Путь к прогрессу Доклинические исследования возрастных нейродегенеративных заболеваний: взгляд на модели, полученные из грызунов и HiPSC. Часть 4

Модели БП, полученные из hiPSC in vitro, также оказались высокоинформативными для выяснения патофизиологического прогрессирования, связанного с семейными мутациями БП, в нейронных моделях hiPSC DA, полученных от пациента.

БП — нейродегенеративное заболевание, которое обычно оказывает определенное влияние на память и когнитивные способности пациента. Однако благодаря постоянному развитию современной медицины мы можем использовать различные методы, которые помогут пациентам сохранить хорошую память.

Во-первых, регулярные физические упражнения могут улучшить когнитивные способности и память пациентов с БП. Упражнения могут способствовать кровообращению и питанию нервных клеток головного мозга, что помогает поддерживать связь и координацию между различными частями мозга, тем самым улучшая общий когнитивный уровень.

Во-вторых, диета также является ключом к улучшению памяти пациентов с БП. Диета с высоким содержанием клетчатки, низким содержанием жиров и холестерина является ключом к поддержанию здоровья мозга. Эта диета может улучшить кровообращение в мозге и обеспечить полезные питательные вещества, которые могут защитить нейроны и замедлить прогрессирование болезни Паркинсона.

Наконец, позитивный настрой и полноценный отдых также являются ключом к улучшению памяти пациентов с БП. Хотя БП нанесет определенный удар по телу и разуму, если вы сможете сохранить оптимистичный настрой и немного отдохнуть, вы сможете снять умственное и психологическое напряжение и лучше сохранить свою память.

Короче говоря, хотя БП и будет влиять на память, это не означает, что мы не можем внести изменения. Благодаря правильным упражнениям, диете и психологическому управлению пациенты с БП могут поддерживать определенный уровень когнитивных способностей и памяти. Видно, что нам необходимо улучшить память, а цистанхе может значительно улучшить память, потому что цистанхе – это традиционное китайское лекарственное вещество, обладающее множеством уникальных эффектов, одним из которых является улучшение памяти. Эффект Cistanche обусловлен различными содержащимися в нем активными ингредиентами, в том числе дубильной кислотой, полисахаридами, флавоноидными гликозидами и т. д. Эти ингредиенты могут способствовать здоровью мозга различными способами.

Нажмите «Узнай 10 способов улучшить память»

Например, нейроны, полученные из hiPSC от пациента с мутацией LRRK2 GS2019S, демонстрировали связанные с заболеванием клеточные фенотипы, включая повышенную уязвимость к окислительному стрессу170 и уменьшение длины и количества нейритов.171

Другие примеры включают DA-нейроны, происходящие из hiPSC, полученные от пациентов с мутацией PARK2, у которых наблюдалась митохондриальная дисфункция и морфология окислительного стресса172, а также нейроны, происходящие из hiPSC, с мутацией A53T и трипликацией SNCA, которые демонстрируют характерное повышение и накопление агрегатов a-син.173

Более того, несколько исследований улучшили фенотипы этих заболеваний с помощью вмешательств, направленных на коррекцию мутировавшего гена, включая LRRK2,174PINK1,175 SNCA,140,176 и GBA1.177 Такие модели демонстрируют полезность технологии hiPSC для идентификации и проверки новых мишеней лекарственных препаратов и обеспечивают доказательство концепции. для подходов генной терапии.

Модели, полученные на основе hiPSC для различных NDD, с тех пор были расширены до множества различных 2D- и 3D-конфигураций совместного культивирования, расширяя модульность и потенциальные возможности фундаментальных исследований и доклинических приложений.

Текущие конфигурации моделей NDD, полученных из hiPSC. 2D модели одиночных и совместных клеток.

За последнее десятилетие было опубликовано значительное количество работ с использованием 2D-культур, состоящих из отдельных типов клеток, полученных из hiPSC. Эти модели одноклеточных типов оказались информативными для выявления роли отдельных популяций клеток в таких заболеваниях, как спинальная мышечная атрофия, 178,179 БА, БП и амиолатеральный склероз (АЛС) 180 (рис. 1), а также позволили получить более глубокие знания. понимание того, как гены, связанные с заболеваниями, действуют на биологическом уровне, влияя на клеточные возмущения.

