神经系统疾病的细胞和分子基础研究了几十年;然而,潜在的机制尚未完全阐明。相对于其他疾病,神经系统疾病的研究非常困难主要是由于无法理解人类的大脑和神经细胞在体内或体外和困难生活在人类死亡的脑组织的考试。尽管各种转基因动物模型的可用性,这些系统仍然不够充分导致物种变异和遗传背景的差异。人类诱导多能干细胞(hiPSCs)从患者体细胞重编程有可能分化成任何细胞类型,包括神经祖细胞和postmitotic神经元;因此,他们打开一个新地区的体外模型神经系统疾病和他们的潜在的治疗。目前,许多协议生成不同的神经元亚型正在开发;然而,大多数人仍然需要进一步优化。在这里,我们强调成就了一代的多巴胺能和胆碱能神经元,影响最大的两个亚型在阿尔茨海默病和帕金森疾病和亨廷顿氏舞蹈症的间接影响。此外,我们讨论的潜在作用hiPSC-derived神经元的建模和治疗神经系统疾病与多巴胺能和胆碱能系统功能障碍有关。
大部分的潜在机制与人类相关的神经功能障碍还没有完全检查。大多数当前的知识神经发育和神经退行性疾病的重点是研究后期神经组织,脊髓和大脑或癌组织(如神经母细胞瘤)。由于缺乏神经解剖器官样本和限制的可能性直接检查住人类神经元,当前对这些疾病的细胞和分子机制的理解是有限的。此外,从尸体解剖研究组织,经常代表疾病的结束阶段并不总是揭示疾病的信息。重大贡献,阐明各种神经系统异常的发病机制一直是由转基因动物模型,可以模拟人类疾病(
最近发现在多能干细胞技术提供一个新的机会来克服这些限制。生产人类多能干细胞(hPSCs)从不同体细胞血统可以被看作是一个新的工具,允许人类神经系统疾病的治疗方法的发展通过疾病建模、药物筛选和再生医学。
人类胚胎干细胞(为其建立了汤森et al。
目前,许多神经系统疾病显著增加趋势,发达国家的人口老龄化,潜在的治疗方法是迫切需要的。如今,阿尔茨海默病和帕金森疾病是最常见的进行性神经退行性疾病在人口老龄化。世界老年报告估计,全球4680万人生活在痴呆和每年检测到超过990万新病例。到2050年,痴呆症患者的总数将增加到1.35亿人。根据欧洲帕金森病协会公布的统计数据,与帕金森病在世界范围内大约有630万人受到影响。代的定义的神经亚型hiPSCs取代影响大脑中的神经元可能是一种有效的方法在中枢神经系统(CNS)疾病治疗。此外,适当的人类细胞体外pathomechanisms模型有关。到目前为止,许多不同的协议被用于hiPSCs分化,因此导致代大数量的神经元亚型:多巴胺、胆碱能、glutamatergic, gaba ergic,运动神经元,外围感觉神经元,神经元中带刺的纹状体(
代的各种协议中描述的功能从hiPSCs多巴胺神经元相对健壮且可再生的,而胆碱能神经元生产仍然需要优化和提高效率。在此,我们将把重点放在最近的成就一代多巴胺能和胆碱能神经元及其潜在使用新的治疗方法的发展。
神经元形成和大脑的模式是正确的布线的关键,他们大多发生在胚胎神经发生。神经祖细胞位于neuroectodermal层胚胎是由各种信号因素诱导分化成神经元和神经胶质。基于祖位置在大脑发育的过程中,不同的神经元和神经胶质细胞产生。例如,位于腹侧神经祖细胞管产生运动神经元和少突胶质细胞,而中间神经元和星形胶质细胞产生的背祖细胞(
许多实验室已经建立了体外分化协议生成神经元。最初的方法是基于为,尽管它们的使用一直是伦理,法律,和社会争议,因为他们的推导从早期胚胎。山中,2007年的集团已生成的人类躯体成纤维细胞通过基因重组的细胞则通过逆转录病毒转导的四个人类转录因子:砰域,类5、转录因子1 (
理论上,万能和ESCs都多能性的性质,可以同样用于人类疾病模型。万能和ESCs之间尽管有很多相似之处,有一些差异,对新细胞生成有明显的影响。例如,基因表达谱的分析揭示变化细胞系之间基于他们的起源。“表观遗传记忆”的原始体细胞可能导致一些特定的畸变,阻碍iPSC分化潜能(
