Индуцирани плурипотентни стволови клетки (iPSCs) и моделиране на неврологични заболявания: напредък и обещания

Системното генериране на неврони от пациенти с неврологични заболявания може да осигури важни прозрения в патологията на заболяването, прогресията и механизма. Този преглед ще обсъди скорошния напредък в моделирането на невродегенеративни и невроразвиващи заболявания, използващи индуцирани плурипотентни стволови клетки (iPSCs), и ще подчертае някои от настоящите предизвикателства в тази област. В комбинация с други технологии, използвани преди това за изследване на мозъчните заболявания, iPSC моделирането има обещанието да повлияе на съвременната медицина на няколко фронта: ранна диагностика, разработване на лекарства и ефективно лечение.

Към днешна дата повечето изследвания на човешкия мозък и невронната функция при неврологични пациенти са извършени върху тъкани след смъртта, които не винаги са добре запазени и често представляват крайния етап на заболяването. В допълнение, модели на мишки, достъпни за проучване на неврологични заболявания, са ограничени и обикновено не рекапитулират изцяло човешкия неврон фенотип. Появата на индуцирани плурипотентни стволови клетки (iPSCs) осигури важен инструмент за изследване на човешките невродегенеративни и невроразвиващи заболявания в живите неврони в контролирана среда. Изследователите едва сега започват да схващат многото последици от изучаването на развиващите се неврони от пациентите. Например, препрограмирането на клетки от пациенти с неврологични заболявания позволява изследване на молекулярни пътища, специфични за специфичните подвидове на неврони [напр. допаминергични неврони при болестта на Паркинсон]; такъв експеримент може да се направи само с използване на неврони, диференцирани от iPSCs, тъй като е твърде инвазивно за изолиране на тези неврони от мозъците на пациентите. В допълнение, тъй като технологията на препрограмиране позволява изследването на човешки неврони по време на развитието, специфичните за болестта пътища могат да бъдат изследвани преди и по време на началото на заболяването. Откриването на специфични за болестта молекулярни подписи в живи човешки неврони, за разлика от по-късните постмодерни тъкани, открива възможности за терапии за ранна интервенция и нови диагностични средства. Важно е, че сега е възможно да се получат неврони, които улавят генетичния материал от пациента, което включва не само мутиралия ген (и), когато генът е известен, но и всички генетични модификатори, които играят важна, но до голяма степен неизвестна роля в патологията на неврологичното заболяване. Накрая, след като неврологичният неврон фенотип се открива ин витро, така нареченият подход „болест в апарат“ позволява скрининг на лекарства, които могат да облекчат специфичния за болестта фенотип. Новите терапевтични лекарства биха могли или да действат на обобщени пътеки при всички пациенти, или да бъдат специфични за пациента и да се използват в персонализиран медицински подход.
В този преглед ще направим оценка на скорошната литература за моделиране на неврологични заболявания, използвайки iPSCs, ще предложим други неврологични заболявания, които все още не са проучени с технологията iPSC, и ще обсъдим някои от основните предизвикателства в тази област.

Невродегенеративни заболявания
Невродегенеративните разстройства включват различни наследствени или спорадични заболявания, които включват хронична, прогресивна загуба на невронална структура и функция. Тъй като стареенето е най-последният рисков фактор за невродегенеративните заболявания и имаме застаряващо население, от голямо значение е да разкрием причините за клетъчната смърт, които са характерни за тези заболявания. Технологията на препрограмиране позволява на изследователите да проучат развитието и прогресията на невродегенерацията в човешката система и могат да дадат възможност за откриването на нови ранни диагностики и терапии.
Първите невродегенеративни заболявания, моделирани с използване на човешки iPSCs, са моногенно наследени, редки и фатални нарушения: атрофия на гладката мускулатура (SMA) и фамилна дисовтономия (FD). За да се моделира SMA, iPSCs са генерирани от дете с мутация в SMN (SMA тип 1) и от неговата незасегната майка. Както фибробластите, така и iPSCs от детето показват намалени нива на SMN с пълна дължина и моторните неврони, получени от тези клетки, не са били в състояние да оцелеят в културата след 6 седмици. Две съединения, за които е известно, че повишават нивата на SMN, валпроевата киселина и тобрамицин, могат частично да възстановят намаляването на SMN протеина, въпреки че не са изследвани ефектите им върху невроналната преживяемост. FD бе моделиран на трима пациенти и две контроли . Периферните неврони, получени от IPSC, невронният подтип, засегнат главно от това разстройство, показват тъканно-специфично неправилно снаждане на IKBKAP, транскрипта на IKAP протеин, замесен в FD. Непълна диференциация и намалена подвижност, известни резултати от изчерпването на IKAP, също се наблюдават при клетки, получени от FD пациент от iPSC. В допълнение към осигуряването на мащабен транскрипционен анализ, това изследване също така показва частично спасяване на сплайс фенотипа, използвайки кинетоин, съединение, известно, че предотвратява мутантно снаждане. Тези проучвания, макар и ограничени, полагат основите за използване на технологията на препрограмиране за моделиране на по-сложни, мултигенни или дори идиопатични невродегенеративни разстройства.