Клеточные модели hiPSC были задействованы в исследованиях AD, чтобы лучше понять роль генетических полиморфизмов и мутаций в отдельных популяциях клеток и то, как они могут способствовать заболеванию или влиять на него. В модели AD на основе hiPSC Кондо и др.181

наблюдали повышенное накопление олигомеров Ab, связанное с усилением дисфункции эндоплазматического ретикулума и окислительным стрессом в нейронах и астроцитах, полученных из hiPSC, полученных от пациентов с sAD и fAD, содержащих мутацию APP E693D. Индивидуальные 2D-модели, полученные из hiPSC, также показали большую ценность при изучении генетического вклада APOEε4, самого большого и наиболее воспроизводимого генетического фактора риска AD, в различных моделях нервных клеток.182

Лин и его коллеги183 использовали 2D-культуры, чтобы обнаружить, что изогенные астроциты APOEε4, полученные из hiPSC, демонстрируют крупномасштабные изменения в экспрессии генов, относящиеся к накоплению холестерина и интернализации Ab42, которые являются критическими гомеостатическими функциями астроцитов, по сравнению с изогенными клетками APOEε3. Кроме того, изогенные астроциты ε4 продемонстрировали пониженную способность экспрессировать и секретировать APOE, что приводило к снижению липидообразования.

В этих моделях было обнаружено, что усиленный рост нейритов как по длине, так и по количеству в нейронах, в дополнение к усиленной секреции антител, инизогенные нейроны APOEε4 также вносят патогенный вклад.183

При создании культур астроцитов, полученных от нейротипичных людей, изогенных для аллелей APOEε3 и APOEε4, Чжао и др.161 обнаружили, что астроциты APOEε4 демонстрировали более низкий статус липидации APOE по сравнению со здоровыми контрольными APOEε3, что еще раз подчеркивает понимание, полученное на основе таких моделей.

Использование 2D-совместных культур также позволило изучить APOEε4 в контексте отдельных клеточных популяций и межклеточных взаимодействий, а также того, как они могут способствовать патогенезу AD.

Продолжая вышеприведенный эксперимент, при совместном культивировании астроцитов APOEε4, полученных из hiPSC, с нейронами, морфологическая и функциональная целостность нейронов была нарушена и продемонстрировано ингибирование созревания по сравнению с их изогенным контролем ε3.161

Взаимодействие между различными нейрональными и глиальными клетками играет решающую роль в развитии и прогрессировании БА и БП, что позволяет использовать технологию hiPSC для создания моделей in vitro, имитирующих межклеточные взаимодействия, а клеточное микроокружение оказалось высокоинформативным.

Преимущество 2D-моделей одиночного и совместного культивирования аналогичным образом было реализовано при изучении вклада нескольких мутаций, вызывающих БП, в связанные с заболеванием клеточные фенотипы, такие как снижение жизнеспособности клеток и митохондриальная дисфункция.

Впервые это было продемонстрировано в исследовании Nguyen et al.,170 которые показали, что полученные от пациентов с БП модели нейронов hiPSC с мутацией LRRK2 G2019S показали повышенные уровни a-syn, активацию генов, участвующих в реакции на окислительный стресс, а также повышенную восприимчивость к H2O. 6}}индуцировал окислительный стресс и гибель клеток.

Аналогичным образом, Санчес-Данес и др.171 оценили изменения в аутофагии в DA-нейронах, полученных от hiPSC пациентов с БП, у которых отсутствует мутация LRRK2 G2019S, и наблюдали повышенную а-син и аутофагическую дисфункцию.

