Vejen til fremskridt i prækliniske undersøgelser af aldersrelaterede neurodegenerative sygdomme: et perspektiv på gnavere og HiPSC-afledte modeller, del 4

hiPSC-afledte in vitro-modeller af PD har også været meget informative til at belyse den patofysiologiske progression forbundet med familiære PD-mutationer i patient-afledte hiPSC DA neuronalmodeller.

PD er en neurodegenerativ sygdom, der normalt har en vis indflydelse på patientens hukommelse og kognitive evner. Men med den fortsatte udvikling af moderne medicin kan vi tage forskellige metoder til at hjælpe patienter med at bevare en god hukommelse.

For det første kan regelmæssig motion forbedre PD-patienters kognitive evner og hukommelse. Motion kan fremme blodcirkulationen og hjernens ernæring af nerveceller i hjernen, hvilket er med til at opretholde forbindelsen og koordinationen mellem forskellige dele af hjernen og derved forbedre det overordnede kognitive niveau.

For det andet er kosten også nøglen til at forbedre PD-patienters hukommelse. En kost med højt fiberindhold, lavt fedtindhold og lavt kolesterolindhold er nøglen til at opretholde hjernens sundhed. Denne diæt kan fremme blodcirkulationen i hjernen og give sunde næringsstoffer, som kan beskytte neuroner og bremse udviklingen af PD.

Endelig er en positiv indstilling og ordentlig hvile også nøglen til at forbedre PD-patienters hukommelse. Selvom PD vil give et vist slag for krop og sind, hvis du kan bevare en optimistisk holdning og give dig selv lidt hvile, kan du lindre mental og psykologisk stress og bedre bevare din hukommelse.

Kort sagt, selvom PD vil have en indflydelse på hukommelsen, betyder det ikke, at vi ikke kan foretage ændringer. Gennem korrekt motion, kost og psykologisk behandling kan PD-patienter opretholde et vist niveau af kognitiv evne og hukommelse. Det kan ses, at vi skal forbedre hukommelsen, og Cistanche kan forbedre hukommelsen markant, fordi Cistanche er et traditionelt kinesisk medicinsk materiale med mange unikke effekter, hvoraf en er at forbedre hukommelsen. Virkningen af Cistanche kommer fra de forskellige aktive ingredienser, den indeholder, herunder garvesyre, polysaccharider, flavonoidglykosider osv. Disse ingredienser kan fremme hjernens sundhed på forskellige måder.

boost memory

Klik på kend 10 måder at forbedre hukommelsen på

For eksempel udviste hiPSC-afledte neuroner fra en patient med LRRK2 GS2019S-mutationen sygdomsrelaterede cellulære fænotyper, herunder øget sårbarhed over for oxidativt stress170 og nedsat neuritlængde og antal.171

Andre eksempler omfatterhiPSC-afledte DA-neuroner opnået fra patienter, der besad PARK2-mutationen, der udviste mitokondriel dysfunktion og oxidativ stressmorfologi172 og hiPSC-afledte neuroner med A53T-mutationen og SNCA-triplikationen, der udviser kendetegnende forhøjelse og akkumulering af a-syn-aggregater.173

Desuden forbedrede adskillige undersøgelser disse sygdomsfænotyper ved interventioner rettet mod at korrigere det muterede gen, herunder LRRK2,174PINK1,175 SNCA,140,176 og GBA1.177 Sådanne modeller demonstrerer anvendeligheden af hiPSC-teknologi til identifikation og validering af nye bevis for lægemiddelmål og giver bevis for lægemiddelmål. til genterapi-tilgange.

hiPSC-afledte modeller for forskellige NDD'er er siden blevet udvidet til en række forskellige co-kultur 2D og 3D konfigurationer, hvilket udvider modulariteten og potentielle grundlæggende forskning og prækliniske applikationer.

improve memory

Nuværende konfigurationer af hiPSC-afledte NDD-modeller2D enkelt- og samkulturcellemodeller

En betydelig mængde arbejde med anvendelse af 2D-kulturer bestående af hiPSC-afledte enkeltcelletyper er blevet offentliggjort inden for det sidste årti. Disse enkeltcelle-type modeller har været informative til at afdække rollen af individuelle cellepopulationer i NDD'er, såsom spinal muskelatrofi, 178.179 AD, PD og amyolateral sklerose (ALS) 180 (Figur 1), og har desuden muliggjort en større forståelse af, hvordan sygdomsassocierede gener virker på det biologiske niveau for at påvirke cellulære forstyrrelser.

