Nature:從多功能幹細胞誘導而得的老年痴呆症神經元

2021-01-11 生物谷

加利福尼亞大學聖地牙哥醫學院的研究人員首次在散發性遺傳性老年痴呆症在體模型上創造了細胞衍生的幹細胞,利用源自患可怕神經退行性疾病患者的誘導多功能幹細胞。

"此前,從來沒有在皿中創造過高度純化、功能性的人類老年痴呆症神經元",研究的通訊作者Lawrence Goldstein博士說,他是細胞與分子醫學系的教授,也是霍華德 · 休斯醫學研究所 的研究員、加利福尼亞大學聖地牙哥幹細胞計劃的主要負責人,"這是第一步。這些不是完全的模型。它們是一種觀點的證據。但是,現在我們知道怎樣製造它們。這要求格外小心與勤奮,實際上是誘導一致行為的嚴格質量控制,但是我們能做到"。

這個壯舉發表在1月25日版的雜誌Nature上,代表著一種研究AD病因的新的、急需的方法,AD是一種折磨著近540萬美國人的進行性痴呆。更重要的是,活細胞為開發與測試此病治療藥物提供了一種前所未有的工具。

"我們正在研究人類大腦。你們在病人上不能只做活組織檢查", Goldstein說,"相反,研究人員不得不圍繞著它做工作,如在非神經元細胞中模仿此疾病的某些方面或用有限的動物模型進行模仿。這兩種方法都不令人滿意。"

Goldstein和同事們從皮膚組織中提取初級成纖維細胞,所用的皮膚組織分別取自兩個患家族性AD(與一種遺傳易感性有關的罕見、早發性疾病)的病人、兩個散髮型AD患者(病因未知的常見形式)和兩個無已知神經學問題的正常人。他們將成纖維細胞重編程為誘導多功能幹細胞(iPSC),這些細胞能分化成為起作用的神經元。

源自老年痴呆症患者的iPSC衍生神經元展現出正常的電生理活性,形成功能性突觸聯繫,精確地顯示出AD信號燈作用。具體地說,它們擁有與疾病相關的高於正常水平的蛋白質。

用體外的老年痴呆症神經元,科學家們能更深入地研究AD如何開始發病,繪製最後破壞與如記憶般的認知元件相關的大腦細胞的生化過程。目前,AD研究大部分依賴於死後組織的研究,這些組織往往是長時間損傷後的。

"健康神經元與老年痴呆症神經元間的區別是細微的", Goldstein說,"這基本上可歸結為長時間累積的具有災難性後果的低水平損傷"。

研究人員已經得到一些驚人的研究發現。"在這項研究中,我們展示了老年痴呆症神經元中的早期變化,這些變化被認為是疾病過程中的始發事件,證明不是那麼明顯", Goldstein說,補充說他們發現了一件發揮更大作用的不同早期事件。

科學家們也發現,來自2個散髮型AD患者其中一個的神經元展現出可能與此疾病相關的生化改變。這個發現表明,這種疾病可能有一些亞類,將來潛在的治療方法可能針對於AD患者的特殊群體。

雖然只是個開始,Goldstein強調說,iPSC源性老年痴呆症神經元在絕鬥中呈現出巨大的機會。"在結束的那一天,我需要用象這些一樣的細胞來更好地理解老年痴呆症,來尋找治療藥物。我們需要做我們能做的每一件事,因為這個疾病的花費太大、太可怕以致於不敢考慮。沒有解決辦法 ,它將在感情上、經濟上擊潰我們。"(生物谷bioon.com)

Probing sporadic and familial Alzheimer's disease using induced pluripotent stem cells

Mason A. Israel, Shauna H. Yuan, Cedric Bardy, Sol M. Reyna, Yangling Mu, Cheryl Herrera,Michael P. Hefferan, Sebastiaan Van Gorp, Kristopher L. Nazor, Francesca S. Boscolo, Christian T. Carson, Louise C. Laurent, Martin Marsala, Fred H. Gage, Anne M. Remes, Edward H. Koo &Lawrence S. B. Goldstein

Abstract Our understanding of Alzheimer's disease pathogenesis is currently limited by difficulties in obtaining live neurons from patients and the inability to model the sporadic form of the disease. It may be possible to overcome these challenges by reprogramming primary cells from patients into induced pluripotent stem cells (iPSCs). Here we reprogrammed primary fibroblasts from two patients with familial Alzheimer's disease, both caused by a duplication of the amyloid-β precursor protein gene1 (APP; termed APPDp), two with sporadic Alzheimer's disease (termed sAD1, sAD2) and two non-demented control individuals into iPSC lines. Neurons from differentiated cultures were purified with fluorescence-activated cell sorting and characterized. Purified cultures contained more than 90% neurons, clustered with fetal brain messenger RNA samples by microarray criteria, and could form functional synaptic contacts. Virtually all cells exhibited normal electrophysiological activity. Relative to controls, iPSC-derived, purified neurons from the two APPDp patients and patient sAD2 exhibited significantly higher levels of the pathological markers amyloid-β(1-40), phospho-tau(Thr?231) and active glycogen synthase kinase-3β (aGSK-3β). Neurons from APPDp and sAD2 patients also accumulated large RAB5-positive early endosomes compared to controls. Treatment of purified neurons with β-secretase inhibitors, but not γ-secretase inhibitors, caused significant reductions in phospho-Tau(Thr?231) and aGSK-3β levels. These results suggest a direct relationship between APP proteolytic processing, but not amyloid-β, in GSK-3β activation and tau phosphorylation in human neurons. Additionally, we observed that neurons with the genome of one sAD patient exhibited the phenotypes seen in familial Alzheimer's disease samples. More generally, we demonstrate that iPSC technology can be used to observe phenotypes relevant to Alzheimer's disease, even though it can take decades for overt disease to manifest in patients.

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