新しい細胞モデルがアルツハイマー病の理解に光を当てる
新しい細胞モデルが研究者たちがアルツハイマーをもっと効果的に研究するのを助けてるよ。
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アルツハイマー病(AD)は、主に高齢者に影響を与える深刻な状態。記憶喪失や思考や行動の問題を引き起こす。今のところ、病気の進行を変えることを目指すいくつかの治療法があるけど、依然として大きな課題が残ってるんだ。
脳のレベルでは、アルツハイマー病はアミロイドベータ(Aβ)というタンパク質の蓄積によって特徴付けられる。これがプラークと呼ばれる塊を形成する。このプロセスは病気の早い段階から始まる可能性があって、脳細胞間のコミュニケーションの問題、炎症、細胞内のストレスなど、一連の有害な出来事を引き起こす。その結果、脳細胞は時間とともに死んでいく。Aβの存在は、医者がアルツハイマー病を早期に診断するための主な方法の一つなんだ。
面白いことに、病気を修正できる数少ない治療法は、このAβの蓄積を直接ターゲットにして働く。でも、人間の細胞を使ってこの蓄積を正確に反映する細胞モデルを作るのは依然として難しい。一部の研究者は複雑な方法を使ったり、高レベルのAβを適用してプロセスを引き起こそうとするけど、これらはAβが脳内に自然に蓄積する方法を完全には捉えてないんだ。
信頼できてスケーラブルなモデルが強く求められてる。これにより、研究者は病気をよりよく理解し、新しい治療法を開発できるんだ。
新しい細胞モデルの開発
この文脈で、私たちの仕事は、アルツハイマー患者のニューロンの挙動をよりよく模倣できる人間の幹細胞を使った細胞モデルの作成に焦点を当ててる。特定のタイプの人間の細胞、誘導多能性幹細胞(HiPSCs)を使ってるんだ。これは体内のどんな細胞タイプにも変わる特別な細胞なんだ。私たちのモデルでは、スウェーデン変異と呼ばれる変異を持つhiPSCsを特に使用してる。これにより、Aβの生成が増えるんだ。
細胞モデルを強化するために、これらのニューロンに定期的に腫瘍壊死因子α(TNFα)という物質を加えてる。TNFαは脳の健康を維持するのに重要な役割を持つシグナル分子だけど、炎症にも寄与する可能性がある。以前の研究では、TNFαがAβの凝集体形成を増加させる可能性が示唆されてる。
スウェーデン変異とTNFα治療を組み合わせることで、Aβの凝集体生産だけでなく、ニューロンの活動や代謝の変化など、アルツハイマーの重要な特徴を示す効果的なモデルを開発することを目指してる。
細胞生産の最適化
私たちの細胞モデルが信頼できてスケーラブルであることを確保するために、まず、大量のhiPSCsを生成し、それをニューロンに変換するための慎重な方法を確立した。プロセスにはいくつかの品質チェックが含まれてる。
最初に、hiPSCsの成長と形を調べて、健康そうなコロニーだけを選んでる。次に、OCT4やSOX2などの特定のマーカーを調べて、細胞がまだ多能性の状態であるかを評価してる。私たちのhiPSCsが生存可能であることを確認したら、ニューロンの前駆細胞(NPCS)に分化させる作業を始める。これはニューロンの初期段階の形態なんだ。
どの方法が最良のNPCsを生産するかを試した。一部の方法は、幹細胞が他のタイプの細胞に変わるのを通常誘導する経路をブロックするために化学的阻害剤を使って、ニューロンになるのを確実にしてる。
3つの分化プロトコルを試した結果、高品質のNPCsを一貫して生産する方法を見つけた。この方法を使うことで、私たちは後で使用するために凍結保存できる何百万ものNPCsを作成できるようになった。
NPCsからニューロンを作成
NPCsを集めた後、彼らをニューロンに変換するステップに進む。これは簡単なプロセスで、特定の培養培地を使用し、発育を支えるために適切な条件を提供する。また、このプロセス中に、望ましくない細胞タイプがいないかを監視し、生成されたニューロンが正しく機能していることを確認してる。
私たちは、ニューロンの特性をいくつか分析し、特にTBR1という特別なマーカーを探してる。これは、これらのニューロンがグルタミン酸ニューロンとして特定されるのに重要なんだ。
私たちの目標は、最終的なニューロン集団がアルツハイマー病で見られる変化を正確に表現すること。
TNFαを使ってAβ凝集を誘導
信頼できるニューロンシステムが整ったら、次にニューロンをTNFαで処理する。目的は、この治療がアルツハイマー患者のように自然にAβ凝集体の形成を誘導できるかを見ること。以前の研究では、スウェーデン変異を持つ人間のニューロンが単一のAβのレベルを増加させたけど、追加のストレスがないと凝集体を形成しなかったことが示されてる。
数週間にわたってTNFαを適用することで、ニューロン内のAβ凝集体の存在を追跡した。TNFα治療はニューロン内のAβクラスターの有意な増加を引き起こしたことがわかった。特に、軸索投影で顕著だった。これは、TNFαがAβ凝集体形成を促す重要な役割を果たすことを示してる。
シナプスと代謝の変化を評価
Aβの凝集を観察した後、ニューロンの健康の他の側面、例えばシナプス機能やエネルギー使用に注目した。シナプスは、ニューロンがつながり、互いにコミュニケーションをとるポイントなんだ。シナプスの異常はアルツハイマー病の特徴なんだ。
