Cesta k pokroku Předklinické studie věkem podmíněných neurodegenerativních onemocnění: Pohled na hlodavce a modely odvozené od HiPSC, část 4

In vitro modely PD odvozené z hiPSC byly také vysoce informativní při objasňování patofyziologické progrese spojené s familiárními mutacemi PD v neuronálních modelech hiPSC DA odvozených od pacientů.

PD je neurodegenerativní onemocnění, které má obvykle určitý dopad na pacientovu paměť a kognitivní schopnosti. S neustálým pokrokem moderní medicíny však můžeme využít různé metody, které pacientům pomohou udržet si dobrou paměť.

Za prvé, pravidelné cvičení může zlepšit kognitivní schopnosti a paměť pacientů s PD. Cvičení může podpořit krevní oběh a mozkovou výživu nervových buněk v mozku, což pomáhá udržovat spojení a koordinaci mezi různými částmi mozku, čímž zlepšuje celkovou kognitivní úroveň.

Za druhé, strava je také klíčem ke zlepšení paměti pacientů s PD. Strava s vysokým obsahem vlákniny, nízkým obsahem tuku a cholesterolu je klíčem k udržení zdraví mozku. Tato strava může podpořit krevní oběh v mozku a poskytnout zdravé živiny, které mohou chránit neurony a zpomalit progresi PD.

A konečně, pozitivní přístup a správný odpočinek jsou také klíčem ke zlepšení paměti pacientů s PD. I když PD přinese určitou ránu tělu i mysli, dokážete-li si zachovat optimistický přístup a dopřejete si trochu odpočinku, můžete zmírnit psychický a psychický stres a lépe si udržet paměť.

Stručně řečeno, ačkoli PD bude mít dopad na paměť, neznamená to, že nemůžeme provádět změny. Prostřednictvím správného cvičení, diety a psychologického řízení si pacienti s PD mohou udržet určitou úroveň kognitivních schopností a paměti. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche dokáže výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche je tradiční čínský léčivý materiál s mnoha unikátními účinky, jedním z nich je zlepšení paměti. Účinek Cistanche pochází z různých účinných látek, které obsahuje, včetně kyseliny tříslové, polysacharidů, flavonoidních glykosidů atd. Tyto složky mohou různými způsoby podporovat zdraví mozku.

Klikněte na 10 způsobů, jak zlepšit paměť

Například neurony odvozené od hiPSC od pacienta s mutací LRRK2 GS2019S vykazovaly buněčné fenotypy související s onemocněním, včetně zvýšené zranitelnosti vůči oxidačnímu stresu170 a snížené délky a počtu neuritů.171

Mezi další příklady patří DA neurony odvozené od hiPSC získané od pacientů s mutací PARK2, která vykazovala mitochondriální dysfunkci a morfologii oxidačního stresu172, a neurony odvozené od hiPSC s mutací A53T a triplikací SNCA, které vykazují charakteristické zvýšení a akumulaci agregátů a-syn.173

Kromě toho několik studií zlepšilo tyto fenotypy onemocnění pomocí intervencí zaměřených na korekci mutovaného genu, včetně LRRK2,174PINK1,175 SNCA,140,176 a GBA1.177 Takové modely demonstrují užitečnost technologie hiPSC při identifikaci a validaci nových cílů léků a poskytují důkaz koncepce. pro přístupy genové terapie.

Modely odvozené od hiPSC pro různé NDD byly od té doby rozšířeny na řadu různých kokulturních 2D a 3D konfigurací, čímž se rozšířila modularita a potenciální základní výzkum a preklinické aplikace.

Současné konfigurace modelů NDD odvozených z hiPSC 2D modely buněk s jednou a společnou kulturou

V posledním desetiletí bylo publikováno značné množství prací využívajících 2D kultury složené z hiPSC odvozených singulárních buněčných typů. Tyto modely jednotlivých buněk byly informativní při odhalování role jednotlivých buněčných populací u NDD, jako je spinální svalová atrofie,178,179 AD, PD a amyolaterální skleróza (ALS)180 (obrázek 1), a navíc umožnily větší pochopení toho, jak geny spojené s onemocněním působí na biologické úrovni, aby ovlivnily buněčné poruchy.

