Vanusega seotud neurodegeneratiivsete haiguste prekliiniliste uuringute edenemise tee: näriliste ja HiPSC-st pärinevate mudelite vaatenurk, 4. osa

PD hiPSC-st tuletatud in vitro mudelid on samuti olnud väga informatiivsed patofüsioloogilise progresseerumise selgitamisel, mis on seotud perekondlike PD mutatsioonidega patsientidelt saadud hiPSC DA neuronaalsetes mudelites.

PD on neurodegeneratiivne haigus, millel on tavaliselt teatav mõju patsiendi mälule ja kognitiivsetele võimetele. Kaasaegse meditsiini pideva arenguga saame aga kasutada erinevaid meetodeid, mis aitavad patsientidel head mälu säilitada.

Esiteks võib regulaarne treenimine parandada PD patsientide kognitiivseid võimeid ja mälu. Treening võib soodustada aju närvirakkude vereringet ja aju toitumist, mis aitab säilitada sidet ja koordinatsiooni erinevate ajuosade vahel, parandades seeläbi üldist kognitiivset taset.

Teiseks on dieet ka PD patsientide mälu parandamise võti. Kiudainerikas, madala rasvasisaldusega ja madala kolesteroolisisaldusega dieet on aju tervise säilitamise võti. See dieet võib soodustada vereringet ajus ja pakkuda tervislikke toitaineid, mis võivad kaitsta neuroneid ja aeglustada PD progresseerumist.

Lõpuks on positiivne suhtumine ja korralik puhkus ka PD patsientide mälu parandamise võti. Kuigi PD annab kehale ja vaimule teatud hoobi, siis kui suudad säilitada optimistliku hoiaku ja end veidi puhata, saad leevendada vaimset ja psühholoogilist pinget ning säilitada paremini mälu.

Lühidalt öeldes, kuigi PD mõjutab mälu, ei tähenda see, et me ei saaks muudatusi teha. Õige treeningu, dieedi ja psühholoogilise juhtimise abil saavad PD patsiendid säilitada teatud kognitiivsete võimete ja mälu taseme. On näha, et me peame parandama mälu ja Cistanche võib oluliselt parandada mälu, sest Cistanche on traditsiooniline Hiina ravimmaterjal, millel on palju ainulaadseid toimeid, millest üks on mälu parandamine. Cistanche toime tuleneb selles sisalduvatest erinevatest toimeainetest, sealhulgas parkhape, polüsahhariidid, flavonoidglükosiidid jne. Need koostisosad võivad aju tervist mitmel viisil edendada.

Klõpsake nuppu Tea 10 viisi mälu parandamiseks

Näiteks näitasid LRRK2 GS2019S mutatsiooniga patsiendi hiPSC-st pärinevad neuronid haigusega seotud raku fenotüüpe, sealhulgas suurenenud haavatavust oksüdatiivse stressi suhtes170 ning neuriitide pikkuse ja arvu vähenemist.171

Teiste näidete hulka kuuluvad hiPSC-st pärinevad DA-neuronid, mis on saadud patsientidelt, kellel oli PARK2 mutatsioon, millel ilmnes mitokondriaalne düsfunktsioon ja oksüdatiivse stressi morfoloogia172, ning hiPSC-st pärinevad neuronid, millel on A53T mutatsioon ja SNCA kolmekordistus, millel on iseloomulikud tunnused ja a-syna3 agregaatide kuhjumine.

Veelgi enam, mitmed uuringud parandasid neid haiguse fenotüüpe sekkumiste abil, mille eesmärk oli korrigeerida muteerunud geeni, sealhulgas LRRK2,174PINK1,175 SNCA,140,176 ja GBA1.177 Sellised mudelid näitavad hiPSC-tehnoloogia kasulikkust uudsete ravimisihtmärkide tuvastamisel ja valideerimisel ning annavad tõestust selle kohta, et geeniteraapia lähenemisviiside jaoks.

