Пътят към прогреса на предклиничните проучвания на невродегенеративните заболявания, свързани с възрастта: гледна точка върху моделите на гризачи и HiPSC, част 4

Получените от hiPSC in vitro модели на PD също са много информативни за изясняване на патофизиологичната прогресия, свързана с фамилни PD мутации в невронални модели на hiPSC DA, получени от пациента.

PD е невродегенеративно заболяване, което обикновено има известно въздействие върху паметта и когнитивните способности на пациента. Въпреки това, с непрекъснатия напредък на съвременната медицина, можем да използваме различни методи, за да помогнем на пациентите да поддържат добра памет.

Първо, редовните упражнения могат да подобрят когнитивните способности и паметта на пациентите с ПД. Упражнението може да насърчи кръвообращението и мозъчното хранене на нервните клетки в мозъка, което помага да се поддържа връзката и координацията между различните части на мозъка, като по този начин подобрява общото когнитивно ниво.

На второ място, диетата също е ключът към подобряване на паметта на пациентите с ПД. Диета с високо съдържание на фибри, ниско съдържание на мазнини и холестерол е ключът към поддържането на здравето на мозъка. Тази диета може да насърчи кръвообращението в мозъка и да осигури здравословни хранителни вещества, които могат да защитят невроните и да забавят прогресията на PD.

И накрая, положителната нагласа и подходящата почивка също са ключът към подобряване на паметта на пациентите с ПД. Въпреки че PD ще нанесе известен удар на тялото и ума, ако можете да поддържате оптимистична нагласа и да си дадете малко почивка, можете да облекчите умствения и психологическия стрес и да поддържате по-добре паметта си.

Накратко, въпреки че PD ще окаже влияние върху паметта, това не означава, че не можем да правим промени. Чрез подходящи упражнения, диета и психологическо управление пациентите с ПД могат да поддържат определено ниво на когнитивни способности и памет. Вижда се, че трябва да подобрим паметта и Cistanche може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche е традиционен китайски лекарствен материал с много уникални ефекти, един от които е да подобри паметта. Ефектът на Cistanche идва от различните активни съставки, които съдържа, включително танинова киселина, полизахариди, флавоноидни гликозиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка по различни начини.

Щракнете върху познайте 10 начина за подобряване на паметта

Например, неврони, получени от hiPSC от пациент с мутация LRRK2 GS2019S, показват свързани с болестта клетъчни фенотипове, включително повишена уязвимост към оксидативен стрес170 и намалена дължина и брой на невритите.171

Други примери включват hiPSC-получени DA неврони, получени от пациенти, притежаващи PARK2 мутация, която показва митохондриална дисфункция и морфология на оксидативен стрес172 и hiPSC-получени неврони с A53T мутация и SNCA утрояване, които показват халмарк елевация и натрупване на a-syn агрегати.173

Нещо повече, няколко проучвания подобриха тези фенотипове на болестта чрез интервенции, насочени към коригиране на мутиралия ген, включително LRRK2,174PINK1,175 SNCA,140,176 и GBA1.177 Такива модели демонстрират полезността на hiPSC технологията при идентифицирането и валидирането на нови лекарствени цели и предоставят доказателство за концепцията за подходи за генна терапия.

Произведените от hiPSC модели за различни NDD оттогава са разширени до множество различни 2D и 3D конфигурации на съвместна култура, разширявайки модулността и потенциалните основни изследвания и предклинични приложения.

Текущи конфигурации на получени от hiPSC NDD модели 2D клетъчни модели с една и съвместна култура

През последното десетилетие е публикувана значителна част от работата, използваща 2D култури, съставени от отделни клетъчни типове, получени от hiPSC. Тези модели от единичен клетъчен тип са били информативни при разкриването на ролята на отделните клетъчни популации в NDD, като спинална мускулна атрофия,178,179 AD, PD и амиолатерална склероза (ALS)180 (Фигура 1), и освен това са позволили по-голяма разбиране за това как гените, свързани с болестта, действат на биологично ниво, за да повлияят на клетъчните смущения.