Болестта на Алцхаймер (AD) е най-честата невродегенеративна болест, характеризираща се с тежка прогресивна деменция. Невропатологията се състои от неврофибриларни плаки и възли, съставени предимно от пептид амилоид-β (Аб) и хиперфосфорилиран TAU, съответно, в мозъчната кора и някои субкортикални области, включително хипокампуса. Подобно на PD, преди технологията на препрограмиране, проучването на AD беше силно ограничено поради липсата на подходящи модели на мишки. Появата на iPSC от пациенти със спорадични форми на заболяването, които представляват по-голямата част от случаите, трябва да осигури прозрение на формите на невродегенерация, които досега не са могли да се моделират. Освен доказателствата за концептуални експерименти, показващи, че е възможно да се репрограмира клетките от пациенти с AD, полето е изненадващо бавно в анализа на моделите AD iPSC, което може да отрази предизвикателствата на моделирането на болести с късна поява. Ефектите на АР пептида върху неврогенезата са неопределени, но неотдавнашен доклад предполага, че лечението с Ар 1-42 олигомери може да наруши функцията на човешки ембрионални стволови клетки (ESC) – получени холинергични неврони на предния мозък. Остава да се види дали подобни ефекти ще бъдат наблюдавани при неврони, получени от пациенти с IPSC на AD пациент.

Невроразвиващи заболявания
Невроразвиващите разстройства включват широк спектър от заболявания, характеризиращи се с увреждане на невронната функция по време на развитието на мозъка. Те имат силен генетичен компонент; макар че могат да бъдат резултат от една мутация, те са по-често мултигенни . В идеалния случай подходящи за моделиране на сложни генетични заболявания, модели на невроразграждащите заболявания, основани на iPSC, могат да рекапилират ранните стъпки на невронална диференциация в генетични среди, за които е известно, че водят до невроразвиващи разстройства, позволяващи изследването на клетъчните и молекулните причини за тези заболявания.
Разстройствата на аутистичния спектър са сложни невроразвиващи заболявания, високо наследствени и характеризиращи се с дефицит в нарушеното социално взаимодействие и повтарящо се поведение. Настоящата липса на ранни биологични маркери, подходящи модели на мишки и ефективни лечения правят ASD привлекателна болест за бъдещо моделиране с iPSC.

Шизофренията (SCZD) е изтощително психиатрично разстройство, което се среща при ~ 1% от световната популация и се характеризира с положителни (халюцинации и заблуди), отрицателни (загуба на въздействие) и когнитивни симптоми. Въпреки че откритите клинични симптоми на SCZD обикновено се появяват по време на късното юношество или в ранната възраст, нараства приемането, че нарушените когнитивни функции могат да се появят доста преди началото на заболяването. Първият доклад на SCZD iPSCs е от пациенти с мутации в DISC1, изключително рядка моногенна форма на SCZD. Тези iPSCs се генерират като се използва метод без интеграция, но все още не са диференцирани в неврони. Наскоро се съобщи за генерирането на SCZD iPSC неврони от четирима пациенти със сложни генетични случаи на SCZD. Наблюдава се, че SCZD iPSC невроните са намалили невронната свързаност, намалили са  израстването на неврита от soma, намалелите PSD95 дендритни протеинови нива и променените генни експресионни профили спрямо контролите; дефектите в невронната свързаност и генната експресия са облекчени след антипсихотично лечение.

Предизвикателства при моделиране на неврологични заболявания
Технологията iPSC има ясен потенциал за идентифициране на молекулните механизми на редица неврологични заболявания, които в момента нямат лечение или ефективна терапия. Независимо от това, съществуват редица належащи проблеми, които трябва да бъдат разгледани, преди технологията iPSC да бъде широко използвана за клинично значимо моделиране на неврологични заболявания. Сред тези проблеми са вариабилността на методите за генериране на iPSC, вариабилността между отделните индивиди, епигенетичната / генетичната нестабилност и способността да се получават подтипове на неврони, свързани с болестта.

Наскоро изследователите започнаха да оценяват (и количествено да определят) променливостта, която съществува в линиите на iPSC. Наблюдавани са повишени нива на анеуплоидия , дефекти в инактивирането на Х-хромозомите и геномно отпечатване, анормално епигенетично препрограмиране, наличие на точкови мутации и вариации в броя копия. Не е ясно коя от тези разлики би могла да бъде релевантна при моделиране на болестта на iPSC, тъй като както очакваната соматична вариабилност, така и нивото на генетична мозайка, наблюдавана в живота на нормалните индивиди, остава неизвестна. Без тези познания все още не можем напълно да преценим последиците от променливостта, наблюдавана между културите на iPSC. Рекапитулацията на човешката кортикогенеза in vitro също е предизвикателство. Моделирането на заболявания, при които се предлага промяна на организацията на кортикалните слоеве, като аутизъм  и шизофрения, ще се възползва от протоколи, които точно генерират обогатени популации на кортикални неврони. Разделянето и стратификацията на невроните, използвайки камерни устройства, свързани с живи изображения, би било полезно да започнат да подтискат динамичното поведение и молекулярната анатомия на тези неврони по по-прецизен начин.

Заключение
Моделирането на невродегенеративни и невроразвиващи заболявания, използващи iPSC, има потенциала да осигури ценно въздействие върху съвременната медицина. Оптималните инструменти все още се разработват заедно с механистичните проучвания и непрекъснатото валидиране. Във връзка с други техники, като моделиране на мишки, изображения с магнитен резонанс, цялостно геномно секвениране и анализ на наднормени клинични данни, технологията iPSC може да играе истинска роля в разбирането на неврологичните заболявания.

 

2018-06-04T10:09:30+00:00юни 4th, 2018|
Обадете ни се!