Buněčné modely hiPSC byly rekrutovány do výzkumu AD, aby lépe porozuměly roli genetických polymorfismů a mutací v jednotlivých buněčných populacích a tomu, jak mohou přispívat nebo ovlivňovat onemocnění. V ADmodelu založeném na hiPSC, Kondo et al.181

pozorovali zvýšenou akumulaci Ab oligomeru spojenou se zvýšenou dysfunkcí endoplazmatického retikula a oxidačním stresem v neuronech a astrocytech odvozených od hiPSC získaných od pacientů sAD a fAD obsahujících mutaci APP E693D. 2D individuální modely odvozené od hiPSC také ukázaly velkou hodnotu při studiu genetických příspěvků APOEε4, největšího a nejvíce replikovatelného genetického rizikového faktoru AD, v různých modelech nervových buněk.182

Lin a kolegové183 použili 2D kultury k odhalení, že isogenní astrocyty APOEε4 odvozené od hiPSC vykazují rozsáhlé změny v genové expresi týkající se akumulace cholesterolu a internalizace Ab42, což jsou obě kritické homeostatické funkce astrocytů ve srovnání s izogenními buňkami APOEε3. Kromě toho isogenní e4 astrocyty vykazovaly sníženou schopnost exprimovat a vylučovat APOE, což mělo za následek sníženou lipidaci.

Zvýšený růst neuritů v délce i počtu v neuronech, kromě zvýšené sekrece Ab, bylo zjištěno, že inisogenní neurony APOEε4 jsou patogenním příspěvkem v těchto modelech.183

Při generování kultur astrocytů získaných od neurotypických jedinců isogenních pro alely APOEε3 a APOEε4 Zhao et al.161 zjistili, že astrocyty APOEε4 vykazovaly nižší stav lipidace APOE ve srovnání se zdravými kontrolami APOEε3, což dále zdůrazňuje poznatky získané z takových modelů.

Použití 2D kokultur také umožnilo studium APOEε4 v kontextu jednotlivých buněčných populací a interakcí buňka-buňka a toho, jak mohou přispět k patogenezi AD.

Rozšířením výše uvedeného experimentu při společné kultivaci astrocytů APOEε4 odvozených z hiPSC s neurony byla narušena morfologická a funkční integrita neuronů a prokázala se inhibice zrání ve srovnání s jejich izogenními kontrolami ε3.161

Souhra mezi různými neuronálními a gliovými buňkami hraje kritickou roli ve vývoji a progresi AD a PD, a tak využívá technologii hiPSC k vytvoření in vitro modelů, které napodobují interakce buňka-buňka, a buněčné mikroprostředí se ukázalo jako vysoce informativní.

Přínos 2D singulárních a kokultivačních modelů byl podobně realizován při studiu příspěvku několika mutací způsobujících PD k buněčným fenotypům souvisejícím s onemocněním, jako je snížená životaschopnost buněk a mitochondriální dysfunkce.

To bylo poprvé prokázáno ve studii Nguyena et al.,170 kteří prokázali, že hiPSCneuronální modely odvozené od pacientů s PD s mutací LRRK2 G2019S vykazovaly zvýšené hladiny a-syn, upregulaci genů zapojených do reakce na oxidativní stres a také zvýšenou náchylnost k H2O{{{{101} 6}} indukoval oxidační stres a buněčnou smrt.

Podobně Sánchez-Danés et al.171 hodnotili změny v autofagii v DA neuronech odvozených od PD pacienta hiPSC, který uvolnil mutaci LRRK2 G2019S, a pozorovali zvýšenou a-synand autofagickou dysfunkci.

S modelovými systémy kokultury odvozenými od hiPSC bylo dosaženo lepšího porozumění tomu, jak buněčné interakce podporují patofyziologii. Například bylo ukázáno, že astrocyty odvozené od hiPSC vykazují ochranný přínos v kokultivovaných nervových progenitorových buňkách (NPC) získaných od pacientů s PD po expozici mitochondriálním toxinům, rotenonu a kyanidu draselnému, což bylo prokázáno záchranou deficitů diferenciace a mitochondriální dysfunkce.184

Další studie využívala kokultury neuron-astrocyt ke zkoumání dopadu mutace LRRK2G2019S způsobující PD na přeslechy neuron-astrocyt. Autoři uvedli, že společná kultivace kontrolních DA neuronů odvozených z hiPSC s astrocyty odvozenými od pacienta nesoucími mutaci G2019S vyvolala neurodegeneraci a akumulaci a-syn v neuronech DA.185

Tato studie ilustrovala užitečnost společných kultur při zkoumání různých kombinací genové varianty/mutace podle typů buněk za účelem odhalení interakce buňka-buňka a typu/typů buněk, které vykazují patogenní účinek variant spojených s onemocněním.

