Artykuł metodologiczny

Komórkowe i Małe Modele Zwierzęce Chorób Neurodegeneracyjnych

2.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/64542

⸱

17 sierpnia 2022

 , 

W tym artykule

Streszczenie

OMAWIANE ARTYKUŁY:

Dhingra, A. i wsp. Zautomatyzowana produkcja indukowanych przez człowieka pluripotencjalnych neuronów korowych i dopaminergicznych pochodzących z komórek macierzystych ze zintegrowanym monitorowaniem żywych komórek. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (162) (2020).

Bancroft, EA, Srinivasan, R. Kwantyfikacja spontanicznych strumieni Ca2 + i ich dalszych skutków w pierwotnych neuronach śródmózgowia myszy. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (163) (2020).

Sidisky, J. M., Babcock, D. T. Wizualizacja zwyrodnienia synaptycznego u dorosłych drosophila w połączeniu z neurodegeneracją. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (159) (2020).

Papandreou, M. E., Palikaras, K., Tavernarakis, N. Ocena szybkości syntezy białek de novo w Caenorhabditis elegans. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (163) (2020).

Palikaras, K., Tavernarakis, N. Modelowanie chorób neurodegeneracyjnych związanych z wiekiem w Caenorhabditis elegans. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (162) (2020).

Artykuł redakcyjny

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.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Praca ta była wspierana przez Stowarzyszenie Alzheimera (NIRG-15-363678 do MS), afar (MS) i NIH (1R01-AG052505 i 1R01-NS095988 do MS; R01-NS102181, R01-NS113960, R01-NS121077 i 1R21-NS127939 do J.B.; oraz 1RF1-NS126342-01 do M.S. i J.B.).

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Cellular ModelsInduced Pluripotent Stem CellsCortical NeuronsDopaminergic NeuronsCa2+ FluxesPrimary Mouse Midbrain NeuronsSynaptic DegenerationDrosophilaNeurodegenerationDe Novo Protein SynthesisCaenorhabditis ElegansAge-associated Diseases