Клетъчните модели на hiPSC са включени в изследванията на AD, за да се разбере по-добре ролята на генетичните полиморфизми и мутации в отделните клетъчни популации и как те могат да допринесат или повлияят на заболяването. В базиран на hiPSC AD модел, Kondo et al.181

наблюдава повишено натрупване на олигомер на Ab, свързано с повишена дисфункция на ендоплазмения ретикулум и оксидативен стрес в неврони и астроцити, получени от hiPSC, получени от пациенти с sAD и fAD, съдържащи APP E693D мутация. Получените от hiPSC 2D индивидуални модели също показаха голяма стойност при изучаването на генетичния принос на APOEε4, най-големият и най-репликируемият генетичен рисков фактор за AD, в различни модели на нервни клетки.182

Лин и колеги183 са използвали 2D култури, за да разкрият, че изогенните hiPSC получени APOEε4 астроцити проявяват широкомащабни промени в генната експресия, отнасяща се до натрупването на холестерол и интернализацията на Ab42, като и двете са критични хомеостатични функции на астроцитите, спрямо изогенните APOEε3 клетки. Освен това, изогенните ε4 астроцити показват намалена способност да експресират и секретират APOE, което води до намалено липидиране.

Подобреният растеж на невритите както по дължина, така и по брой в невроните, в допълнение към повишената секреция на Ab, беше установено, че инизогенните APOEε4 неврони също имат патогенен принос в тези модели.183

При генерирането на астроцитни култури, получени от невротипични индивиди, изогенни за APOEε3 и APOEε4 алелите, Zhao et al.161 откриха, че APOEε4 астроцитите проявяват по-нисък APOE липиден статус в сравнение със здравите APOEε3 контроли, допълнително подчертавайки прозрението, получено от такива модели.

Използването на 2D съвместни култури също даде възможност за изследване на APOEε4 в контекста на отделни клетъчни популации и взаимодействия клетка-клетка и как те могат да допринесат за патогенезата на AD.

Разширявайки горния експеримент, при съвместно култивиране на получени от hiPSC APOEε4 астроцити с неврони, морфологичната и функционална цялост на невроните беше компрометирана и демонстрира инхибиране на съзряването в сравнение с техните изогенни ε3 контроли.161

Взаимодействието между различни невронни и глиални клетки играе критична роля в развитието и прогресирането на AD и PD, като по този начин се използва hiPSC технологията за установяване на in vitro модели, които имитират взаимодействията клетка-клетка, а клетъчната микросреда се оказа силно информативна.

Ползата от 2D единични модели и модели на съвместно култивиране е реализирана по подобен начин при изучаване на приноса на няколко мутации, причиняващи PD, към свързани с болестта клетъчни фенотипове, като намалена клетъчна жизнеспособност и митохондриална дисфункция.

Това беше демонстрирано за първи път в проучване от Nguyen et al.,170 които показаха, че получените от пациенти с PD hiPSC невронни модели с LRRK2 G2019S мутация показват повишени нива на a-syn, регулиране на гени, участващи в реакцията на оксидативен стрес, както и повишена чувствителност към H2O{{ 6}}предизвикан оксидативен стрес и клетъчна смърт.

По подобен начин Sánchez-Danés et al.171 оценяват промените в аутофагията в DA неврони, получени от hiPSC на пациент с PD, отслабващ мутацията LRRK2 G2019S, и наблюдават повишена а-син и автофагична дисфункция.

По-добро разбиране за това как клетъчните взаимодействия са в основата на патофизиологията е постигнато с моделни системи за съвместно култивиране, получени от hiPSC. Например, доказано е, че астроцитите, получени от hiPSC, упражняват защитна полза в съвместно култивирани неврални прогениторни клетки (NPC), получени от пациенти с PD след излагане на митохондриални токсини, ротенон и калиев цианид, демонстрирано чрез спасяване на дефицити на диференциация и митохондриална дисфункция.184

Друго проучване използва невронно-астроцитни ко-култури, за да изследва въздействието на PD-причиняващата LRRK2G2019S мутация върху неврон-астроцитно пресичане. Авторите съобщават, че ко-култивирането на контролни hiPSC-получени DA неврони с получени от пациента астроцити, носещи G2019S мутация, индуцира невродегенерация и натрупване на a-syn в DA невроните.185

Това проучване илюстрира полезността на съвместните култури при изследването на различни комбинации от генния вариант/мутация по клетъчни типове за разкриване на взаимодействието клетка-клетка и клетъчния тип/типове, които упражняват патогенния ефект на свързаните със заболяването варианти.

