerde modellen, die een meer gecontroleerde aanpak mogelijk maken vergeleken met de hierboven besproken organoïden, vooral met betrekking tot celtype, rijping, samenstelling en homogene blootstelling van de cellen.197

Bestaande op co-cultuur gebaseerde modellen omvatten modellen van motorneuronen en de neuromusculaire junctie afgeleid van ALS-patiënten;180 DA-neuronen van Parkinson-patiënten met bekende mutaties (bijv. LRRK2194); tricellulaire modellen van neuronen, astrocyten en microglia die de neuro-inflammatoire AD-omgeving modelleren;198 en skeletspierweefsel.199

Deze modellen bieden onderzoekers verbeterde hulpmiddelen om de rol van ruimtelijke weefselorganisatie-cel-cel- en cel-matrixverbindingen, die een belangrijke rol spelen in de pathogenese van NDD, te onderzoeken. Een recente studie door Blanchard et al.200 construeerde een uit hiPSC afgeleid 3D co-cultuurmodel van de BBB, bestaande uit endotheelcellen van de hersenen, astrocyten en pericyten, om AD-vasculair-gerelateerde pathologieën met hoge betrouwbaarheid te modelleren.

Dit 3D-model onthulde een sleutelrol van pericyten in van APOEε4-afgeleide cellen, die verhoogde BBB-accumulatie van Ab-peptiden en fibrillamyloïde vertoonden als gevolg van verhoogde NFAT-calcineurine-pericytesignalering.

200 Park et al.198 ontwikkelden ook een hiPSC 3D tri-cultureAD-model bestaande uit neuronen, astrocyten en microglia in een microfluïdisch platform, dat met succes de kenmerkende AD-kenmerken recapituleert, waaronder accumulatie van gefosforyleerde tau-ofAb-aggregaten, evenals neuro-inflammatoire kenmerken, zoals microgliale rekrutering, afgifte van stikstofmonoxide en daaropvolgende oxidatieve stress.

Hoewel 3D-co-cultuursystemen tot doel hebben de bovengenoemde beperkingen die in organoïdemodellen worden waargenomen te overwinnen, brengen ze ook tegenslagen met zich mee. De huidige, van hiPSC afgeleide modellen genereren neuronale netwerken die kritische kenmerken missen van het hersenweefsel dat ze willen vertegenwoordigen, waaronder een gebrek aan vascularisatie en de vereiste circulatie van voedingsstoffen en verwijdering van metabolisch afval,201 en een variabiliteit in het genereren van biologisch representatieve proporties van neuronale en gliale cellen. populaties, kenmerken die betwistbare sterke punten zijn bij het gebruik van 3D-organoïdeculturen.

Bovendien vereisen 3D-co-cultuurmodellen kunstmatige steigers en het opeenvolgend zaaien van cellen, terwijl organoïdemodellen zich op een meer 'natuurlijke' manier ontwikkelen. Desalniettemin stelt het gebruik van van hiPSC afgeleide co-culturen onderzoekers niet alleen in staat de actieve rol van elk celtype bij het genereren van AD- en PD-ziektekenmerken te onderzoeken, maar ook de interactie van cellen afgeleid van verschillende genotypen, wat de revolutionaire toolkit benadrukt die hiPSC's vertegenwoordigen in themoleculaire studie van NDD's.

De voordelen en beperkingen van op hiPSC gebaseerde in vitro modellen worden in de volgende sectie gedetailleerder onderzocht.

For more information:1950477648nn@gmail.com