尽管有这些没有完全检查问题,几种不同的差异化协议获得多巴胺(图
比较不同的协议派生的中脑多巴胺神经元为和hiPSCs。(一)方法基于机械神经圆花饰的选择。神经分化诱导coculture hPSCs的基质细胞或S2 5级
比较不同的协议派生的基底前脑胆碱能神经元为和hiPSCs。(一)代BFCNs neurospheres通过神经祖细胞阶段。人口主要是纯基底前脑胆碱能神经元(BFCNs)是来自hPSCs利用扩散配体在前脑中发展(
成功已经被转换成多巴胺(DA)神经元取决于模式和信号因素诱导基因表达典型的内生发展中DA神经元。
神经干细胞(nsc)由万能干细胞生产/ ESCs进行归纳与基质coculture馈线细胞如尼龙6和5级(
第一个实验进行nsc透露,与纤维母细胞生长因子治疗hESC-derived神经前体细胞8 (FGF8)和声波刺猬(嘘)显著增加神经元的数量表达酪氨酸羟化酶(TH),因此成熟DA神经元的比例(
尽管FGF8和嘘确定DA表型,DA神经元的区域标识(前脑、中脑表型)可以在一个指定chemical-defined媒体组合。最近,两组出版协议生成两种不同类型的的DA神经元;然而,这些研究使用鼠标的ESCs(制)。在第一个,祖细胞分化成中脑DA神经元在FGF8,嘘,抗坏血酸(AA)和他们的成熟是证实了多巴胺释放的介质(
叉头框蛋白A2 (FOXA2)是另一个球员有重要影响的中脑DA神经元的早期开发和维护。中脑多巴胺神经元与稳定的表型定义由FOXA2表达TH,
2009年,钱伯斯等人描述的快速和高效转换为神经元和hiPSCs协同行动的两个SMAD通路的抑制剂,‘诺金’,SB431542 [
中脑DA神经元生成的另一种方法是基于FP策略。FP是由一群细胞与神经源性潜在位于腹侧中线发展中神经管。这方面的细胞分泌可扩散的分子如嘘和Netrin 1 (NTN1)参与神经管合缝处的轴突的延伸模式和指导(
基底前脑胆碱能神经元(BFCNs)是大脑皮层胆碱能输入的主要来源,对于记忆和学习是必要的。之前的研究在动物揭示BFCNs在海马神经发生的重要作用
第一个方法的推导BFCNs从为是基于刺激使用扩散配体出现在兆欧发育相关时间段(
另一种方法的活跃ChAT-positive胆碱能神经元代关注神经营养因子。神经营养因子的生长因子,通过刺激Trk和我受体,进而负责轴突和树突增长,神经递质调节、和突触可塑性
目前神经障碍的病因的理解大大扩展。然而,大多数这些疾病的机制仍不清楚。此外,没有有效的治疗或疾病修饰治疗是可行的。因此,patient-derived人类细胞则是一个很好的工具生成的生理相关人类疾病体外模型。干细胞技术可以应用于疾病pathomechanism调查,识别潜在的药物靶点,药物筛选平台,和细胞移植。
新生成的万能patient-derived组织成功地应用于建模的人类神经退行性疾病(如阿尔茨海默病、帕金森病、脊髓性肌萎缩(SMA),肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS),和亨廷顿氏舞蹈病)和神经发育障碍(如家族性神经异常,Rett综合症,自闭症谱系障碍(ASD),和唐氏综合症)(表
神经系统疾病模型与特定的人类诱导多能干细胞。
| 疾病 | 遗传背景 | 疾病相关的表型 | 影响神经元 | 万能模式 | 引用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 神经退行性疾病 | |||||
|
|
|||||
| 阿尔茨海默病 | PS1, PS2,应用重复,载脂蛋白e | (我)增加了 |
