患者胶质细胞与大鼠神经元组成混合物种模型

研究使用 1 位携带 TDP-43 A90V 变异的肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)和额颞叶痴呆(frontotemporal dementia,FTD)患者,以及 1 位未患病家庭成员的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC),分别生成星形胶质细胞。人源胶质细胞提供疾病相关环境,神经毒性和保护作用则通过大鼠原代脊髓运动神经元评价。

团队采用分隔共培养和条件培养液两种设计:前者使两类细胞共享培养环境,后者将星形胶质细胞培养后的液体加入大鼠神经元培养物。两者均用于考察胶质细胞释放的物质是否影响运动神经元。

成熟胶质细胞的培养液损伤运动神经元

患者和家庭对照 iPSC 均能分化至神经前体和星形胶质细胞阶段。研究以多种标志确认细胞身份与成熟程度。成熟患者细胞表现出轻度反应性变化,胞质 TDP-43 信号约为对照的 1.5 倍,但未检出明显聚集或显著核内蛋白丢失。

成熟患者星形胶质细胞的共培养或条件培养液,使大鼠运动神经元数量下降约 40%–50%;家庭对照未显示相同作用。神经前体细胞和星形胶质前体细胞也未产生同样神经毒性,培养物中的中间神经元未见相应损失。损伤因此与胶质细胞成熟阶段及所测神经元类型有关。

polyP 染色与中和实验考察损伤来源

研究检测患者与对照星形胶质细胞中的聚磷酸(polyphosphate,polyP)。JC-D8 荧光染色和另一种特异性较低的染色方法均显示,患者细胞中的相关信号约为对照的 2 倍。

研究进一步将 1 μg/mL G4-PAMAM-NH2 加入患者来源条件培养液。这种带正电的树枝状聚合物能结合并中和 polyP,加入后观察到大鼠运动神经元存活得到保护。染色与功能干预分别用于检查 polyP 的变化及其对神经元的影响。

实验同时包括未处理、家庭对照培养液、患者培养液、患者培养液加聚合物,以及聚合物单独处理 5 个条件。聚合物单独处理未改变运动神经元存活,提供了与中和干预对应的对照。

人源星形胶质细胞 polyP 染色与大鼠运动神经元中和干预比较

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人源患者与家庭对照星形胶质细胞的 polyP 染色,以及大鼠运动神经元的条件培养液/中和干预比较。图 D 的存活指标以体外培养第 7 天对照归一化。(来源:Rojas 等,Frontiers in Cell and Developmental Biology,2023,Fig.6,CC BY 4.0)(Rojas 等 / Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2023, Fig.6;CC BY 4.0)

存活比较使用独立培养重复

研究用 MAP2 和 SMI32 免疫标记识别神经元与运动神经元,并在随机视野中计数。相关培养物在体外培养第 4 天接受条件培养液,第 7 天评价存活。图 6D 的结果以第 7 天对照归一化;相关比较来自 3 次独立培养实验,人源细胞来源仍为 1 位患者与 1 位家庭对照。

这一模型将人源患者胶质细胞与大鼠运动神经元的反应联系起来,但患者来源和物种范围有限。作者也指出,G4-PAMAM-NH2 还可结合其他带负电聚合物,如肝素。因此,其保护作用是否特异来自 polyP 中和,需要进一步区分。

来源与延伸阅读

  1. Mature iPSC-derived astrocytes of an ALS/FTD patient carrying the TDP43 A90V mutation display a mild reactive state and release polyP toxic to motoneurons. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2023. doi:10.3389/fcell.2023.1226604 ↗