Put do napretka u pretkliničkim studijama neurodegenerativnih bolesti povezanih sa starenjem: perspektiva modela glodavaca i HiPSC izvedenih 4. dio

HiPSC izvedeni in vitro modeli PD također su bili vrlo informativni u razjašnjavanju patofiziološke progresije povezane s porodičnim PD mutacijama u hiPSC DA neuronskim modelima izvedenim od pacijenata.

PD je neurodegenerativna bolest koja obično ima određeni utjecaj na pamćenje i kognitivne sposobnosti pacijenta. Međutim, uz kontinuirani napredak moderne medicine, možemo koristiti različite metode kako bismo pomogli pacijentima da održe dobro pamćenje.

Prvo, redovno vježbanje može poboljšati kognitivne sposobnosti i pamćenje pacijenata s PD. Vježbanje može potaknuti cirkulaciju krvi i ishranu mozga nervnih stanica u mozgu, što pomaže u održavanju veze i koordinacije između različitih dijelova mozga, čime se poboljšava ukupni kognitivni nivo.

Drugo, dijeta je takođe ključ za poboljšanje pamćenja pacijenata sa PD. Dijeta bogata vlaknima, malo masti i holesterola ključ je za održavanje zdravlja mozga. Ova dijeta može potaknuti cirkulaciju krvi u mozgu i osigurati zdrave hranjive tvari, koje mogu zaštititi neurone i usporiti napredovanje PB.

Konačno, pozitivan stav i pravilan odmor su takođe ključ za poboljšanje pamćenja pacijenata sa PD. Iako će PD donijeti određeni udarac tijelu i umu, ako možete zadržati optimističan stav i odmoriti se, možete se osloboditi mentalnog i psihičkog stresa i bolje održati pamćenje.

Ukratko, iako će PD imati utjecaja na pamćenje, to ne znači da ne možemo napraviti promjene. Pravilnim vježbanjem, ishranom i psihološkim upravljanjem, pacijenti sa PD mogu održati određeni nivo kognitivnih sposobnosti i pamćenja. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a cistanche može značajno poboljšati pamćenje, jer je cistanche tradicionalni kineski ljekoviti materijal sa mnogim jedinstvenim efektima, od kojih je jedno poboljšanje pamćenja. Djelovanje Cistanchea dolazi od različitih aktivnih sastojaka koje sadrži, uključujući taninsku kiselinu, polisaharide, flavonoidne glikozide, itd. Ovi sastojci mogu promovirati zdravlje mozga na različite načine.

Kliknite znati 10 načina za poboljšanje pamćenja

Na primjer, neuroni izvedeni iz hiPSC-a od pacijenta s mutacijom LRRK2 GS2019S pokazali su ćelijske fenotipove povezane sa bolešću, uključujući povećanu osjetljivost na oksidativni stres170 i smanjenu dužinu i broj neurita.171

Drugi primjeri uključuju hiPSC izvedene DA neurone dobivene od pacijenata koji posjeduju PARK2 mutaciju koja je pokazala mitohondrijalnu disfunkciju i morfologiju oksidativnog stresa172 i neurone izvedene iz hiPSC-a sa A53T mutacijom i SNCA triplikacijom koji pokazuju karakteristično povišenje i akumulaciju a-syn.17ag.

Štaviše, nekoliko studija je poboljšalo ove fenotipove bolesti intervencijama usmjerenim na ispravljanje mutiranog gena, uključujući LRRK2,174PINK1,175 SNCA,140,176 i GBA1.177 Takvi modeli demonstriraju korisnost hiPSC tehnologije u identifikaciji i validaciji novih dokazanih ciljeva lijekova i pružaju za pristupe genskoj terapiji.

HiPSC izvedeni modeli za različite NDD su od tada prošireni na niz različitih 2D i 3D konfiguracija ko-kulture, proširujući modularnost i potencijalna osnovna istraživanja i pretkliničke primjene.

Trenutne konfiguracije hiPSC izvedenih NDD modela2D modela pojedinačnih ćelija i modela ko-kulture

Značajan broj radova koji koriste 2D kulture koje se sastoje od hiPSC izvedenih pojedinačnih tipova ćelija objavljen je u posljednjoj deceniji. Ovi modeli jednoćelijskog tipa bili su informativni u otkrivanju uloge pojedinačnih ćelijskih populacija u NDD, kao što su spinalna mišićna atrofija,178,179 AD, PD i amiolateralna skleroza (ALS)180 (Slika 1), a osim toga, omogućili su veći razumijevanje kako geni povezani s bolešću djeluju na biološkom nivou da utiču na ćelijske perturbacije.