2D kokultury však tvoří mikroprostředí pro interakce mezi různými typy mozkových buněk a jsou stále vrozeně omezené ve své schopnosti modelovat složitost mozku jako trojrozměrné tkáně a jako takové mají inherentní překážky v translační relevanci.

3D modely odvozené z hiPSC

Nové technologie umožnily výzkumníkům začít generovat a hodnotit 3D modely NDD odvozené z hiPSC, včetně kokultur a organoidů, které jsou biochemicky i fyziologicky robustní. Organoidní modely. 3D modely organoidů lidského mozku jsou zaměřeny na co nejvěrnější zachycení komplexní prostorové organizace lidského mozku v modelu in vitro.

Tyto mozkové organoidy, získané z hiPSC, jsou samoorganizované a mají vlastní 3D vzory. Kromě jejich celkových epigenomických a transkripčních signatur186,187 se také ukázalo, že fyziologické vlastnosti 3D organoidních modelů, jako je neuronální reakce na glutamát, instinktivní Ca2+ signalizace a vývoj fenotypů buněčného zrání, úzce odrážejí lidskou mozkovou tkáň 0,188–190

Nedávné studie vytvořily a charakterizovaly AD a PD 3D hiPSC odvozené modely, u kterých bylo prokázáno, že vykazují patologické rysy vysoce reprodukovatelným způsobem.

Například Gonzalez et al.191 vyvinuli model organoidu AD mozku, který vykazoval progresivní akumulaci Ab peptidu se strukturami podobnými plaku a amyloidogenními vlastnostmi, stejně jako výskyt fosforylovaných tau a NFT.

Linet al.183 rozšířil tato zjištění zavedením isogenních APOEε3- nebo APOEε{2}}přenášejících buňky podobné mikrogliím do dříve zavedených cerebrálních organoidů kultivovaných z hiPSC obsahujících duplikační mutaci APP spojenou s AD a pozoroval významně dlouhý proces tvorby v buňkách podobných mikrogliím APOEε4 ve srovnání s kontrolami APOEε3, což naznačuje omezenou schopnost senzorických a citlivých schopností na extracelulární Ab.

Nejnověji Zhao et al.192 vytvořili modely cerebrálních organoidů pomocí hiPSC odvozených od pacientů s AD a zdravých kontrol nesoucích různé genotypy APOE. Model organoidů APOEε4 vykazoval fenotypy související s onemocněním ve srovnání s organoidem APOEε3 odvozeným od jiného dárce a isogenním modelem organoidů APOEε3 vytvořeným úpravou genomu linie APOEε4.

Nepříznivý účinek genotypu APOEε4 v organoidním modelu rekapituloval klíčové patologické rysy AD, včetně ztráty synaptické integrity, apoptotické buněčné smrti, akumulace Ab a fosforylovaného tau, a zvýšené hladiny rozpustného APOE, čímž demonstroval vhodnost systému pro modelování non-fAD.

Kromě toho tyto výsledky poskytují další podporu pro patogenní roli APOEε4 v AD a jeho potenciál jako lékovatelného cíle pro AD.192 Podobně Smitset al.193 vytvořil funkční DA organoidní model PD středního mozku odvozený z tkáně pacienta s PD obsahující mutaci LRRK GS2019.

Tento organoidní model produkoval a vylučoval DA a úspěšně vykazoval související charakteristické patologie u organoidů, jako je snížené množství a komplexita DA neuronů středního mozku193Nicméně, GT přístup korigující mutaci LRRK byl pro zlepšení fenotypů onemocnění v tomto modelu nedostatečný.

