Методическая статья

Клеточные и мелкие животные модели нейродегенеративных заболеваний

2.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/64542

⸱

17 августа 2022 г.

 , 

В этой статье

Аннотация

ОБСУЖДАЕМЫЕ СТАТЬИ:

Dhingra, A. et al. Автоматизированное производство индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека кортикальных и дофаминергических нейронов со встроенным мониторингом живых клеток. Журнал визуализированных экспериментов. (162) (2020).

Бэнкрофт, Э. А., Сринивасан, Р. Количественная оценка спонтанных потоков Ca2+ и их нисходящих эффектов в первичных нейронах среднего мозга мышей. Журнал визуализированных экспериментов. (163) (2020).

Сидиски, Д. М., Бэбкок, Д. Т. Визуализация синаптической дегенерации у взрослой дрозофилы в связи с нейродегенерацией. Журнал визуализированных экспериментов. (159) (2020).

Папандреу, М. Е., Паликарас, К., Тавернаракис, Н. Оценка скорости синтеза белка de novo у Caenorhabditis elegans. Журнал визуализированных экспериментов. (163) (2020).

Паликарас, К., Тавернаракис, Н. Моделирование возраст-ассоциированных нейродегенеративных заболеваний у Caenorhabditis elegans. Журнал визуализированных экспериментов. (162) (2020).

Редакционная статья

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.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Ассоциацией Альцгеймера (NIRG-15-363678 to M.S.), AFAR (M.S.) и NIH (1R01-AG052505 и 1R01-NS095988 to M.S.; R01-NS102181, R01-NS113960, R01-NS121077 и 1R21-NS127939 в J.B.; и 1RF1-NS126342-01 М.С. и Дж.Б.).

Ссылки

  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).

Перепечатки и разрешения

Больше статей

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