I recettori progettati attivati esclusivamente da farmaci progettati (DREADD) sono recettori accoppiati a proteine G ingegnerizzate che possono essere attivati selettivamente da ligandi sintetici altrimenti inerti1. L'approccio chemiogenetico è diventato uno strumento essenziale nelle neuroscienze, consentendo ai ricercatori di studiare la connettività dei circuiti neurali con elevata precisione e migliorando la nostra comprensione delle funzioni cellulari sia in vivo che in vitro attraverso l'attivazione selettiva o l'inibizione di specifiche regioni cerebrali o tipi di cellule 2,3.
La terapia basata sulle cellule staminali rappresenta una strategia promettente per il trattamento delle malattie neurodegenerative. L'efficacia delle cellule del trapianto si basa sulla corretta integrazione, sopravvivenza e contributo funzionale ai tessuti ospiti. Un'attività cellulare incontrollata può portare a conseguenze negative, tra cui la tumorigenesi4; che richiede un controllo preciso di queste cellule dopo il trapianto. L'utilizzo della tecnologia DREADD nelle cellule staminali umane riprogrammate e nei neuroni derivati fornisce un mezzo per controllare con precisione l'attività neuronale attraverso la somministrazione del farmaco di progettazione CNO 2,5. Nel contesto della malattia di Parkinson (PD), che è caratterizzata dalla perdita di neuroni dopaminergici, la manipolazione dell'attività dei neuroni dopaminergici derivati da cellule staminali è fondamentale per studiare i loro input sinaptici e i modelli di proiezione nei modelli di roditori 6,7,8,9,10. L'incorporazione di recettori eccitatori hM3Dq e inibitori hM4Di in questi modelli consente una modulazione precisa dell'attività neuronale11,12.
La combinazione di valutazioni comportamentali animali e registrazioni elettrofisiologiche consente una valutazione completa degli effetti della modulazione chemiogenetica sulle cellule trapiantate in vivo13. Le valutazioni comportamentali, tra cui la rotazione indotta dall'apomorfina, il test del cilindro e il test della rotarod, valutano la coordinazione motoria e forniscono informazioni sui cambiamenti nella funzione motoria associati ai modelli sperimentali di PD14. Le tecniche elettrofisiologiche, come le registrazioni patch-clamp, consentono il monitoraggio in tempo reale delle risposte sinaptiche e dei potenziali d'azione, fornendo una visione completa del modo in cui le cellule trapiantate si integrano nelle reti neurali esistenti15. Combinando valutazioni comportamentali con valutazioni elettrofisiologiche, possiamo studiare come la modulazione chemiogenetica influenzi l'integrazione e la funzionalità di queste cellule all'interno dei circuiti neurali dell'ospite16. I risultati preliminari suggeriscono che la somministrazione di CNO modula efficacemente l'attività neuronale nelle cellule trapiantate, con conseguente miglioramento dei risultati funzionali nei modelli animali.
In questo protocollo, le cellule staminali umane riprogrammate sono state ingegnerizzate per esprimere i recettori hM3Dq o hM4Di utilizzando la tecnologia CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Dopo aver differenziato le cellule staminali riprogrammate modificate in cellule precursori dopaminergiche del mesencefalo, queste cellule sono state trapiantate in modelli murini di PD per valutare la loro integrazione e regolazione funzionale all'interno dei circuiti neurali dell'ospite utilizzando valutazioni comportamentali e registrazioni elettrofisiologiche.