$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
W chorobie Parkinsona (PD) zaburzone są różne procesy biologiczne komórek. Na przykład dysfunkcja mitochondriów, stres oksydacyjny, defekty degradacji białek, zakłócenie transportu pęcherzykowego i funkcji endolizosomalnej są związane z utratą neuronów dopaminergicznych (mDA) w śródmózgowiu, są często obserwowane w PD1. Dlatego wydaje się, że choroba Parkinsona obejmuje wiele mechanizmów chorobowych, które mogą wchodzić ze sobą w interakcje i pogarszać się nawzajem. Jednym z użytecznych sposobów badania tej mechanistycznej zależności jest stworzenie kompleksowego fenotypowego odcisku palca lub profilu neuronów dopaminergicznych śródmózgowia (mDA).
Profilowanie fenotypowe to podejście, które polega na stworzeniu profilu próbki na podstawie zbioru mierzalnych cech, a po drugie, polega na dokonywaniu prognoz dotyczących próbki na podstawie tego profilu2,3. Celem profilowania jest uchwycenie różnorodnych cech, z których niektóre mogły nie być wcześniej powiązane z chorobą lub leczeniem3. W rezultacie, profilowanie może ujawnić nieoczekiwane procesy biologiczne. Profilowanie fenotypowe zazwyczaj opiera się na komórkach barwionych fluorescencyjnie, a standaryzowane testy, takie jak malowanie komórek, zostały opracowane w celu stworzenia profili fenotypowych4. Ostatnio profilowanie fenotypowe zaczęto na przykład stosować do charakterystyki małych cząsteczek lub dokładnego przewidywania podtypów PD wyłącznie na podstawie fibroblastów pochodzących od pacjenta5,6. Pomimo tych postępów, profilowanie fenotypowe rzadko stosuje się do komórek zróżnicowanych po mitozie, takich jak neurony mDA pochodzące z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC), które wyrażają mutacje związane z PD, takie jak LRRK2 G2019S. Do istotnych wyzwań związanych z modelami wywodzącymi się z iPSC należy obecność subtelnych lub zmiennych cech patologicznych w zróżnicowanych partiach lub genotypach oraz fakt, że izolowane fenotypy PD nie oddają pełnej złożoności choroby. Ponadto, chociaż modele neuronalne iPSC są fizjologicznie istotne, rzadko są one wykorzystywane w procesach odkrywania leków na chorobę Parkinsona ze względu na obawy związane ze złożonością techniczną7,8.
Wcześniej opracowaliśmy solidną metodologię do pomiaru wielu patogennotypów patofizjologicznych związanych z PD w ludzkich neuronach mDA, które są zarówno wrażliwe na zmiany fenotypowe wywołane przez związki genetyczne, jak i chemiczne9. W tym artykule szczegółowo opisano bardziej zoptymalizowaną wersję tej metodologii do tworzenia profili fenotypowych z neuronów mDA (Rysunek 1). Protokół ten ma kilka zalet w porównaniu z wcześniej opisanymi podejściami do profilowania fenotypowego, takich jak wykorzystanie wysokiej jakości neuronów mDA i odtwarzalność techniczna. Po raz pierwszy protokół ten umożliwia profilowanie fenotypowe w fizjologicznie istotnych postmitotycznych neuronach mDA po zaburzeniach chemicznych w wysoce skalowalny sposób. W pełni zróżnicowane i kriokonserwowane neurony mDA są dostępne na rynku, co znacznie zmniejsza zmienność różnicowania między partiami. Po drugie, zmienność techniczną można jeszcze bardziej ograniczyć poprzez zastosowanie dobrze zdefiniowanego projektu eksperymentalnego (tj. czasu trwania hodowli lub unikania studzienek krawędziowych), zautomatyzowanej obsługi cieczy i zautomatyzowanej mikroskopii. Ponadto przedstawiono tutaj początkowe etapy analizy profilu fenotypowego przy użyciu nienadzorowanych grupowań lub nadzorowanych podejść klasyfikacyjnych, wskazując, w jaki sposób można analizować dane profilowania fenotypowego. Protokół ten będzie przydatny dla badaczy zainteresowanych zmianami fenotypowymi neuronów mDA wywołanymi zaburzeniami genetycznymi lub chemicznymi, szczególnie gdy wymagana jest wysoce skalowalna konfiguracja badania, na przykład podczas kampanii przesiewowych lub gdy ma być badany wpływ mniejszej liczby związków, na przykład w celu określenia efektów toksycznych. Podsumowując, przewiduje się, że zastosowanie profilowania fenotypowego ludzkich neuronów jest cenną techniką badania złożonych fenotypów związanych z chorobą i charakteryzowania efektów komórkowych kandydatów na leki.

Rysunek 1: Schematyczne przedstawienie eksperymentalnego protokołu generowania profili fenotypowych opartych na obrazach z ludzkich neuronów mDA pochodzących z iPSC. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.