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直接转分化获得的神经元—更好的细胞模型

浏览次数:1678发布日期:2023-10-12 10:54

利用iPSC诱导转分化技术对阿尔茨海默病(AD)等人类神经退行性疾病进行建模已取得诸多进展。然而,iPSC诱导技术因“重置“抹去了衰老特征/表观遗传,存在一定局限性。目前对应的解决方案是利用直接转分化技术将成纤维细胞直接转化为神经元。

2023年3月27日,斯坦福大学 Judith Frydman教授团队发表文章表明,AD患者来源成纤维细胞直接转分化获得的神经元(tNeurons,transdifferentiated Neurons; 另称直接转分化神经元即induced Neurons, iNs保留了患病人脑细胞和模型小鼠脑细胞中溶酶体和自噬缺陷特征。5月25日,华盛顿大学医学院的Andrew Yoo教授团队发表的文章表明,AD患者来源的直接转分化神经元中出现tau病理变化和神经元死亡现象。这些结果表明,直接转分化获得的神经元是神经退行性疾病可靠的有病龄病理特征的模型。

纽约大学奥兰治堡分校的Ralph Nixon和Ju-Hyun Lee教授表示,“tNeurons模型在技术上取得了宝贵的进步,是目前AD和其它晚发型神经退行性疾病研究最理想的体外模型。”

iPSC来源的神经元因重置而失去其老化的表观遗传。为此,斯坦福大学Marius Wernig教授团队开发了将皮肤成纤维细胞直接转分化为神经元的方法,被称为iNs。研究发现,iNs保留了老化的特征,但由于较高的技术难度,直接转分化的神经元没有得到广泛的应用。

 家族型AD突变患者的成纤维细胞转分化的神经元(绿色,左下角)比年龄匹配的对照组转分化神经元(上图)产生更多的Aβ沉积(红色),且更容易死亡(绿色,TUNEL染色,右下角)。蓝色为核染。

最近,Frydman教授团队发表文章表示,用Wernig教授的方法将成年人皮肤成纤维细胞直接转分化从而获得混合神经元,并分析直接转分化获得神经元年龄、病理特征等相关变化。他们比较了四组供体获得的神经元,包括健康年轻人(平均27岁)、健康老年人(71岁)、中年早老素1突变携带者(41岁)和散发型AD患者(68岁)。

与年轻供体来源的tNeurons相比,健康老年供体来源的tNeurons产生更多的Aβ40、Aβ42、p-tau和磷酸化TPD-43,表明老化本身增加了病理蛋白的表达,而细胞中上调或下调基因与内体-溶酶体的功能和修复、蛋白折叠和炎症均相关,例如,与年轻tNeurons相比较,老化tNeurons内蛋白酶体和自噬受抑制,导致蛋白更容易聚集。

另一方面,与健康的老年供体来源的tNeurons相比,散发型或家族型AD患者来源tNeurons的表型受损更严重,尤其是溶酶体通路。AD患者来源tNeurons溶酶体体积大了50%,泄漏更多,且酸化程度较低,蛋白质消化能力差,在溶酶体内和周围形成了Aβ聚集体。在使用溶酶体 ATP 酶激活剂 C381 增强酸化,Aβ 沉积物减少了三分之一到二分之一,tNeurons存活率得到改善。C-381处理的tNeurons释放较少的促炎细胞因子,如IL-6和干扰素-γ。

 相比而言,iPSC诱导的散发型AD神经元没有体现tNeurons中与疾病和衰老相关的蛋白稳态和溶酶体稳态的强烈变化。Ralph Nixon和Ju-Hyun Lee教授指出,来自tNeurons数据概括了他们在AD小鼠模型和AD大脑中观察到的一些溶酶体问题。Selina Wray、Charlie Arber和Rebecca Gabriele教授指出:iPSC诱导神经元,其“生物钟”被重置为“0”状态,其高活力蛋白酶稳态使得病理性蛋白不易聚集,并能影响细胞/细胞器长期生存能力。

成人成纤维细胞(左)使用microRNA重编程技术,在标准的培养皿中培养,然后转到薄凝胶(右),形成一个让人联想到大脑结构的三维结构。

Andrew Yoo和他的同事从4名常染色体显型AD患者、6名散发型AD患者和16名年龄匹配的对照组捐赠的成纤维细胞中获得直接转分化神经元。首先,他们使用microRNA介导转分化获得神经元,然后在三维Matrigel中培养神经元(上图)。AD患者来源的神经细胞积累的胞外Aβ是健康对照组的三倍,tau成对螺旋纤维细丝的数量是健康对照组的两倍。AD患者来源的神经细胞还出现营养不良的神经突起,死亡率是对照组的2倍。

散发型AD来源的神经细胞也同样受损。在沉积物形成之前,用β-和γ-分泌酶抑制剂抑制Aβ的产生,可以将这些散发型AD神经细胞中Aβ的聚集减少90%,细胞死亡率减少50%。相比之下,在聚集体形成后再使用抑制剂几乎没有任何作用。

以上结果证明:患者直接转分化获得的神经元可以复制AD等疾病的关键病理特征,这有利于个性化医药的发展。研究人员一致认为,直接转分化获得神经元(iNs, tNeurons)应该得到更多的研究,且应该探索如何利用直接转分化获得更多种类的亚型神经细胞。

 

原文链接:https://www.alzforum.org/news/research-news/better-cell-model-transdifferentiated-neurons-capture-ad-changes.

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