Нейродегенеративные заболевания, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, боковой амиотрофический склероз и лобно-височную деменцию, являются разрушительными расстройствами, которые не имеют известного лечения, в основном из-за непонимания основных механизмов заболевания. Многочисленные мутантные линии мышей были созданы в качестве моделей для исследования этих заболеваний 1,2,3,4,5. Несмотря на то, что были получены фундаментальные сведения о патологии и механизмах заболевания, исследования с субклеточным разрешением и высокопроизводительные анализы, такие как скрининг лекарств, невозможны на животных моделях. Клеточные и мелкие животные модельные системы заполняют эту нишу.
Индуцированные культурами плюрипотентных стволовых клеток человека (hIPSC) и дифференцировка нейронов являются мощной системой для изучения эффектов генетических изменений в человеческом фоне. Тем не менее, различные условия культивирования, протоколы дифференциации и предубеждения пользователя часто приводят к проблемам воспроизводимости. Dhingra et al. представляют автоматизацию культур hiPSC и дифференцировку нейронов, совместимую с автоматизированной визуализацией и анализом6. Эта система не только приводит к более воспроизводимому культивированию и дифференцировке человеческих IPS-клеток в нейронные линии, но также позволяет автоматически отслеживать клеточные фенотипы в реальном времени, включая количественную оценку длины нейритов, образование агрегатов или поглощение патогенных видов белков, а также нейродегенерацию в течение 2-месячного периода.
Изменения в гомеостазе кальция были связаны с различными нейродегенеративными заболеваниями, в частности с болезнью Паркинсона7. Bancroft и Srinivasan представляют протокол количественной оценки потока кальция в культивируемых дофаминергических нейронах8. Представленная система может привести к лучшему пониманию того, как аномальная передача сигналов кальция вызывает потерю дофаминергических нейронов, и может быть использована в качестве высокопроизводительной платформы для скрининга лекарств для идентификации нейропротекторных соединений.
Потеря синапсов является общим признаком нейродегенеративных заболеваний9. Тем не менее, основные причины остаются неясными. Сидиски и Бэбкок представили метод количественной оценки синаптической целостности в зависимости от возраста в нервно-мышечных соединениях ткани дорсальной продольной мышцы (DLM) у Drosophila melanogaster10. Важно отметить, что их протокол препарирования, который включает в себя мгновенное замораживание ткани, сохраняет как нейронную, так и мышечную ткань и, благодаря простоте генетических манипуляций с мухой, позволяет изучать изменения синаптической целостности и ее дегенерацию на моделях нейродегенеративных заболеваний.
Нейродегенеративные заболевания и старение связаны с нарушениями протеостаза, а также с деградацией и синтезом белка. Papandreou et al. представили протокол для количественной оценки синтеза белка de novo 12 с использованием восстановления флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP) в моделях C. elegans , экспрессирующих GFP. Эта система может быть расширена для слияния GFP любого белка, связанного с заболеванием, либо широко экспрессирующегося в нервной системе червя, либо нацеленного на конкретные клетки или ткани, и позволяет изучать синтез белка in vivo в отсутствие нерадиоактивных и неинвазивных методов, в дополнение к возможности проведения генетического или низкомолекулярного скрининга для выявления новых модуляторов для преодоления протеостатической дисфункции.
Защита от агрегации белков и гибели нейронов является востребованной стратегией для замедления нейродегенеративных заболеваний. Palikaras et al. описывают, как прекондиционирование при тепловом шоке у C. elegans способствует нейропротекции от гибели клеток, вызванной альфа-синуклеином, и снижению PolyQ-индуцированных агрегатов13.
Нейродегенеративные заболевания затрагивают более 50 миллионов человек по всему миру, и их лечение неизвестно. Благодаря последним достижениям в области генетического редактирования и технологии IPSC, клеточные модели и модели мелких животных имеют преимущество в остром воздействии на основные молекулярные и клеточные механизмы заболеваний, позволяют быстро и экономически эффективно проводить генетические манипуляции и идеально подходят в качестве высокопроизводительной платформы для скрининга библиотек новых терапевтических соединений. Эта коллекция методов лечения заболеваний помогает исследователям использовать некоторые из этих моделей.