Erinevate NDD-de hiPSC-st tuletatud mudeleid on sellest ajast alates laiendatud mitmesugustele erinevatele ühiskultuuri 2D- ja 3D-konfiguratsioonidele, laiendades modulaarsust ja potentsiaalseid alusuuringuid ja prekliinilisi rakendusi.

HiPSC-st tuletatud NDD mudelite2D ühe- ja ühiskultuuri rakumudelite praegused konfiguratsioonid

Viimase kümnendi jooksul on avaldatud märkimisväärne hulk töid, milles on kasutatud hiPSC-st tuletatud üksikutest rakutüüpidest koosnevaid 2D-kultuure. Need üksikute rakutüüpi mudelid on olnud informatiivsed üksikute rakupopulatsioonide rolli avastamisel NDD-des, nagu spinaalne lihasatroofia, 178 179 AD, PD ja amüolateraalne skleroos (ALS)180 (joonis 1), ning lisaks on võimaldanud suuremat. arusaam sellest, kuidas haigusega seotud geenid toimivad bioloogilisel tasemel, et mõjutada raku häireid.

AD-uuringutes on värvatud hiPSC rakumudelid, et paremini mõista geneetiliste polümorfismide ja mutatsioonide rolli üksikutes rakupopulatsioonides ning seda, kuidas need võivad haigusi kaasa aidata või mõjutada. HiPSC-põhises AD-mudelis Kondo et al.181

täheldati suurenenud Ab oligomeeri akumulatsiooni, mis on seotud suurenenud endoplasmaatilise retikulumi düsfunktsiooniga ja oksüdatiivse stressiga hiPSC-st pärinevates neuronites ja astrotsüütides, mis saadi APP E693D mutatsiooni sisaldavatest sAD- ja fAD-patsientidest. HiPSC-st tuletatud 2D-individuaalsed mudelid on näidanud suurt väärtust ka APOEε4, AD suurima ja replitseeritavama geneetilise riskifaktori geneetilise panuse uurimisel erinevates närvirakkude mudelites.182

Lin ja kolleegid183 kasutasid 2D kultuure, et paljastada, et isogeensetel hiPSC-st tuletatud APOEε4 astrotsüütidel on ulatuslikud muutused geeniekspressioonis, mis on seotud kolesterooli akumulatsiooni ja Ab42 internaliseerimisega, mis mõlemad on astrotsüütide kriitilised homöostaatilised funktsioonid isogeensete APOEε3 rakkude suhtes. Lisaks näitasid isogeensed ε4 astrotsüüdid vähenenud võimet ekspresseerida ja sekreteerida APOE-d, mille tulemuseks oli lipidatsiooni vähenemine.

Suurenenud neuriitide kasv neuronites nii pikkuses kui ka arvus, lisaks suurenenud Ab sekretsioonile leiti, et nendes mudelites on patogeenseks panuseks ka isogeensed APOEε4 neuronid.183

Genereerides APOEε3 ja APOEε4 alleelide suhtes isogeensetest neurotüüpsetest indiviididest saadud astrotsüütide kultuure, leidsid Zhao jt 161, et APOEε4 astrotsüütidel oli madalam APOE lipidatsioonistaatus võrreldes tervete APOEε3 kontrollidega, rõhutades veelgi sellistest mudelitest saadud teadmisi.

2D-kooskultuuride kasutamine on võimaldanud uurida ka APOEε4 üksikute rakupopulatsioonide ja raku-rakkude interaktsioonide kontekstis ning kuidas need võivad kaasa aidata AD patogeneesile.

Ülaltoodud katset jätkates, hiPSC-st pärinevate APOEε4 astrotsüütide ja neuronite kooskultuurimisel kahjustati neuronite morfoloogilist ja funktsionaalset terviklikkust ning ilmnes küpsemise pärssimine võrreldes nende isogeensete ε3 kontrollidega.161

Erinevate neuronaalsete ja gliiarakkude vastastikune mõju mängib AD ja PD arengus ja progresseerumises kriitilist rolli, kasutades seega hiPSC-tehnoloogiat, et luua raku-raku interaktsioone jäljendavaid in vitro mudeleid, ning raku mikrokeskkond on osutunud väga informatiivseks.