Въпреки това, 2D съвместните култури образуват микросреда за взаимодействия между различни типове мозъчни клетки и все още са ограничени по природа в способността си да моделират сложността на мозъка като триизмерна тъкан и като такива притежават присъщи препятствия в уместността на превода.

3D модели, извлечени от hiPSC

Нововъзникващите технологии позволиха на изследователите да започнат да генерират и оценяват 3D hiPSC-извлечени модели на NDD, включително съвместни култури и органоиди, които са както биохимично, така и физиологично стабилни. Органоидни модели. 3D моделите на органоидите на човешкия мозък са насочени към улавяне на сложната пространствена организация на човешкия мозък възможно най-точно в in vitro модел.

Получени от hiPSC, тези мозъчни органоиди са самоорганизирани и самомоделиращи 3D. В допълнение към техните цялостни епигеномни и транскрипционни сигнатури,186,187 физиологичните свойства на 3D модели на органоиди, като невронална реакция към глутамат, инстинктивно Ca2+ сигнализиране и развитие на фенотипове на клетъчно съзряване, също са показали, че точно отразяват човешката мозъчна тъкан .188–190

Скорошни проучвания са генерирали и характеризирали AD и PD 3D hiPSC модели, за които е доказано, че показват патологични характеристики по силно възпроизводим начин.

Например, Gonzalez et al.191 разработиха ADbrain органоиден модел, който показва прогресивно натрупване на Ab пептида със структури, подобни на плака, и амилоидогенни свойства, както и появата на фосфорилиран тау и NFT.

Linet al.183 разшири тези констатации чрез въвеждане на изогенни APOEε3- или APOEε4-пренасящи клетки, подобни на микроглия, в предварително установени церебрални органоиди, култивирани от hiPSCs, съдържащи свързаната с AD дупликационна мутация на АРР, и наблюдава значително дълъг процес на образуване в микроглия-подобните клетки на APOEε4 в сравнение с контролите на APOEε3, което предполага ограничена способност в сензорните и отзивчиви способности към извънклетъчните Ab.

Съвсем наскоро, Zhao et al.192 генерират церебрални органоидни модели, използвайки hiPSCs, получени от пациенти с AD и здрави контроли, носещи различни APOE генотипове. Моделът на органоид APOEε4 показва свързани с болестта фенотипове в сравнение с органоида APOEε3, получен от различен донор, и изогенния модел на органоид APOEε3, създаден чрез редактиране на генома на линията APOEε4.

Неблагоприятният ефект на генотипа APOEε4 в органоидния модел обобщава ключови AD патологични характеристики, включително загуба на синаптична цялост, апоптотична клетъчна смърт, натрупване на Ab и фосфорилиран тау и повишени нива на разтворим APOE, като по този начин демонстрира пригодността на системата за моделиране на не-fAD.

Освен това, тези резултати осигуряват допълнителна подкрепа за патогенната роля на APOEε4 в AD и неговия потенциал като лекарствена цел за AD.192 По подобен начин, Smitset al.193 генерира функционален DA органоиден модел на средния мозък на PD, получен от тъкан на пациент с PD, съдържаща LRRK GS2019 мутация.

Този органоиден модел продуцира и секретира DA и успешно проявява асоциирани отличителни белези в органоиди, като намалено количество и сложност на DA невроните на средния мозък193 Въпреки това, GT подходът, коригиращ LRRK мутацията, е недостатъчен за подобряване на фенотипите на заболяването в този модел.