Более глубокое понимание того, как клеточные взаимодействия лежат в основе патофизиологии, было достигнуто с помощью модельных систем совместной культуры, полученных из hiPSC. Например, было показано, что астроциты, полученные из hiPSC, оказывают защитное действие в совместно культивированных нейрональных клетках-предшественниках (NPC), полученных от пациентов с болезнью Паркинсона после воздействия митохондриальных токсинов, ротенона и цианида калия, что демонстрируется устранением дефицита дифференцировки и митохондриальной дисфункции.184

В другом исследовании использовались совместные культуры нейронов и астроцитов для изучения влияния мутации LRRK2G2019S, вызывающей БП, на перекрестные помехи между нейронами и астроцитами. Авторы сообщили, что совместная культура контрольных DA-нейронов, полученных из hiPSC, с астроцитами, полученными от пациента, несущими мутацию G2019S, индуцировала нейродегенерацию и накопление a-сина в DA-нейронах.185

Это исследование проиллюстрировало полезность совместных культур при изучении различных комбинаций варианта/мутации гена по типам клеток для выявления межклеточного взаимодействия и типов клеток, которые оказывают патогенное действие вариантов, связанных с заболеванием.

Однако двумерные совместные культуры образуют микросреду для взаимодействия между различными типами клеток мозга и по-прежнему изначально ограничены в своей способности моделировать сложность мозга как трехмерной ткани и, как таковые, обладают присущими препятствиями для релевантности трансляции.

3D-модели на основе hiPSC

Новые технологии позволили исследователям начать создавать и оценивать трехмерные модели НДР на основе hiPSC, включая совместные культуры и органоиды, которые являются как биохимически, так и физиологически устойчивыми. Органоидные модели. 3D-модели органоидов человеческого мозга направлены на максимально точное отображение сложной пространственной организации человеческого мозга в модели in vitro.

Эти органоиды мозга, полученные из hiPSC, являются самоорганизованными и самоструктурирующими 3D. В дополнение к их общим эпигеномным и транскрипционным характеристикам,186,187было также показано, что физиологические свойства 3D-моделей органоидов, такие как чувствительность нейронов к глутамату, инстинктивная передача сигналов Ca2+ и развитие фенотипов клеточного созревания, также близко отражают ткани головного мозга человека. .188–190

Недавние исследования создали и охарактеризовали 3D-модели AD и PD, полученные на основе hiPSC, которые, как было показано, демонстрируют патологические особенности с высокой воспроизводимостью.

Например, Gonzalez et al.191 разработали органоидную модель ADbrain, которая продемонстрировала прогрессивное накопление Ab-пептида с бляшкоподобными структурами и амилоидогенными свойствами, а также появление фосфорилированного тау и NFT.

Linet al.183 расширил эти результаты, введя изогенные APOEε3- или APOEε4-, несущие микроглиоподобные клетки, в ранее установленные церебральные органоиды, культивированные из hiPSC, содержащих мутацию дупликации APP, связанную с AD, и наблюдали значительно длительный процесс формирования в микроглиоподобных клетках APOEε4 по сравнению с контрольными APOEε3, что позволяет предположить ограниченную сенсорную способность и способность реагировать на внеклеточные антитела.

Совсем недавно Zhao et al.192 создали модели церебральных органоидов, используя hiPSC, полученные от пациентов с AD и здоровых людей, несущих разные генотипы APOE. Модель органоида APOEε4 демонстрировала фенотипы, связанные с заболеванием, по сравнению с органоидом APOEε3, полученным от другого донора, и изогенной моделью органоида APOEε3, созданной путем редактирования генома линии APOEε4.

Неблагоприятное воздействие генотипа APOEε4 в органоидной модели повторяет ключевые патологические особенности AD, включая потерю синаптической целостности, апоптотическую гибель клеток, накопление антител и фосфорилированного тау, а также повышенные уровни растворимого APOE, что демонстрирует пригодность системы для моделирования не-fAD.

Кроме того, эти результаты обеспечивают дальнейшее подтверждение патогенной роли APOEε4 при БА и его потенциала в качестве мишени для лечения БА.192 Аналогично, Смитсет и др.193 создали функциональную модель DA-органоида среднего мозга при БП, полученную из ткани пациента с БП, содержащей мутацию LRRK GS2019.

Эта органоидная модель продуцировала и секретировала DA и успешно демонстрировала связанные с ней характерные патологии в органоидах, такие как уменьшение количества и сложность DA-нейронов среднего мозга. Однако подход GT, корректирующий мутацию LRRK, оказался недостаточным для улучшения фенотипов заболевания в этой модели.