HiPSC ćelijski modeli su angažirani u istraživanju AD kako bi se bolje razumjela uloga genetskih polimorfizama i mutacija u pojedinačnim ćelijskim populacijama i kako oni mogu doprinijeti ili utjecati na bolest. U hiPSC-baziranom ADmodelu, Kondo et al.181

uočena povećana akumulacija Ab oligomera povezana s povećanom disfunkcijom endoplazmatskog retikuluma i oksidativnim stresom u neuronima i astrocitima izvedenim iz hiPSC dobijenim od pacijenata sa sAD i fAD koji sadrže mutaciju APP E693D. HiPSC izvedeni 2D individualni modeli takođe su pokazali veliku vrednost u proučavanju genetskog doprinosa APOEε4, najvećeg i najponovljivijeg genetskog faktora rizika od AD, u različitim modelima neuralnih ćelija.182

Lin i kolege183 koristili su 2D kulture da otkriju da izogeni astrociti iz hiPSC izvedeni iz APOEε4 pokazuju velike promjene u ekspresiji gena koje se odnose na akumulaciju kolesterola i internalizaciju Ab42, a obje su kritične homeostatske funkcije astrocita u odnosu na izogene APOEε3 ćelije. Nadalje, izogeni ε4 astrociti su pokazali smanjenu sposobnost ekspresije i izlučivanja APOE, što je rezultiralo smanjenom lipidacijom.

Pojačani rast neurita u dužini i broju neurona, pored pojačane sekrecije Ab, inizogeni APOEε4 neuroni su također bili patogeni doprinos u ovim modelima.183

U stvaranju kultura astrocita dobijenih od neurotipičnih osoba izogenih za alele APOEε3 i APOEε4, Zhao et al.161 su otkrili da APOEε4 astrociti pokazuju niži status lipidacije APOE u poređenju sa zdravim kontrolama APOEε3, dodatno naglašavajući uvid stečen iz takvog modela.

Upotreba 2D ko-kultura je također omogućila proučavanje APOEε4 u kontekstu pojedinačnih ćelijskih populacija i interakcija stanica-ćelija i kako one mogu doprinijeti patogenezi AD.

Proširujući gornji eksperiment, nakon zajedničkog uzgoja hiPSC izvedenih APOEε4 astrocita s neuronima, morfološki i funkcionalni integritet neurona je bio ugrožen i pokazao je inhibiciju sazrijevanja u poređenju sa njihovim izogenim ε3 kontrolama.161

Interakcija između različitih neuronskih i glijalnih stanica igra kritičnu ulogu u razvoju i napredovanju AD i PD, čime se koristi hiPSC tehnologijom za uspostavljanje in vitro modela koji oponašaju interakcije stanica-ćelija, a ćelijsko mikrookruženje se pokazalo visoko informativnim.

Prednost 2D singularnih i kokulturalnih modela je na sličan način ostvarena u proučavanju doprinosa nekoliko mutacija koje izazivaju PD na ćelijske fenotipove povezane sa bolešću, kao što je smanjena vitalnost ćelija i mitohondrijalna disfunkcija.

Ovo je prvi put demonstrirano u studiji Nguyen et al.,170 koji su pokazali da hiPSCneuronalni modeli izvedeni od pacijenata sa PD sa mutacijom LRRK2 G2019S pokazuju povećane nivoe a-syn, pojačanu regulaciju gena uključenih u odgovor na oksidativni stres, kao i povećanu osjetljivost na H2O{{ 6}}inducira oksidativni stres i ćelijsku smrt.

Slično, Sánchez-Danés i saradnici 171 procijenili su promjene u autofagiji u DA neuronima izvedene od hiPSC pacijenata s PD koji su izgubili mutaciju LRRK2 G2019S i primijetili povišenu a-sinandu i autofagičnu disfunkciju.

Veće razumijevanje načina na koji ćelijske interakcije podupiru patofiziologiju postignuto je pomoću sistema modela kokulture izvedenih od strane PSC. Na primjer, pokazalo se da astrociti izvedeni iz hiPSC-a imaju zaštitnu korist u kokultiviranim neuralnim progenitorskim stanicama (NPC) dobivenim od pacijenata s PD nakon izlaganja mitohondrijskim toksinima, rotenonu i kalijumcijanidu, što je pokazano spašavanjem deficita diferencijacije i mitohondrijalne disfunkcije.18

Druga studija je koristila kokulture neurona i astrocita da bi istražila uticaj mutacije LRRK2G2019S koja uzrokuje PD na preslušavanje neurona i astrocita. Autori su izvijestili da je ko-kultura kontrolnih hiPSC izvedenih DA neurona s astrocitima dobivenim od pacijenta koji nose mutaciju G2019S izazvala neurodegeneraciju i akumulaciju a-syn u DA neuronima.185

Ova studija je pokazala korisnost ko-kultura u ispitivanju različitih kombinacija genske varijante/mutacije prema tipovima ćelija kako bi se otkrila interakcija ćelija-ćelija i tip/će ćelije koje ispoljavaju patogene efekte varijanti povezanih sa bolešću.