Bologninet al.194 също така установи 3D DA невронален модел, получен от PDпациент с мутация LRRK2 G2019S, която показва признаци на митохондриална дисфункция и променена морфология, намалена DA диференциация и сложност на разклоняване и повишена преждевременна клетъчна смърт в млади неврони в сравнение с изогенни контролни линии; някои от тези смущения бяха спасени чрез прилагане на LRRK2 инхибитор 2 (Inh2).

Въпреки това е важно да се отбележат различните ограничения, които са докладвани при използването на 3D модели на органоиди, по-специално отнасящи се до спонтанния и неконтролиран начин на клетъчен растеж и диференциация, който допринася за междуексперименталната променливост.

Разчитането на спонтанното самосглобяване в органоидните модели може да доведе до вариации от модел до модел, включително хетерогенни клетъчни пропорции, пространствена ориентация и фенотип на болестта, което прави възпроизводимостта важна загриженост в 3Dco-културата и органоидните модели.195

Скорошните постижения обаче показват подобрения във възпроизводимостта в 3D модели на органоиди,196 остава вариабилността в идентичността на терминалните клетки,195 и се очаква постоянен напредък.

Системи за съвместна култура. Последните биотехнологични постижения позволиха генерирането на усъвършенствано триизмерно скеле, което позволява на клетките, получени от hiPSC, да растат в модели, базирани на съвместна култура, което улеснява по-контролиран подход в сравнение с органоидите, обсъдени по-горе, особено по отношение на клетъчния тип, узряване, състав и хомогенна експозиция на клетките.197

Съществуващите базирани на съвместна култура модели включват модели на моторневрони и невромускулна връзка, получени от пациенти с ALS; 180 DA неврони от пациенти с PD с известни мутации (напр. LRRK2194); триклетъчни модели на неврони, астроцити и микроглия, моделиращи невровъзпалителната AD среда;198 и скелетна мускулна тъкан.199

Тези модели предоставят на изследователите подобрени инструменти за изследване на ролята на пространствената тъканна организация - връзките клетка-клетка и клетка-матрикс, които играят основна роля в патогенезата на NDD. Неотдавнашно проучване на Blanchard et al.200 конструира получен от hiPSC 3D модел на съвместна култура на BBB, състоящ се от мозъчни ендотелни клетки, астроцити и перицити за моделиране на съдови патологии, свързани с AD, с висока точност.

Този 3D модел разкрива ключова роля на перицитите в клетките, получени от APOEε4-, които показват повишено BBB натрупване на Ab пептиди и фибрилен амилоид в резултат на повишено NFAT-калциневрин перицитно сигнализиране.

200 Park et al.198 също така разработиха hiPSC 3D tri-cultureAD модел, състоящ се от неврони, астроцити и микроглия в микрофлуидна платформа, която успешно рекапитулира отличителните характеристики на AD, включително натрупване на фосфорилирани tau ofAb агрегати, както и невровъзпалителни характеристики, като напр. микроглиално набиране, освобождаване на азотен оксид и последващ оксидативен стрес.

Въпреки че 3D системите за съвместно култивиране имат за цел да преодолеят гореспоменатите ограничения, наблюдавани в моделите на органоиди, те също са присъщи неуспехи. Настоящите модели, извлечени от hiPSC, генерират невронни мрежи, на които им липсват критични характеристики на мозъчната тъкан, които целят да представят, включително липса на васкуларизация и необходимата циркулация на хранителни вещества и отстраняване на метаболитни отпадъци,201 и променливост в генерирането на биологично представителни пропорции на невронални и глиални клетки популации, характеристики, които са спорни предимства при използването на 3D органоидни култури.

В допълнение, 3D моделите на съвместно култивиране изискват изкуствено скеле и последователно засяване на клетки, докато органоидните модели са разработени по-„естествено“. Независимо от това, използването на получени от hiPSC ко-култури не само позволява на изследователите да изследват активната роля на всеки клетъчен тип в генерирането на характеристиките на AD и PD, но също така и взаимодействието на клетки, получени от различни генотипове, подчертавайки революционния инструментариум, който hiPSC представляват в молекулярно изследване на NDDs.

Предимствата и ограниченията на базирани на hiPSC in vitro модели са разгледани по-подробно в следващия раздел.

For more information:1950477648nn@gmail.com