3D-система клеточной культуры человеческих нейронов для моделирования болезни Альцгеймера

Разработчики

Юнг Хье Ким, Се Хун Чой, Клара Д’Аванцо, Рудольф Э. Танци, Ду Йон Ким и др.

Описание технологии

Методы стволовых клеток способствовали разработке клеточных моделей заболеваний человека, которые могут быть использованы для изучения их патогенеза и тестирования потенциальных способов лечения. Эти модели перспективны для исследования сложных неврологических заболеваний, например, болезни Альцгеймера, поскольку существующие модели на животных не смогли полностью воспроизвести все аспекты патологии.

В основе рассматриваемой технологии лежит улучшенный вариант новой 3D-системы культуры клеток, которая демонстрирует основные события в патогенезе болезни Альцгеймера, в том числе внеклеточную агрегацию амилоида-бета и накопление гиперфосфорилированного тау-белка. Базовая версия этой 3-D культуры включает генноинженерные человеческие нейрональные стволовые клетки, сверхэкспрессирующие гены, связанные с аутосомно-доминантной формой болезни Альцгеймера, которые культивируются в условиях 3D культуры. В процессе модернизации базового варианта 3D-системы клеточной культуры человеческих нейронов для моделирования болезни Альцгеймера авторы технологии разработали универсальные инструкции для генерации и анализа таких 3D-клеточных культур нейронов человека. Эти инструкции описывают производство генетически модифицированных нейрональных прогениторных клеток человека (hNPCs), содержащих мутации семейных форм болезни Альцгеймера, дифференциацию hNPCs в 3D-матрице и анализ патогенеза болезни Альцгеймера. Производство 3D культуры занимает 1−2 дня. Агрегация амилоида-бета наблюдается через 6 недель дифференцировки с последующим развитием ясно выраженной патологии тау белка спустя 10−14 недель. Особенностью этой 3D культуры является то, что в ней используется специальная культурная среда — Матригель (Matrigel). За счет нее технология получает преимущество, поскольку в 2D-моделях секретируемый амилоид-бета может диффундировать в среду для культивирования клеток, нарушая агрегацию, тогда как трехмерный Матригель может предотвратить эту диффузию амилоида-бета, что позволяет достичь его высоких локальных концентраций, достаточных для инициирования агрегации. Таким образом, подобная клеточная культура позволяет разработать надежную и стабильную модель болезни Альцгеймера.

Практическое применение

Этот протокол может быть использован для изучения многих центральных характеристик патогенеза болезни Альцгеймера in vitro, в том числе молекулярных механизмов, лежащих в основе продукции высоких концентраций амилоида-бета, накопления внеклеточного амилоида-бета, отложения агрегатов амилоида-бета, гиперфосфорилирования агрегации тау-белка. Исследование этих характеристик может привести к появлению новых диагностических и прогностических биомаркеров болезни Альцгеймера. Модель также может быть использована для тестирования других генетических или экологических факторов, связанных с болезнью Альцгеймера, в сочетании с мутациями, вызывающими аутосомно-доминантную форму болезни Альцгеймера. Гибкая масштабируемость системы делает ее применимой для использования с целью крупномасштабного тестирования и скрининга лекарственных средств. Этот протокол также может быть полезен для изучения других нейродегенеративных заболеваний, сопровождающихся генетическими изменениями, и может быть особенно пригоден для исследования заболеваний, характеризующихся аномальным агрегированием неправильно свернутых белков.

Лаборатории

• Genetics and Aging Research Unit, MassGeneral Institute for Neurodegenerative Disease, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, Charlestown (USA)
• Biomedical Omics Group, Korea Basic Science Institute, Cheongju-si, Chungbuk (Republic of Korea)
• Institute of Reconstructive Neurobiology, Life and Brain Center, University of Bonn and Hertie Foundation, Bonn (Germany)

Ссылки

Публикации

• Kim, Y.H. et al. «A 3D human neural cell culture system for modeling Alzheimer’s disease." 10 Nature Protocols, (2015): 985–1006.
• Choi, S.H. & Tanzi, R.E. «iPSCs to the rescue in Alzheimer’s research." 10 Cell Stem Cell, (2012): 235–236.
• Choi, S.H. et al. «A three-dimensional human neural cell culture model of Alzheimer’s disease." 515 Nature, (2014): 274–278.