hiPSC cellulære modeller er blevet rekrutteret i AD-forskning for bedre at forstå rollen af genetiske polymorfismer og mutationer i individuelle cellepopulationer, og hvordan disse kan bidrage til eller påvirke sygdom. I en hiPSC-baseret AD-model, Kondo et al.181

observeret øget Ab-oligomerakkumulering forbundet med øget endoplasmatisk retikulum dysfunktion og oxidativ stress i hiPSC-afledte neuroner og astrocytter opnået fra sAD- og fAD-patienter indeholdende APP E693D-mutationen. hiPSC-afledte 2D individuelle modeller har også vist stor værdi ved at studere de genetiske bidrag fra APOEε4, den største og mest replikerbare genetiske risikofaktor for AD, i en række neurale cellemodeller.182

Lin og kolleger183 brugte 2D-kulturer til at afdække, at isogene hiPSC-afledte APOEε4-astrocytter udviser store ændringer i genudtryk vedrørende kolesterolakkumulering og internalisering af Ab42, som begge er kritiske homøostatiske funktioner af astrocytter i forhold til isogene cellers APOEε3. Ydermere viste isogene ε4-astrocytter en reduceret evne til at udtrykke og udskille APOE, hvilket resulterede i nedsat lipidering.

Forøget neuritvækst i både længde og antal i neuroner, udover øget Ab-sekretion, blev inisogene APOEε4-neuroner også fundet at være et patogent bidrag i disse modeller.183

Ved generering af astrocytkulturer opnået fra neurotypiske individer, der er isogene for APOEε3- og APOEε4-allelerne, fandt Zhao et al.161, at APOEε4-astrocytter udviste en lavere APOE-lipideringsstatus sammenlignet med de sunde APOEε3-kontroller, hvilket yderligere fremhævede indsigten opnået fra sådanne modeller.

Brugen af 2D co-kulturer har også muliggjort studiet af APOEε4 i sammenhæng med individuelle cellepopulationer og celle-celle-interaktioner og hvordan disse kan bidrage til AD-patogenese.

short term memory how to improve

I forlængelse af ovenstående eksperiment, efter co-dyrkning af hiPSC-afledte APOEε4-astrocytter med neuroner, blev neuronernes morfologiske og funktionelle integritet kompromitteret og påvist hæmning af modning sammenlignet med deres isogene ε3-kontroller.161

Samspillet mellem forskellige neuron- og gliaceller spiller en afgørende rolle i udviklingen og progressionen af AD og PD, og udnytter således hiPSC-teknologien til at etablere in vitro-modeller, der efterligner celle-celle-interaktioner, og det cellulære mikromiljø har vist sig at være yderst informativt.

Fordelen ved 2D-singulære og co-kulturmodeller er på samme måde blevet realiseret ved at studere bidraget fra flere PD-forårsagede mutationer til sygdomsrelaterede cellulære fænotyper, såsom nedsat cellelevedygtighed og mitokondriel dysfunktion.

Dette blev først påvist i en undersøgelse af Nguyen et al.,170, som viste, at PD patientafledte hiPSCneuronale modeller med LRRK2 G2019S mutationen viste øgedea-syn niveauer, opregulering af gener involveret i oxidativ stressrespons, samt øget modtagelighed for H2O{{ 6}}induceret oxidativt stress og celledød.

Tilsvarende evaluerede Sánchez-Danés et al.171 ændringer i autofagi i DA-neuroner afledt af PD-patients hiPSC, der slap LRRK2 G2019S-mutationen og observerede forhøjet a-synand autofagisk dysfunktion.