2D ainsuse ja kaaskultuuri mudelite eeliseid on sarnaselt realiseeritud ka mitmete PD-d põhjustavate mutatsioonide panuse uurimisel haigustega seotud raku fenotüüpidesse, nagu rakkude elujõulisuse vähenemine ja mitokondriaalne düsfunktsioon.

Seda näitasid esmalt nutikalt Nguyen jt,170 kes näitasid, et PD-patsientidelt saadud LRRK2 G2019S mutatsiooniga hiPSCneuronaalsed mudelid näitasid suurenenud a-syn taset, oksüdatiivse stressireaktsiooniga seotud geenide ülesreguleerimist, samuti suurenenud vastuvõtlikkust H2O{{ 6}}indutseeritud oksüdatiivne stress ja rakusurm.

Sarnaselt hindasid Sánchez-Danés jt 171 autofagia muutusi DA-neuronites, mis tulenesid PD-ga patsiendi hiPSC-st, mis ei sisalda LRRK2 G2019S mutatsiooni, ja täheldasid kõrgenenud a-sünandi autofagilist düsfunktsiooni.

Parem arusaam sellest, kuidas rakulised interaktsioonid patofüsioloogiat toetavad, on saavutatud hiPSC-st tuletatud ühiskultuuri mudelisüsteemidega. Näiteks näidati, et hiPSC-st saadud astrotsüütidel on kaitsev kasu PD patsientidelt saadud kokultiveeritud närvi eellasrakkudes (NPC-d) pärast kokkupuudet mitokondriaalsete toksiinide, rotenooni ja kaaliumtsüaniidiga, mida näitas diferentseerumise defitsiidi ja mitokondriaalse düsfunktsiooni päästmine.184

Teises uuringus kasutati neuronite ja astrotsüütide kaaskultuure, et uurida PD-d põhjustava LRRK2G2019S mutatsiooni mõju neuronite ja astrotsüütide läbirääkimisele. Autorid teatasid, et kontroll-hiPSC-st pärinevate DA-neuronite ja G2019S-mutatsiooni kandvate patsientidest pärinevate astrotsüütide kooskultuur kutsus esile neurodegeneratsiooni ja a-syn-i akumulatsiooni DA-neuronites.185

See uuring näitas kaaskultuuride kasulikkust geenivariandi / mutatsiooni erinevate kombinatsioonide uurimisel rakutüüpide kaupa, et paljastada raku-raku interaktsioon ja rakutüüp / rakutüübid, mis avaldavad haigusega seotud variantide patogeenset toimet.

Kuid 2D-kooskultuurid moodustavad mikrokeskkonna erinevate ajurakutüüpide interaktsioonide jaoks ja nende võime modelleerida aju kui kolmemõõtmelise koe keerukust on endiselt piiratud ning neil on translatsiooni tähtsuses loomupärased takistused.

3D-hiPSC-st tuletatud mudelid

Arenevad tehnoloogiad on võimaldanud teadlastel hakata looma ja hindama 3D-hiPSC-st tuletatud NDD-mudeleid, sealhulgas kaaskultuure ja organoide, mis on nii biokeemiliselt kui ka füsioloogiliselt vastupidavad. Organoidmudelid. Inimese aju 3D organoidmudelid on suunatud inimese aju keeruka ruumilise korralduse võimalikult täpselt tabamisele in vitro mudelis.

Need hiPSC-dest saadud ajuorganoidid on iseorganiseeruvad ja isekujunevad 3D-kujulised. Lisaks üldistele epigenoomilistele ja transkriptsioonilistele signatuuridele186,187 peegeldavad 3D organoidmudelite füsioloogilised omadused, nagu neuronaalne reageerimine glutamaadile, instinktiivne Ca2+ signaaliülekanne ja rakkude küpsemise fenotüüpide areng, täpselt ka inimese ajukude. .188–190

Hiljutised uuringud on loonud ja iseloomustanud AD ja PD 3D hiPSC-st tuletatud mudeleid, millel on patoloogilised tunnused väga reprodutseeritaval viisil.