基底前脑胆碱能神经元;大脑皮层神经元 | (我)广告则E693删除应用基因; |
( |
|
|
|||||
| 帕金森病 | 体内基因LRRK2 SNCA, PARKN, PINK1 UCHL1, GBA | (我) |
多巴胺神经元 | (我)PD万能SNCA的三倍; |
( |
|
|
|||||
| SMA | SMN1, SMN2 | (我)减少SMN基因表达; |
运动神经元 | (我)则从SMA SMN1基因变异类型我的病人 | ( |
|
|
|||||
| 肌萎缩性侧索硬化症 | VAPB SOD1 TDP-43,付家 | (我)Neurofilament-L聚合在神经炎; |
运动神经元 | (我)ALS万能A4V SOD1突变; |
( |
|
|
|||||
| 亨廷顿氏舞蹈症 | 计画(CAG重复) | (我)脆弱性增加细胞压力和BDNF撤军; |
大脑皮层神经元;gaba ergic中带刺的神经元 | 计画(i)则与突变纯合子和杂合的HD患者 |
( |
|
|
|||||
| 神经发育障碍 | |||||
|
|
|||||
| 家族性神经异常 | IKBKAP | (我)减少IKAP蛋白质水平; |
感觉神经元;自主神经 | (我)FD万能IKBKAP基因突变 | ( |
|
|
|||||
| Rett综合症 | MECP2e1, MECP2e2 | (我)减少soma大小; |
Glutamatergic神经元 | (我)RS万能MECP2突变 | ( |
|
|
|||||
| 自闭症谱系障碍 | NLGN1、NLGN3 SHANK2、SHANK3 NRXN1 NRXN3 | (我)减少胶质分化; |
大脑皮层神经元 | (我)ASD万能NRXN1基因的功能击倒; |
( |
|
|
|||||
| 唐氏综合症 | 称的21号染色体三体(HSA21) | (我)在神经发生和突触发生改变; |
大脑中的神经元 | (我)DS则有三对染色体21 (T21-iPSCs); |
( |
|
|
|||||
| 精神分裂症 | DISC1 | (我)减少神经元连接; |
神经元 | (我)万能精神分裂症患者; |
( |
阿尔茨海默病(AD)是一种与年龄相关的神经退行性疾病和人类痴呆的最常见的类型,影响有八分之一的成年人超过65 (
通过某些脑区神经退化的广告发展顺序和选定的亚种群的脆弱的神经元。在普通皮质损伤,BFCNs是广告中最受影响的细胞类型。乙酰胆碱水平降低(ACh)发布的胆碱能神经终端与胆碱能神经传递损失和AD患者认知功能的严重恶化。减少胆碱吸收、乙酰胆碱释放和突触前缺乏胆碱能与积累
集中行动抑制胆碱酯酶药物如他克林、多奈哌齐,卡巴拉汀,加兰他敏已经被证明为温和症状受益个人提供广告(
最近,一些组织已经开发出一个广告使用万能干细胞疾病模型。源自神经元细胞则来自家族广告(时尚)患者携带突变基因编码淀粉样前体蛋白(APP), presenilin 1 (PSEN1), presenilin 2 (PSEN2)提供一个创新的工具来阐明广告病因和发展有效的疗法。
应用程序的顺序蛋白水解分裂
近藤等人产生一个广告则从E693删除患者应用基因模型。带有这种突变的神经元细胞内积累
最近时间,少数团体成功地生成万能零星的广告(sAD)患者代表超过95%的广告案例。悲伤显示相似的表型的细胞则时尚则包括增加分泌
最近的数据显示,动物和nonneuronal细胞模型用于制药化合物不能充分验证模型的药物反应人类神经元。因此,有一个增加的趋势来检测潜在的药物用于治疗阿尔茨海默病使用patient-derived iPSC的基础系统。
基于在应用或突变的事实