En større forståelse af, hvordan cellulære interaktioner understøtter patofysiologi, er blevet opnået medhiPSC-afledte co-kultur modelsystemer. For eksempel blev hiPSC-afledte astrocytter vist at udøve en beskyttende fordel i co-kulturerede neurale progenitorceller (NPC'er) opnået fra PD-patienter efter eksponering for mitokondrielle toksiner, rotenon og kaliumcyanid, demonstreret ved redning af differentieringsunderskud og mitokondriel dysfunktion.184

En anden undersøgelse brugte neuron-astrocyt co-kulturer til at undersøge virkningen af den PD-forårsagede LRRK2G2019S mutation på neuron-astrocyt krydstale. Forfatterne rapporterede, at co-kultur af kontrol-hiPSC-afledte DA-neuroner med patient-afledte astrocytter, der bærer G2019S-mutationen, inducerede neurodegeneration og akkumulering af a-syn i DA-neuronerne.185

Denne undersøgelse eksemplificerede anvendeligheden af co-kulturer i undersøgelsen af forskellige kombinationer af genvarianten/mutationen efter celletyper for at afdække celle-celle-interaktion og celletypen/cellerne, der udøver den patogene virkning af sygdomsassocierede varianter.

Imidlertid danner 2D-co-kulturerne et mikromiljø for interaktioner mellem forskellige hjernecelletyper og er stadig medfødt begrænset i deres evne til at modellere hjernens kompleksitet som et tredimensionelt væv og som sådan besidder iboende hindringer i translationsrelevans.

3D hiPSC-afledte modeller

Nye teknologier har gjort det muligt for forskere at begynde at generere og vurdere 3D hiPSC-afledte modeller af NDD'er, herunder co-kulturer og organoider, som er både biokemisk og fysiologisk robuste. Organoide modeller. 3D menneskelige hjerneorganoide modeller er rettet mod at fange den komplekse rumlige organisering af den menneskelige hjerne så tæt som muligt i en in vitro-model.

Opnået fra hiPSC'er er disse hjerneorganoider selvorganiserede og selvmønstrende 3D. Ud over deres overordnede epigenomiske og transkriptionelle signaturer186.187 er de fysiologiske egenskaber ved 3D-organoide modeller, såsom neuronal reaktion på glutamat, instinktiv Ca2+-signalering og udvikling af cellulære modningsfænotyper, også blevet vist for at afspejle menneskets hjernevæv tæt. .188-190

Nylige undersøgelser har genereret og karakteriseret AD og PD 3D hiPSC-afledte modeller, som har vist sig at udvise patologiske træk på en meget reproducerbar måde.

ways to improve memory

For eksempel udviklede Gonzalez et al.191 en ADbrain organoid model, der udviste progressiv akkumulering af Ab-peptidet med plaklignende strukturer og amyloidogene egenskaber, såvel som udseendet af phosphoryleret tau og NFT'er.

Linet al.183 udvidede disse fund ved at introducere isogen APOEε3- eller APOEε4-bærende mikroglia-lignende celler ind i tidligere etablerede cerebrale organoider, dyrket fra hiPSC'er indeholdende den AD-associerede APP-duplikationsmutation og observerede en betydelig lang procesdannelse i de APOEε4 mikroglia-lignende celler sammenlignet med APOEε3 kontrollerne, hvilket tyder på en begrænset evne til sensoriske og responsive evner til ekstracellulær Ab.

Senest genererede Zhao et al.192 cerebrale organoidmodeller ved hjælp af hiPSC'er afledt fra AD-patienter og sunde kontroller, der bærer forskellige APOE-genotyper. APOEε4-organoidmodellen udviste sygdomsrelaterede fænotyper sammenlignet med APOEε3-organoiden afledt af en anden donor og den isogene APOEε3-organoidmodel skabt ved genomredigering af APOEε4-linjen.

Den negative virkning af APOEε4-genotypen i den organoide model rekapitulerede nøgleAD patologiske træk, herunder tab i synaptisk integritet, apoptotisk celledød, Ab og fosforyleret tau-akkumulering og forhøjede opløselige APOE-niveauer, hvilket viser systemets egnethed til modellering af ikke-fAD.

Ydermere giver disse resultater yderligere støtte til den patogene rolle af APOEε4 i AD og dets potentiale som et lægeligt mål for AD.192 Tilsvarende genererede Smitset al.193 en funktionel mellemhjerne DA organoid model af PD afledt af PD patientvæv indeholdende LRRK GS2019 mutationen.

Denne organoide model producerede og udskilte DA og udviste med succes associerede kendetegnspatologier i organoider, såsom formindsket mængde og kompleksitet af mellemhjerne-DA-neuroner193. En GT-tilgang, der korrigerede LRRK-mutationen, var imidlertid utilstrækkelig til forbedring af sygdomsfænotyper i denne model.