Näiteks Gonzalez jt 191 töötasid välja AD-aju organoidmudeli, mis näitas naastulaadsete struktuuride ja amüloidogeensete omadustega Ab-peptiidi järkjärgulist akumuleerumist, samuti fosforüülitud tau ja NFT-de ilmumist.

Linet al.183 laiendas neid leide, lisades isogeensed APOEε3- või APOEε4-mikrogliialaadsed rakud varem loodud ajuorganoididesse, mida kasvatati AD-ga seotud APP dubleerimismutatsiooni sisaldavatest hiPSC-dest, ja täheldas protsessi märkimisväärselt pikka moodustumist. APOEε4 mikrogliia sarnastes rakkudes võrreldes APOEε3 kontrollidega, mis viitab sensoorsete ja reageerimisvõimete piiratud võimele ekstratsellulaarsele Ab-le.

Viimati genereerisid Zhao jt 192 aju organoidmudelid, kasutades hiPSC-sid, mis pärinesid AD patsientidest ja tervetest kontrollidest, kes kandsid erinevaid APOE genotüüpe. APOEε4 organoidmudel näitas haigusega seotud fenotüüpe võrreldes erinevalt doonorilt saadud APOEε3 organoidiga ja APOEε4 liini genoomi redigeerimisel loodud isogeense APOEε3 organoidmudeliga.

APOEε4 genotüübi kahjulik mõju organoidmudelis võttis kokku peamised AD patoloogilised tunnused, sealhulgas sünaptilise terviklikkuse kaotus, apoptootiline rakusurm, Ab ja fosforüülitud tau akumulatsioon ning lahustuva APOE taseme tõus, näidates seega süsteemi sobivust mitte-fAD modelleerimiseks.

Lisaks pakuvad need tulemused täiendavat tuge APOEε4 patogeensele rollile AD-s ja selle potentsiaalile AD-s ravitava sihtmärgina.192 Samamoodi genereeris Smitset al.193 PD funktsionaalse keskaju DA organoidmudeli, mis tulenes LRRK GS2019 mutatsiooni sisaldavast PD patsiendi koest.

See organoidmudel tootis ja sekreteeris DA-d ning näitas edukalt organoidides sellega seotud iseloomulikke patoloogiaid, nagu keskaju DA neuronite vähenenud kogus ja keerukus193. Siiski ei olnud LRRK mutatsiooni korrigeeriv GT-lähenemine selles mudelis haiguse fenotüüpide leevendamiseks piisav.

Bologninet al.194 lõi ka 3D DA neuronaalse mudeli, mis pärineb LRRK2 G2019S mutatsiooniga PD-patsiendilt, millel ilmnesid mitokondriaalse düsfunktsiooni ja muutunud morfoloogia tunnused, vähenes DA-diferentseerumine ja hargnemise keerukus ning kõrgem enneaegne rakkude surm noorte neuronite kontrollliinidega võrreldes; mõned neist häiretest päästeti LRRK2 inhibiitori 2 (Inh2) manustamisega.

Siiski on oluline märkida erinevaid piiranguid, millest on teatatud 3D-orgaaniliste mudelite kasutamisel, eriti mis on seotud rakkude kasvu ja diferentseerumise spontaanse ja kontrollimatu viisiga, mis aitab kaasa eksperimentidevahelisele varieeruvusele.

Spontaanse iseseadumise sõltuvus organoidmudelites võib põhjustada mudelite vahelisi variatsioone, sealhulgas heterogeenseid rakkude proportsioone, ruumilist orientatsiooni ja haiguse fenotüüpi, mistõttu on reprodutseeritavus 3D-ko-kultuuri ja organoidmudelite puhul oluline probleem.195

Hiljutised edusammud näitavad siiski 3D-orgaaniliste mudelite reprodutseeritavuse paranemist, terminaalsete rakkude identiteedi varieeruvus on säilinud195 ja oodata on jätkuvat arengut.