Međutim, 2D ko-kulture formiraju mikrookruženje za interakcije između različitih tipova moždanih ćelija i još uvijek su urođeno ograničene u svojoj sposobnosti da modeliraju složenost mozga kao trodimenzionalnog tkiva i kao takve posjeduju inherentne prepreke u relevantnosti translacije.

3D hiPSC-izvedeni modeli

Nove tehnologije omogućile su istraživačima da počnu generirati i procjenjivati ​​3D hiPSC izvedene modele NDD-a, uključujući ko-kulture i organoide, koji su i biohemijski i fiziološki robusni. Organoidni modeli. 3D organoidni modeli ljudskog mozga imaju za cilj da shvate složenu prostornu organizaciju ljudskog mozga što je bliže moguće u in vitro modelu.

Dobiveni iz hiPSC-a, ovi moždani organoidi su samoorganizirani i sami oblikuju 3D uzorak. Pored njihovih ukupnih epigenomskih i transkripcijskih potpisa,186,187 fiziološka svojstva 3D organoidnih modela, kao što su neuronska reakcija na glutamat, instinktivna Ca{6}} signalizacija i razvoj fenotipa ćelijskog sazrijevanja, također su pokazala da blisko odražavaju ljudsko moždano tkivo. .188–190

Nedavne studije su generirale i karakterizirale AD i PD 3D modele izvedene iz hiPSC-a, za koje se pokazalo da pokazuju patološke karakteristike na način koji se vrlo reproducira.

Na primjer, Gonzalez et al.191 razvili su ADbrain organoidni model koji je pokazao progresivnu akumulaciju Ab peptida sa strukturama sličnim plaku i amiloidogenim svojstvima, kao i pojavu fosforiliranog taua i NFT-a.

Linet al.183 proširio je ove nalaze uvođenjem izogenih APOEε3- ili APOEε4-koji nose ćelije nalik na mikroglije u prethodno uspostavljene cerebralne organoide kultivirane iz hiPSC-a koji sadrže mutaciju duplikacije APP-a povezanu sa AD i primijetio značajno dug proces formiranja u ćelijama sličnim mikroglijama APOEε4 u poređenju sa kontrolama APOEε3, što ukazuje na ograničenu sposobnost senzornih i reakcionih sposobnosti na ekstracelularni Ab.

Nedavno su Zhao et al.192 generirali modele cerebralnih organoida koristeći hiPSC izvedene od pacijenata sa AD i zdravih kontrola koje nose različite APOE genotipove. APOEε4 organoidni model je pokazao fenotipove povezane sa bolestima u poređenju sa APOEε3 organoidom dobijenim od drugog donora i izogenim APOEε3 organoidnim modelom stvorenim uređivanjem genoma linije APOEε4.

Neželjeni efekat genotipa APOEε4 u organoidnom modelu rekapitulirao je ključne AD patološke karakteristike, uključujući gubitak sinaptičkog integriteta, apoptotičku ćelijsku smrt, akumulaciju Ab i fosforilisanog taua, i povišene nivoe rastvorljivih APOE, pokazujući na taj način prikladnost sistema za modeliranje ne-fAD.

Štaviše, ovi rezultati pružaju dalju podršku za patogenu ulogu APOEε4 u AD i njegovom potencijalu kao mete za AD.192. Slično, Smitset al.193 generirao je funkcionalni DA organoidni model PD srednjeg mozga izveden iz tkiva pacijenta sa PD koje sadrži mutaciju LRRK GS2019.

Ovaj organoidni model je proizveo i izlučio DA i uspješno pokazao povezane karakteristične patologije u organoidima, kao što je smanjena količina i složenost DA neurona srednjeg mozga193 Međutim, GT pristup koji ispravlja LRRK mutaciju nije bio dovoljan za poboljšanje fenotipova bolesti u ovom modelu.