Bologninet al.194 etablerede også en 3D DA-neuronmodel afledt af en PD-patient med LRRK2 G2019S-mutationen, som udviste tegn på mitokondriel dysfunktion og ændret morfologi, nedsat DAdifferentiering og forgreningskompleksitet og forhøjet for tidlig celledød i unge neuroner kontrollinjer; nogle af disse forstyrrelser blev reddet ved administration af LRRK2-inhibitor 2 (Inh2).

Det er imidlertid vigtigt at bemærke de forskellige begrænsninger, der er blevet rapporteret i brugen af 3D-organoide modeller, især vedrørende den spontane og ukontrollerede måde for cellevækst og differentiering, der bidrager til intereksperimentel variabilitet.

Afhængigheden af spontan selvsamling i organoidmodeller kan føre til model-til-model variation, herunder heterogene celleproportioner, rumlig orientering og sygdomsfænotype, hvilket gør reproducerbarhed til et fremtrædende problem i 3Dco-kultur og organoid modeller.195

Nylige fremskridt viser imidlertid forbedringer i reproducerbarhed i 3D-organoidmodeller, 196 er der stadig variabilitet i terminale celleidentiteter, 195 og fortsat fremskridt forventes.

Samkultursystemer. Nylige bioteknologiske fremskridt har muliggjort genereringen af sofistikerede tredimensionelle stilladser, der gør det muligt for hiPSC-afledte celler at vokse i co-kultur-baserede modeller, hvilket letter en mere kontrolleret tilgang sammenlignet med organoiderne diskuteret ovenfor, især med hensyn til celletype, modning, sammensætning og homogen eksponering af cellerne.197

Eksisterende co-kultur-baserede modeller inkluderer modeller af motorneuroner og den neuromuskulære forbindelse afledt fra ALS-patienter; 180 DA neuroner fra PD-patienter med kendte mutationer (f.eks. LRRK2194); tricellulære modeller af neuroner, astrocytter og mikroglia, der modellerer det neuroinflammatoriske AD-miljø;198 og skeletmuskelvæv.199

Disse modeller giver forskere forbedrede værktøjer til at undersøge rollen af rumlig vævsorganisation-celle-celle- og celle-matrix-forbindelser, som spiller en stor rolle i NDD-patogenese. En nylig undersøgelse af Blanchard et al.200 konstruerede en hiPSC-afledt 3D co-kultur model af BBB bestående af hjerneendotelceller, astrocytter og pericytter for at modellere AD vaskulære relaterede patologier med høj kvalitet.

Denne 3D-model afslørede en nøglerolle for pericytter i APOEε4--afledte celler, som udviste forhøjet BBB-akkumulering af Ab-peptider og fibril-amyloid som et resultat af øget NFAT-calcineurin pericytesignalering.

200 Park et al.198 udviklede også en hiPSC 3D tri-kulturAD-model bestående af neuroner, astrocytter og mikroglia i en mikrofluidisk platform, som med succes rekapitulerer kendetegnende AD-karakteristika, herunder akkumulering af fosforyleret tau ofAb-aggregater, såvel som neuroinflammatoriske træk, som f.eks. mikroglial rekruttering, nitrogenoxidfrigivelse og efterfølgende oxidativ stress.

Selvom 3D co-kultur systemer sigter mod at overvinde de førnævnte begrænsninger observeret i organoide modeller, er de også iboende tilbageslag. Nuværende hiPSC-afledte modeller genererer neuronale netværk, der mangler kritiske egenskaber i hjernevævet, som de sigter på at repræsentere, herunder mangel på vaskularisering og nødvendig cirkulation af næringsstoffer og fjernelse af metabolisk affald,201 og en variation i generering af biologisk repræsentative proportioner af neuronale og gliaceller populationer, funktioner, der er argumenterbare styrker ved at bruge 3D organoidkulturer.

Derudover kræver 3D co-kultur modeller kunstigt stillads og sekventiel såning af celler, hvorimod organoide modeller udvikles mere "naturligt." Ikke desto mindre giver brugen af hiPSC-afledte co-kulturer ikke kun forskere mulighed for at undersøge den aktive rolle af hver celletype i genereringen af AD- og PD-sygdomskarakteristika, men også interaktionen mellem celler afledt af forskellige genotyper, hvilket fremhæver det revolutionære værktøjssæt, som hiPSC'er repræsenterer i temamolekylær undersøgelse af NDD'er.