シナプスの存在と機能を示す特定のタンパク質、例えばSYN1やPSD-95を評価した。TNFα治療後、これらのタンパク質の共局在が減少したことに気づいた。これはシナプス構造が損なわれたことを示唆してる。
さらに、ニューロンの全体的な電気活動も測定した。TNFαで処理されたニューロンは、発火率が高く、活動が増加していたけど、同期は低くて、ニューロン同士のコミュニケーションがあまりうまくいってなかった。
また、ニューロンの代謝率も調べて、どれだけ酸素を消費しているかを測定した。これがエネルギー生産を反映するんだ。結果として、TNFα処理されたニューロンは酸素消費率が高く、過剰代謝状態にあることがわかった。これは、アルツハイマー患者からの観察と一致していて、初期の代謝変化がより明らかな症状の前に起こるんだ。
結論
要するに、私たちはアルツハイマー病の重要な特徴を効果的に模倣する信頼できる細胞モデルを開発した。ストレスに反応し、Aβ凝集体を生成するhiPSC由来のニューロンを作ることで、病気の病理をより詳細に探ることができるようになった。
私たちのモデルは、アルツハイマーをよりよく理解し、新しい治療法を試すための貴重なリソースとして利用できる可能性がある。この研究は、複雑な病気についての洞察を得るために人間の細胞モデルを使用する重要性を強調して、最終的に患者の結果を改善することにつながるんだ。
タイトル: TNFα-driven Aβ aggregation, synaptic dysfunction and hypermetabolism in human iPSC-derived cortical neurons
概要: Alzheimers disease (AD) patients exhibit an increased load of A{beta} aggregates in the brain parenchyma. The neurotoxic nature of these aggregates has been underscored by recent advances in therapies aimed at reducing their load. To make further progress towards the development of increasingly effective treatments, there is a still largely unmet need for reliable cell models that comprehensively recapitulate aggregate-driven AD pathology. Here, we report a robust and scalable pipeline for generating human iPSC-derived cortical neurons that display A{beta} aggregates in their axonal projections. This phenotype is caused by a repeated dosage of tumour necrosis factor-alpha (TNF) to simulate the chronic inflammatory environment characteristic of AD and enhanced in neurons carrying the Swedish mutation. In association with the increased A{beta} deposits in the cell bodies, this cell model exhibits other key hallmarks of AD, including structural alterations of synapses, electrophysiological asynchronous hyperactivity, and hypermetabolism. Overall, these results illustrate how repeated TNF treatment models central aspects of AD pathology, and provides a platform that could be used for facilitating the translation of potential drugs to clinical applications.
著者: Michele Vendruscolo, A. Gonzalez-Diaz, E. Belli, B. Mannini, G. A. Urrutia
最終更新: 2024-09-01 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.08.30.610594
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.08.30.610594.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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