Bologninet al.194 je također uspostavio 3D DA neuronski model izveden od PD pacijenta s mutacijom LRRK2 G2019S, koji je pokazao znakove mitohondrijalne disfunkcije i promijenjenu morfologiju, smanjenu DA diferencijaciju i složenost grananja, te povišenu preranu ćelijsku smrt u poređenju s kontrolnom linijom smrti kod mladih neurona. neke od ovih perturbacija su spašene davanjem inhibitora LRRK2 2 (Inh2).

Međutim, važno je napomenuti različita ograničenja koja su zabilježena u korištenju 3D organoidnih modela, posebno u vezi sa spontanim i nekontroliranim načinom ćelijskog rasta i diferencijacije koji doprinosi intereksperimentalnoj varijabilnosti.

Oslanjanje na spontano samosastavljanje u organoidnim modelima može dovesti do varijacija od modela do modela, uključujući heterogene proporcije ćelija, prostornu orijentaciju i fenotip bolesti, čineći reproduktivnost istaknutom brigom u 3Dco-kulturi i modelima organoida.195

Nedavni napredak, međutim, pokazuje poboljšanja u reproduktivnosti u 3D modelima organoida,196 varijabilnost u terminalnim ćelijskim identitetima ostaje,195 i očekuje se nastavak napretka.

Co-Culture Systems. Nedavni biotehnološki napredak omogućio je stvaranje sofisticiranih trodimenzionalnih skela koje omogućavaju ćelijama izvedenim iz hiPSC-a da rastu u modelima zasnovanim na ko-kulturi, što olakšava kontroliraniji pristup u poređenju s organoidima o kojima se raspravljalo iznad, posebno u pogledu tipa ćelije, sazrijevanja, sastava i homogeno izlaganje ćelija.197

Postojeći modeli zasnovani na ko-kulturi uključuju modele motorneurona i neuromišićnog spoja izvedene od pacijenata sa ALS; 180 DA neurona od pacijenata sa PD sa poznatim mutacijama (npr. LRRK2194); trićelijski modeli neurona, astrocita i mikroglije koji modeliraju neuroinflamatornu AD okruženje;198 i skeletno mišićno tkivo.199

Ovi modeli pružaju istraživačima poboljšane alate za istraživanje uloge prostorne organizacije tkiva-ćelija-ćelija i stanica-matriks veza, koje igraju glavnu ulogu u patogenezi NDD. Nedavna studija Blancharda et al.200 konstruisala je hiPSC-izveden 3D model ko-kulture BBB-a koji se sastoji od endotelnih ćelija mozga, astrocita i pericita za modeliranje AD vaskularnih patologija sa visokom vernošću.

Ovaj 3D model je otkrio ključnu ulogu pericita u ćelijama izvedenim iz APOEε4-, koje su pokazale povišenu BBB akumulaciju Ab peptida i fibrilnog amiloida kao rezultat povećane NFAT-kalcineurinske pericitne signalizacije.

200 Park et al.198 također su razvili hiPSC 3D tri-cultureAD model koji se sastoji od neurona, astrocita i mikroglije na mikrofluidnoj platformi, koja uspješno rekapitulira karakteristične AD karakteristike, uključujući akumulaciju fosforiliranih tau agregata Ab, kao i karakteristike neuroinflamacije regrutiranje mikroglija, oslobađanje dušikovog oksida i naknadni oksidativni stres.

Iako 3D sistemi ko-kulture imaju za cilj prevazilaženje gore navedenih ograničenja uočenih u organoidnim modelima, oni su također inherentni nazadovanja. Trenutni modeli izvedeni iz hiPSC-a generiraju neuronske mreže kojima nedostaju kritične karakteristike moždanog tkiva koje žele predstaviti, uključujući nedostatak vaskularizacije i potrebne cirkulacije hranjivih tvari i uklanjanje metaboličkog otpada,201 i varijabilnost u stvaranju biološki reprezentativnih proporcija neuronskih i glijalnih stanica populacije, karakteristike koje su uvjerljive prednosti u korištenju 3D organoidnih kultura.

Osim toga, 3D modeli ko-kulture zahtijevaju umjetne skele i sekvencijalno zasijavanje ćelija, dok su se organoidni modeli razvili više "prirodnije". Bez obzira na to, upotreba ko-kultura izvedenih iz hiPSC ne samo da omogućava istraživačima da istraže aktivnu ulogu svakog tipa ćelije u stvaranju karakteristika AD i PD bolesti, već i interakciju ćelija izvedenih iz različitih genotipova, naglašavajući revolucionarni alat koji hiPSC predstavljaju u molekularna studija NDD.

Prednosti i ograničenja in vitro modela zasnovanih na hiPSC-u detaljnije su istraženi u sljedećem odjeljku.

For more information:1950477648nn@gmail.com