Neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit, die Parkinson-Krankheit, die Huntington-Krankheit, die amyotrophe Lateralsklerose und die frontotemporale Demenz sind verheerende Erkrankungen, für die es keine bekannte Heilung gibt, hauptsächlich aufgrund des mangelnden Verständnisses der zugrunde liegenden Krankheitsmechanismen. Zahlreiche mutierte Stämme von Mäusen wurden als Modelle zur Untersuchung dieser Krankheiten erzeugt 1,2,3,4,5. Während grundlegende Einblicke in die Pathologie und die Mechanismen von Krankheiten gewonnen wurden, sind Untersuchungen mit subzellulärer Auflösung und Hochdurchsatzanalysen wie Wirkstoff-Screens im Tiermodell nicht durchführbar. Zelluläre und kleintierische Modellsysteme füllen diese Nische.
Humane induzierte pluripotente Stammzellkulturen (hIPSC) und neuronale Differenzierung sind ein leistungsfähiges System, um die Auswirkungen genetischer Veränderungen auf den menschlichen Hintergrund zu untersuchen. Unterschiedliche Kultivierungsbedingungen, Differenzierungsprotokolle und nutzerbasierte Verzerrungen führen jedoch oft zu Reproduzierbarkeitsproblemen. Dhingra et al. stellen die Automatisierung von hiPSC-Kulturen und neuronalen Differenzierungen vor, die mit automatisierter Bildgebung und Analyse kompatibel sind6. Dieses System führt nicht nur zu einer reproduzierbareren Kultivierung und Differenzierung von humanen IPS-Zellen in neuronale Linien, sondern ermöglicht auch die automatisierte Live-Verfolgung zellulärer Phänotypen, einschließlich der Quantifizierung von Neuritenlängen, der Aggregatbildung oder der Aufnahme pathogener Proteinspezies und der Neurodegeneration über einen Zeitraum von 2 Monaten.
Veränderungen der Kalziumhomöostase wurden mit verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen, insbesondere der Parkinson-Krankheit, in Verbindung gebracht7. Bancroft und Srinivasan stellen ein Protokoll zur Quantifizierung des Kalziumflusses in kultivierten dopaminergen Neuronenvor 8. Das vorgestellte System kann zu einem besseren Verständnis führen, wie eine abnormale Kalziumsignalgebung den Verlust dopaminerger Neuronen auslöst und kann als Hochdurchsatz-Wirkstoffscreening-Plattform zur Identifizierung neuroprotektiver Verbindungen eingesetzt werden.
Der Verlust von Synapsen ist ein häufiges Merkmal bei neurodegenerativen Erkrankungen9. Die zugrundeliegenden Gründe sind jedoch unklar. Sidiski und Babcock stellen eine Methode vor, um die synaptische Integrität in Abhängigkeit vom Alter in den neuromuskulären Verbindungen des Gewebes des dorsalen Längsmuskels (DLM) in Drosophila melanogaster zu quantifizieren 10. Wichtig ist, dass ihr Dissektionsprotokoll, das das Schockgefrieren von Gewebe beinhaltet, sowohl das neuronale als auch das Muskelgewebe bewahrt und aufgrund der einfachen genetischen Manipulation der Fliege die Untersuchung von Veränderungen der synaptischen Integrität und ihrer Degeneration in Modellen neurodegenerativer Erkrankungen ermöglicht.
Neurodegenerative Erkrankungen und Alterung sind mit Proteostaseversagen verbunden11, und sowohl der Proteinabbau als auch die Proteinsynthese wurden in Betracht gezogen. Papandreou et al. präsentieren ein Protokoll zur Quantifizierung der De-novo-Proteinsynthese 12 unter Verwendung der Fluoreszenz-Recovery nach Photobleaching (FRAP) in C. elegans-Modellen , die GFP exprimieren. Dieses System kann auf GFP-Fusionen beliebiger krankheitsbedingter Proteine erweitert werden, die entweder im Nervensystem des Wurms weit exprimiert werden oder auf bestimmte Zellen oder Gewebe abzielen, und ermöglicht die In-vivo-Untersuchung der Proteinsynthese in Abwesenheit von nicht-radioaktiven und nicht-invasiven Methoden, zusätzlich zur Möglichkeit, genetische oder niedermolekulare Screenings durchzuführen, um neuartige Modulatoren zur Überwindung proteostatischer Dysfunktion zu identifizieren.
Der Schutz vor Proteinaggregation und Neuronentod sind gefragte Strategien, um neurodegenerative Erkrankungen zu verlangsamen. Palikaras et al. beschreiben, wie die Präkonditionierung von Hitzeschocks bei C. elegans die Neuroprotektion gegen Alpha-Synuclein-ausgelösten Zelltod und eine Abnahme der PolyQ-induzierten Aggregate fördert13.
Neurodegenerative Erkrankungen betreffen mehr als 50 Millionen Menschen auf der ganzen Welt, für die es keine bekannte Heilung gibt. Mit den jüngsten Fortschritten in der genetischen Editierung und IPSC-Technologie haben Zell- und Kleintiermodelle den Vorteil, dass sie die zugrunde liegenden molekularen und zellulären Krankheitsmechanismen akut ansprechen, schnelle und kostengünstige genetische Manipulationen ermöglichen und sich ideal als Hochdurchsatz-Screening-Plattform für Bibliotheken neuer therapeutischer Wirkstoffe eignen. Diese Sammlung von Krankheitsmethoden ermöglicht es den Forschern, einige dieser Modelle zu verwenden.