Methodenartikel

Zelluläre und Kleintiermodelle neurodegenerativer Erkrankungen

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DOI:

10.3791/64542

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17. August 2022

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In diesem Artikel

Zusammenfassung

DISKUTIERTE ARTIKEL:

Dhingra, A. et al. Automatisierte Produktion von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleiteten kortikalen und dopaminergen Neuronen mit integriertem Lebendzell-Monitoring. Zeitschrift für visualisierte Experimente. (162) (2020).

Bancroft, E. A., Srinivasan, R. Quantifizierung spontaner Ca2+-Flüsse und ihrer nachgeschalteten Effekte in primären Mittelhirnneuronen der Maus. Zeitschrift für visualisierte Experimente. (163) (2020).

Sidisky, J. M., Babcock, D. T. Visualisierung der synaptischen Degeneration bei adulten Drosophila in Verbindung mit Neurodegeneration. Zeitschrift für visualisierte Experimente. (159) (2020).

Papandreou, M. E., Palikaras, K., Tavernarakis, N. Bewertung der De-novo-Proteinsyntheseraten bei Caenorhabditis elegans. Zeitschrift für visualisierte Experimente. (163) (2020).

Palikaras, K., Tavernarakis, N. Modellierung altersassoziierter neurodegenerativer Erkrankungen bei Caenorhabditis elegans. Zeitschrift für visualisierte Experimente. (162) (2020).

Editorial

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.

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde unterstützt von der Alzheimer's Association (NIRG-15-363678 an M.S.), AFAR (M.S.) und den NIH (1R01-AG052505 und 1R01-NS095988 an M.S.; R01-NS102181, R01-NS113960, R01-NS121077 und 1R21-NS127939 an J.B.; und 1RF1-NS126342-01 an M.S. und J.B.).

Referenzen

  1. Dawson, T. M., Golde, T. E., Lagier-Tourenne, C. Animal models of neurodegenerative diseases. Nature Neuroscience. 21 (10), 1370-1379 (2018).
  2. Klonarakis, M. The three sisters of fate: Genetics, pathophysiology and outcomes of animal models of neurodegenerative diseases. Neuroscience and Biobehavior Reviews. , 135-104541 (2022).
  3. Yang, W., Chen, X., Li, S., Li, X. J. Genetically modified large animal models for investigating neurodegenerative diseases. Cell & Bioscience. 11 (1), 218(2021).
  4. Yin, P., Li, S., Li, X. J., Yang, W. New pathogenic insights from large animal models of neurodegenerative diseases. Protein & Cell. 13 (10), 707-720 (2022).
  5. Ransohoff, R. M. All (animal) models (of neurodegeneration) are wrong. Are they also useful. The Journal of Experimental Medicine. 215 (12), 2955-2958 (2018).
  6. Dhingra, A., et al. Automated production of human induced pluripotent stem cell-derived cortical and dopaminergic neurons with integrated live-cell monitoring. Journal of Visualized Experiments. (162), (2020).
  7. Zaichick, S. V., McGrath, K. M., Caraveo, G. The role of Ca(2+) signaling in Parkinson’s disease. Disease Models & Mechanisms. 10 (5), 519-535 (2017).
  8. Bancroft, E. A., Srinivasan, R. Quantifying spontaneous Ca2+ fluxes and their downstream effects in primary mouse midbrain neurons. Journal of Visualized Experiments. (163), (2020).
  9. Subramanian, J., Tremblay, M. E. Editorial: Synaptic loss and neurodegeneration. Frontiers in Cellular Neuroscience. 15, 681029(2021).
  10. Sidisky, J. M., Babcock, D. T. Visualizing synaptic degeneration in adult drosophila in association with neurodegeneration. Journal of Visualized Experiments. (159), (2020).
  11. Duran-Aniotz, C., Moreno-Gonzalez, I., Medinas, D. B., Morales, R. Editorial: Protein misfolding and proteostasis impairment in aging and neurodegeneration: From spreading studies to therapeutic approaches. Frontiers in Aging Neuroscience. 13, 830779(2021).
  12. Papandreou, M. E., Palikaras, K., Tavernarakis, N. Assessment of de novo protein synthesis rates in Caenorhabditis elegans. Journal of Visualized Experiments. (163), (2020).
  13. Palikaras, K., Tavernarakis, N. Modeling age-associated neurodegenerative diseases in Caenorhabditis elegans. Journal of Visualized Experiments. (162), (2020).

Nachdrucke und Genehmigungen

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