Choroby neurodegeneracyjne, w tym choroba Alzheimera, choroba Parkinsona, choroba Huntingtona, stwardnienie zanikowe boczne i otępienie czołowo-skroniowe, są wyniszczającymi zaburzeniami, na które nie ma lekarstwa, głównie z powodu braku zrozumienia mechanizmów leżących u podstaw choroby. Liczne zmutowane szczepy myszy zostały wygenerowane jako modele do badania tych chorób 1,2,3,4,5. Chociaż uzyskano podstawowe informacje na temat patologii i mechanizmów choroby, badania w rozdzielczości subkomórkowej i analizy wysokoprzepustowe, takie jak badania przesiewowe leków, nie są możliwe w modelach zwierzęcych. Systemy modeli komórkowych i małych zwierząt wypełniają tę niszę.
Hodowle ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (hIPSC) i różnicowanie neuronów są potężnym systemem do badania skutków zmian genetycznych w środowisku ludzkim. Jednak różne warunki hodowli, protokoły różnicowania i uprzedzenia oparte na użytkownikach często prowadzą do problemów z odtwarzalnością. Dhingra i wsp. prezentują automatyzację hodowli hiPSC i różnicowania neuronów kompatybilną z automatycznym obrazowaniem i analizą6. System ten nie tylko prowadzi do bardziej powtarzalnej hodowli i różnicowania ludzkich komórek IPS w linie neuronalne, ale także umożliwia automatyczne śledzenie na żywo fenotypów komórkowych, w tym ilościowe określanie długości neurytów, tworzenie agregatów lub wychwyt patogennych gatunków białek oraz neurodegenerację w okresie 2 miesięcy.
Zmiany w homeostazie wapnia są związane z różnymi chorobami neurodegeneracyjnymi, w szczególności z chorobą Parkinsona7. Bancroft i Srinivasan przedstawiają protokół ilościowego oznaczania strumienia wapnia w hodowanych neuronach dopaminergicznych8. Prezentowany system może przyczynić się do lepszego zrozumienia, w jaki sposób nieprawidłowa sygnalizacja wapniowa powoduje utratę neuronów dopaminergicznych i może być wykorzystana jako wysokoprzepustowa platforma przesiewowa leków do identyfikacji związków neuroprotekcyjnych.
Utrata synaps jest powszechną cechą chorób neurodegeneracyjnych9. Jednak podstawowe przyczyny pozostają niejasne. Sidiski i Babcock przedstawiają metodę ilościowego określania integralności synaptycznej w sposób zależny od wieku w połączeniach nerwowo-mięśniowych tkanki mięśnia grzbietowego podłużnego (DLM) u Drosophila melanogaster10. Co ważne, ich protokół preparacyjny, który polega na błyskawicznym zamrożeniu tkanki, zachowuje zarówno tkankę neuronalną, jak i mięśniową, a ze względu na łatwość manipulacji genetycznej muchy umożliwia badanie zmian w integralności synaptycznej i jej degeneracji w modelach chorób neurodegeneracyjnych.
Choroby neurodegeneracyjne i starzenie się są powiązane z zaburzeniami proteostazy11, a zarówno degradacja, jak i synteza białek są zaangażowane. Papandreou i wsp. przedstawiają protokół ilościowego oznaczania syntezy białek de novo 12, wykorzystujący odzyskiwanie fluorescencji po fotowybielaniu (FRAP) w modelach C. elegans eksprymujących GFP. System ten może być rozszerzony na fuzje GFP dowolnego białka związanego z chorobą, albo szeroko eksprymowanego w układzie nerwowym robaka, albo ukierunkowanego na określone komórki lub tkanki, i umożliwia badanie in vivo syntezy białek przy braku metod nieradioaktywnych i nieinwazyjnych, a także ma możliwość wykonywania badań przesiewowych genetycznych lub małocząsteczkowych w celu zidentyfikowania nowych modulatorów w celu przezwyciężenia dysfunkcji proteostazy.
Ochrona przed agregacją białek i śmiercią neuronów to poszukiwane strategie spowalniania chorób neurodegeneracyjnych. Palikaras i in. opisują, w jaki sposób wstępne kondycjonowanie szoku cieplnego u C. elegans sprzyja neuroprotekcji przed śmiercią komórek wywołaną przez alfa-synukleinę i spadkiem agregatów indukowanych przez PolyQ13.
Choroby neurodegeneracyjne dotykają ponad 50 milionów ludzi na całym świecie, nie ma na nie lekarstwa. Dzięki niedawnym postępom w edycji genetycznej i technologii IPSC, modele komórkowe i małe zwierzęta mają tę zaletę, że pozwalają na dokładne zajęcie się podstawowymi molekularnymi i komórkowymi mechanizmami chorobowymi, umożliwiają szybkie i opłacalne manipulacje genetyczne i są idealne jako wysokoprzepustowa platforma przesiewowa dla bibliotek nowych związków terapeutycznych. Ten zbiór metod leczenia chorób ułatwia naukowcom korzystanie z niektórych z tych modeli.