患者细胞在分化过程中出现不同表型

卢森堡 University of Luxembourg 与多地合作团队在 Movement Disorders 报道了 PINK1 相关帕金森病模型的研究。团队将患者诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)分化为神经上皮干细胞,再分别开展二维神经元培养和脑类器官实验,寻找分化异常及可干预的细胞变化。

模型来自 3 名 PINK1 突变患者和 3 名匹配健康对照,每名供者使用 1 个 iPSC 克隆。2 名患者携带 p.Q456X,另 1 名携带 p.I368N。团队还纠正患者细胞中的突变,以比较遗传改变与模型表型的关系。

患者来源的二维培养中,分化成酪氨酸羟化酶(TH)阳性神经元的比例降低,细胞增殖、凋亡及胶质相关标志也有变化。纠正 PINK1 突变后,部分变化改善。不同检测分别描述多巴胺能分化、总体神经元组成和细胞状态。

脑类器官进一步呈现了患者与对照之间的分化差异。团队在第 10、20 和 30 天比较蛋白谱,观察到神经发育、自噬和细胞命运相关蛋白的变化;这一蛋白组时间序列采用的是 1 个患者与 1 个对照来源模型。

用自噬报告系统寻找干预方向

研究使用荧光报告系统观察自噬和线粒体自噬,将对酸性环境敏感的绿色信号与红色信号结合。LC3 相关报告反映自噬过程,ATP5C1 相关报告用于线粒体自噬;所用报告模型分别来自 1 个患者和 1 个健康对照。

团队比较了促进或抑制自噬的条件,发现增强自噬与神经元分化改善相伴。随后测试 2-羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD),检查它对自噬相关转录因子 TFEB、溶酶体相关指标和分化的影响。

持续给药影响二维细胞和类器官分化

HP-β-CD 在每次换液时加入,并贯穿相应分化过程。二维培养接受 21 天处理后,TFEB 进入细胞核的比例增加,相关自噬报告和溶酶体指标也发生变化。未给药的相同分化培养液作为对照。

类器官实验比较 500 nM、1、5 和 10 µM 浓度,在第 30 天以 TH 和 TUBB3 染色观察神经元。总体 TUBB3 阳性比例变化不明显,患者模型的 TH 阳性比例在特定给药条件下增加。作者在讨论中将较明确的类器官分化改善归于 5 µM 条件。

图 4 的类器官给药比较采用 1 个对照和 2 个患者来源模型,并包含独立分化重复。二维细胞、报告系统和蛋白组的样本集合各不相同,研究据各自的检测结果讨论 HP-β-CD 作用。

给药后,部分患者模型的蛋白丰度更接近对照,包括与分化和自噬相关的蛋白。团队将这些变化与 TFEB 和溶酶体功能联系;对 HP-β-CD 的完整作用机制,作者仍提出进一步研究。

HP-β-CD 对二维细胞的自噬相关指标、蛋白变化和脑类器官分化的影响。

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HP-β-CD 对二维细胞的自噬相关指标、蛋白变化和脑类器官分化的影响。(Jarazo et al. / Movement Disorders, 2021, Figure 4;CC BY 4.0;PMC)

动物实验采用预防性处理

小鼠实验以 MPTP 连续处理 5 天造成多巴胺能损伤,同时安排 HP-β-CD 预防性皮下注射,处理持续 15 天。TH 染色和组织定量显示,HP-β-CD 减少了 MPTP 所致的中脑 TH 阳性神经元损失。

作者据细胞、类器官与动物结果提出,将自噬和溶酶体调控作为进一步药物研究方向。HP-β-CD 由不同取代程度的环糊精成分组成;团队分析所用材料,发现羟丙基取代数为 6 的成分最常见,并认为明确组成有助于不同研究之间比较。

来源与延伸阅读

  1. Parkinson's Disease Phenotypes in Patient Neuronal Cultures and Brain Organoids Improved by 2‐Hydroxypropyl‐β‐Cyclodextrin Treatment. Movement Disorders (2021). ↗