Bologninet al.194 také vytvořil 3D DA neuronální model odvozený od PD pacienta s mutací LRRK2 G2019S, který vykazoval známky mitochondriální dysfunkce a změněné morfologie, sníženou DAdiferenciaci a složitost větvení a zvýšenou předčasnou buněčnou smrt u mladých neuronů ve srovnání s izogenními kontrolními liniemi; některé z těchto poruch byly zachráněny podáním inhibitoru LRRK2 2 (Inh2).

Je však důležité poznamenat různá omezení, která byla hlášena při použití 3D modelů organoidů, zejména týkající se spontánního a nekontrolovaného způsobu růstu a diferenciace buněk, který přispívá k interexperimentální variabilitě.

Spoléhání se na spontánní samouspořádání v organoidních modelech může vést k variacím modelu od modelu, včetně heterogenních proporcí buněk, prostorové orientace a fenotypu onemocnění, díky čemuž je reprodukovatelnost hlavním problémem v 3Dco-kultuře a organoidních modelech.195

Nedávné pokroky však ukazují zlepšení v reprodukovatelnosti 3D modelů organoidů,196 variabilita v identitách terminálních buněk zůstává195a očekává se pokračující pokrok.

Systémy společné kultury. Nedávné biotechnologické pokroky umožnily generování sofistikovaného trojrozměrného lešení, které umožňuje buňkám odvozeným z hiPSC růst v modelech založených na společné kultuře, což usnadňuje kontrolovanější přístup ve srovnání s organoidy diskutovanými výše, zejména s ohledem na typ buněk, zrání, složení a homogenní expozice buněk.197

Existující modely založené na společné kultuře zahrnují modely motorických neuronů a neuromuskulárního spojení odvozené od pacientů s ALS; 180 DA neuronů od pacientů s PD se známými mutacemi (např. LRRK2194); tricelulární modely neuronů, astrocytů a mikroglií modelující prostředí neurozánětlivé AD;198 a kosterní svalová tkáň.199

Tyto modely poskytují výzkumníkům vylepšené nástroje pro zkoumání role spojení prostorové organizace tkáně-buňka-buňka a buňka-matrice, které hrají hlavní roli v patogenezi NDD. Nedávná studie Blancharda et al.200 zkonstruovala 3D kokultivační model BBB odvozený z hiPSC, který se skládá z mozkových endoteliálních buněk, astrocytů a pericytů pro modelování vaskulárních patologií souvisejících s AD s vysokou přesností.

Tento 3D model odhalil klíčovou roli pericytů v buňkách odvozených z APOEε4-, které vykazovaly zvýšenou BBB akumulaci Ab peptidů a fibrilového amyloidu v důsledku zvýšené pericytové signalizace NFAT-kalcineurinu.

200 Park et al.198 také vyvinuli hiPSC 3D trikulturní AD model složený z neuronů, astrocytů a mikroglií na mikrofluidní platformě, který úspěšně rekapituluje charakteristické ADcharakteristiky, včetně akumulace fosforylovaných agregátů tau ofAb, stejně jako neurozánětlivé rysy, jako je např. mikrogliální nábor, uvolňování oxidu dusnatého a následný oxidativní stres.

Přestože 3D systémy společné kultury mají za cíl překonat výše uvedená omezení pozorovaná u modelů organoidů, jsou s nimi také spojeny překážky. Současné modely odvozené od hiPSC generují neuronové sítě, které postrádají kritické rysy mozkové tkáně, kterou chtějí reprezentovat, včetně nedostatku vaskularizace a potřebné cirkulace živin a odstraňování metabolického odpadu201 a variability při vytváření biologicky reprezentativních proporcí neuronových a gliových buněk. populace, vlastnosti, které jsou diskutabilními silnými stránkami při používání 3D organoidních kultur.

Kromě toho 3D modely společné kultury vyžadují umělé lešení a postupné nasazování buněk, zatímco modely organoidů se vyvíjely více „přirozeně“. Nicméně použití kokultur odvozených od hiPSC umožňuje výzkumníkům nejen zkoumat aktivní roli každého typu buněk při vytváření charakteristik onemocnění AD a PD, ale také interakci buněk odvozených z různých genotypů, což zdůrazňuje revoluční sadu nástrojů, kterou hiPSC představují v thememolekulární studium NDD.

Výhody a omezení in vitro modelů založených na hiPSC jsou podrobněji prozkoumány v následující části.

For more information:1950477648nn@gmail.com