Neurodegenerative ziekten, waaronder de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson, de ziekte van Huntington, amyotrofische laterale sclerose en frontotemporale dementie zijn verwoestende aandoeningen zonder bekende genezing, voornamelijk vanwege het gebrek aan begrip van de onderliggende ziektemechanismen. Er zijn talloze mutante muizenstammen gegenereerd als modellen om deze ziekten te onderzoeken1,2,3,4,5. Hoewel er fundamentele inzichten zijn verkregen in de pathologie en mechanismen van ziekten, zijn onderzoeken met subcellulaire resolutie en high-throughput analyses zoals medicijnscreens niet haalbaar in diermodellen. Cellulaire en kleine diermodelsystemen vullen deze niche.
Cultuurs van humane geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSC) en neuronale differentiatie zijn een krachtig systeem om de effecten van genetische veranderingen in een menselijk achtergrond te bestuderen. Toch leiden verschillende kweekcondities, differentiatieprotocollen en gebruikersvooroordelen vaak tot reproduceerbaarheidsproblemen. Dhingra et al. presenteren de automatisering van hiPSC-culturen en neuronale differentiaties die compatibel zijn met geautomatiseerde beeldvorming en analyse6. Dit systeem leidt niet alleen tot meer reproduceerbare kweek en differentiatie van humane IPS-cellen in neuronale lijnen, maar maakt ook de geautomatiseerde live tracking van cellulaire fenotipen mogelijk, inclusief de kwantificering van neurietelengtes, aggregaatvorming of de opname van pathogene eiwitsoorten, en neurodegeneratie gedurende een periode van 2 maanden.
Veranderingen in calciumhomeostase zijn in verband gebracht met verschillende neurodegeneratieve ziekten, in het bijzonder de ziekte van Parkinson7. Bancroft en Srinivasan presenteren een protocol om calciumflux in gekweekte dopaminerge neuronen te kwantificeren8. Het gepresenteerde systeem kan leiden tot een beter begrip van hoe abnormale calciumsignalering de verlies van dopaminerge neuronen triggert en kan worden gebruikt als een high-throughput medicijnscreeningplatform voor de identificatie van neuroprotectieve verbindingen.
Synapseverlies is een veelvoorkomend kenmerk bij neurodegeneratieve ziekten9. Toch blijven de onderliggende redenen onduidelijk. Sidiski en Babcock presenteren een methode om synaptische integriteit op leeftijdsafhankelijke wijze te kwantificeren in de neuromusculaire knooppunten van het dorsale longitudinale spierweefsel (DLM) in Drosophila melanogaster10. Belangrijk is dat hun dissectieprotocol, dat het snel bevriezen van weefsel omvat, zowel het neuronale als het spierweefsel behoudt en, vanwege de gemakkelijkheid van genetische manipulatie van de vlieg, het onderzoek van veranderingen in synaptische integriteit en zijn degeneratie mogelijk maakt in modellen van neurodegeneratieve ziekten.
Neurodegeneratieve ziekten en veroudering zijn gekoppeld aan proteostase-storingen11, en zowel eiwitafbraak als -synthese zijn geïmpliceerd. Papandreou et al. presenteren een protocol om de novo eiwitsynthese te kwantificeren12, met behulp van fluorescentieherstel na fotobleken (FRAP) in C. elegans-modellen die GFP tot expressie brengen. Dit systeem kan worden uitgebreid naar GFP-fusies van elk ziekte-gerelateerd eiwit, dat breed wordt uitgedrukt in het zenuwstelsel van de worm of dat op specifieke cellen of weefsels wordt gericht, en maakt het in vivo onderzoek van eiwitsynthese mogelijk in afwezigheid van niet-radioactieve en niet-invasieve methoden, naast de mogelijkheid om genetische of kleine molecuulscreens uit te voeren om nieuwe modulatoren te identificeren om proteostatische disfunctie te overwinnen.
Bescherming tegen eiwitaggregatie en neuronendod zijn veelgezochte strategieën om neurodegeneratieve ziekten te vertragen. Palikaras et al. beschrijven hoe hitteschokvoorwaaring in C. elegans neurobescherming bevordert tegen door alfa-synucleïne veroorzaakte celdood en een afname van PolyQ-geïnduceerde aggregaten13.
Neurodegeneratieve ziekten treffen meer dan 50 miljoen mensen wereldwijd, zonder bekende genezing. Met de recente vooruitgang in genetische bewerking en IPSC-technologie hebben cellulaire en kleine diermodellen het voordeel dat ze de onderliggende moleculaire en cellulaire ziektemechanismen acuut aanpakken, snelle en kosteneffectieve genetische manipulaties mogelijk maken en ideaal zijn als een high-throughput screeningsplatform voor bibliotheken van nieuwe therapeutische verbindingen. Deze verzameling ziektemethoden vergemakkelijkt het voor onderzoekers om enkele van deze modellen te gebruiken.