Ühiskultuuri süsteemid. Hiljutised biotehnoloogilised edusammud on võimaldanud luua keerukaid kolmemõõtmelisi karkassi, mis võimaldavad hiPSC-st pärinevatel rakkudel kasvada kaaskultuuripõhistes mudelites, mis hõlbustab kontrollitumat lähenemist võrreldes ülalkirjeldatud organoididega, eriti rakutüübi, küpsemise, koostise ja rakkude homogeenne kokkupuude.197

Olemasolevad ühiskultuuril põhinevad mudelid hõlmavad motoneuronite ja neuromuskulaarse ristmiku mudeleid, mis on saadud ALS-i patsientidelt; 180 DA-neuronit PD-ga patsientidelt, kellel on teadaolevad mutatsioonid (nt LRRK2194); neuronite, astrotsüütide ja mikrogliia kolmerakulised mudelid, mis modelleerivad neuroinflammatoorset AD keskkonda;198 ja skeletilihaskoe.199

Need mudelid pakuvad teadlastele täiustatud tööriistu, et uurida ruumilise koeorganisatsiooni-raku-raku ja raku-maatriksi ühenduste rolli, mis mängivad NDD patogeneesis olulist rolli. Hiljutises Blanchardi jt uuringus 200 konstrueeriti hiPSC-st tuletatud BBB 3D kaaskultuuri mudel, mis koosneb aju endoteelirakkudest, astrotsüütidest ja peritsüütidest, et modelleerida AD veresoontega seotud patoloogiaid suure täpsusega.

See 3D-mudel paljastas peritsüütide võtmerolli APOEε4--tuletatud rakkudes, mis näitasid suurenenud NFAT-kaltsineuriini peritsüütsignaali edastamise tõttu Ab-peptiidide ja fibrillide amüloidi BBB-s suurenenud akumulatsiooni.

200 Park et al.198 töötasid välja ka hiPSC 3D trikultuuri AD mudeli, mis koosneb neuronitest, astrotsüütidest ja mikrogliiast mikrofluidsel platvormil, mis võtab edukalt kokku iseloomulikud AD omadused, sealhulgas Ab agregaatide fosforüülitud tau kogunemine, aga ka neuroinflammatoorsed tunnused, nagu mikrogliia värbamine, lämmastikoksiidi vabanemine ja sellele järgnev oksüdatiivne stress.

Kuigi 3D-kooskultuurisüsteemide eesmärk on ületada ülalnimetatud organoidmudelites täheldatud piirangud, on neil ka tagasilööke. Praegused hiPSC-st tuletatud mudelid genereerivad neuronaalseid võrgustikke, millel puuduvad ajukoe kriitilised tunnused, mida nende eesmärk on esindada, sealhulgas vaskularisatsiooni ja toitainete vajaliku ringluse puudumine ja metaboolsete jäätmete eemaldamine201 ning varieeruvus neuronaalsete ja gliiarakkude bioloogiliselt representatiivsete proportsioonide tekitamisel. populatsioonid, omadused, mis on 3D-orgaaniliste kultuuride kasutamisel vaieldavad tugevused.

Lisaks nõuavad 3D-kooskultuuri mudelid kunstlikke tellinguid ja rakkude järjestikust külvamist, samas kui organoidmudelid on välja töötatud "loomulikult". Sellegipoolest võimaldab hiPSC-st tuletatud kaaskultuuride kasutamine teadlastel mitte ainult uurida iga rakutüübi aktiivset rolli AD ja PD haiguse tunnuste genereerimisel, vaid ka erinevatest genotüüpidest saadud rakkude koostoimet, tuues esile revolutsioonilise tööriistakomplekti, mida hiPSC-d esindavad. NDD-de molekulaarne uuring.

HiPSC-põhiste in vitro mudelite eeliseid ja piiranguid käsitletakse üksikasjalikumalt järgmises jaotises.

For more information:1950477648nn@gmail.com