Болонинет и др.194 также создали 3D-модель нейронов DA, ​​полученную от пациента с БП с мутацией LRRK2 G2019S, у которой наблюдались признаки митохондриальной дисфункции и измененной морфологии, снижение дифференцировки DA и сложности ветвления, а также повышенная преждевременная гибель клеток в молодых нейронах по сравнению с изогенными контрольными линиями; некоторые из этих нарушений были устранены введением ингибитора LRRK2 2 (Inh2).

Однако важно отметить различные ограничения, о которых сообщалось при использовании 3D-моделей органоидов, особенно касающиеся спонтанного и неконтролируемого способа роста и дифференцировки клеток, что способствует межэкспериментальной изменчивости.

Доверие к спонтанной самосборке в моделях органоидов может привести к вариациям от модели к модели, включая гетерогенные пропорции клеток, пространственную ориентацию и фенотип заболевания, что делает воспроизводимость серьезной проблемой в 3D-кокультуре и моделях органоидов.195

Однако недавние достижения показывают улучшение воспроизводимости 3D-моделей органоидов,196 сохраняется вариабельность в идентичности терминальных клеток,195 и ожидается дальнейший прогресс.

Системы совместной культуры. Недавние биотехнологические достижения позволили создать сложные трехмерные каркасы, которые позволяют клеткам, полученным из hiPSC, расти в моделях, основанных на совместном культивировании, что обеспечивает более контролируемый подход по сравнению с органоидами, обсуждаемыми выше, особенно в отношении типа клеток, созревания, состава и гомогенное воздействие клеток.197

Существующие модели, основанные на совместной культуре, включают модели мотонейронов и нервно-мышечных соединений, полученные от пациентов с БАС; 180 нейронов DA от пациентов с БП с известными мутациями (например, LRRK2194); трехклеточные модели нейронов, астроцитов и микроглии, моделирующие нейровоспалительную среду AD;198 и ткань скелетных мышц.199

Эти модели предоставляют исследователям улучшенные инструменты для изучения роли связей пространственная тканевая организация — клетка-клетка и клетка-матрикс, которые играют важную роль в патогенезе NDD. В недавнем исследовании Blanchard et al.200 была создана 3D-модель совместной культуры ГЭБ, полученная из hiPSC, состоящая из эндотелиальных клеток головного мозга, астроцитов и перицитов, для моделирования сосудистых патологий, связанных с AD, с высокой точностью.

Эта 3D-модель выявила ключевую роль перицитов в клетках, происходящих из APOEε4-, которые демонстрировали повышенное накопление ГЭБ пептидов Ab и фибриламилоида в результате усиленной передачи сигналов перицитов NFAT-кальциневрина.

200 Парк и соавт.198 также разработали 3D-модель АД hiPSC, состоящую из нейронов, астроцитов и микроглии на микрофлюидной платформе, которая успешно воспроизводит характерные характеристики АД, включая накопление фосфорилированных агрегатов тау-антител, а также нейровоспалительные признаки, такие как рекрутирование микроглии, высвобождение оксида азота и последующий окислительный стресс.

Хотя системы 3D-совместного культивирования направлены на преодоление вышеупомянутых ограничений, наблюдаемых в моделях органоидов, им также присущи и недостатки. Современные модели, основанные на hiPSC, генерируют нейронные сети, которым не хватает важных характеристик ткани головного мозга, которые они призваны представлять, включая отсутствие васкуляризации и необходимой циркуляции питательных веществ и удаления метаболических отходов,201 а также вариабельность в создании биологически репрезентативных пропорций нейрональных и глиальных клеток. популяции, особенности которых являются спорными преимуществами при использовании 3D-органоидных культур.

Кроме того, 3D-модели совместного культивирования требуют искусственного каркаса и последовательного посева клеток, тогда как органоидные модели развиваются более «естественным путем». Тем не менее, использование совместных культур, полученных из hiPSC, не только позволяет исследователям исследовать активную роль каждого типа клеток в формировании характеристик заболеваний AD и PD, но также и взаимодействие клеток, полученных из разных генотипов, подчеркивая революционный набор инструментов, который представляют собой hiPSC. молекулярное исследование НДД.

Преимущества и ограничения моделей in vitro на основе hiPSC более подробно рассматриваются в следующем разделе.

For more information:1950477648nn@gmail.com