帕金森病(PD)是第二个最常见的进行性神经退行性疾病。PD患者出现各种症状,包括移动缓慢,刚性,低频地震,和平衡的问题。这些重要的运动能力损伤的PD是由于含有多巴胺神经元的变性在黑质致密部(SNC)一篇纹状体多巴胺及其代谢产物的损失(
大多数PD病例是零星的;只有10 - 20%患者存在家族单基因疾病。突变基因,-核蛋白α(
在病理级别,PD的特点是聚合的蛋白质的胞质积累的光环辐射纤维和更少的核心定义称为路易的身体。另一个PD-specific特性是氧化应激的增加,这是由于谷胱甘肽耗竭,铁沉积,增加脂质过氧化的标记,氧化DNA损伤和蛋白质氧化,降低线粒体复杂的表达式和活动1在SNC [
几组显示基底前脑胆碱能系统的功能障碍PD患者的存在证实了路易Meynert身体下橄榄核的神经元,大脑胆碱能神经元的主要来源(
最近的数据表明,在PD DA神经元的损失符合改变M4受体的胆碱能神经元。纹状体中,由于水平的增加,导致电动机的发展迹象像PD患者的震颤和运动障碍
与大多数其他神经退行性疾病,是一种有效的临时组成的多巴胺替代治疗PD症状与左旋多巴和多巴胺受体激动剂(
iPSC技术都提供了一个机会来研究PD表型和机制在家族和零星的病例和识别潜在的药物。
第一家族PD模型之一是万能干细胞来自患者的三倍SNCA基因,编码一个突触vesicle-associated路易小体的蛋白质。DA神经元来自这个病人表现出增加
主要的DA神经元也携带突变的细胞则产生
最近,这是显示,则可以被成功地移植到PD动物模型。则有效地刺激到npc和注入大脑产生神经元和神经胶质细胞功能集成与神经组织和成熟的神经活动。中脑DA神经元分化从hiPSCs移植到成人的大脑能够改善大鼠的行为表型影响PD (
亨廷顿氏病(HD)是一种遗传进步的障碍,影响了大约10000人。高清的具体功能包括肌张力障碍,运动不协调,认知和情感障碍(
在病理级别,高清的特点是选择性神经脆弱。第一个区域受到高清caudate-putamen是纹状体的一部分地区。在这个大脑区域、中带刺的GABA神经元严重受损,高达95%的损失在以后阶段的疾病(了
一些研究在人类和小鼠模型表明,也在HD患者胆碱能系统的影响。胆碱能神经元异常被观察,证明聊天活动减少大脑纹状体组织和乙酰胆碱释放显著下降(
最近,疼痛抑制剂等提出了他克林为HD治疗潜在的药物由于其恢复胆碱能系统的能力。胆碱、毒扁豆碱、多奈哌齐和其他潜在的药物在HD治疗现在正在测试;然而,恢复记忆的能力,减少运动机能亢进似乎非常有限(
高清神经细胞来自显示相关的疾病表型的细胞则包括代谢的变化,电生理学细胞粘附,细胞毒性。分化高清细胞扩大CAG重复显示基因表达的变化,包括钙粘蛋白家族和TGFB通路。此外,细胞耗氧量和更容易有异常细胞压力和BDNF撤军(
药物筛选和测试新的治疗方法使用高清iPSC-derived神经元细胞包括应用压力如谷氨酸毒性、氧化应激、DNA损伤,或生长因子(撤军
其他研究已经表明,g蛋白耦合受体52 (GPR52)是参与突变杭丁顿蛋白的毒性。GPR52击倒以及微196 (miR196a)减少杭丁顿蛋白聚集在神经元文化(
化合物对已经被表型的影响与压力被Charbord检测et al。相关的研究活动增加抑制因子的转录阻遏休息/ NRSF绑定元素1高清(RE1)序列。成千上万的选择化合物的高通量筛选确定了两个benzoimidazole-5-carboxamide衍生品,抑制RE1-dependent地沉默。72年治疗CAG nsc X5050抑制剂,有针对性的退化,增加了BDNF的表达和其他REST-regulated基因(
iPSC技术是一种新型的和互补的方法来研究神经系统疾病。
代人类iPSC-derived神经细胞使神经发育和神经病理过程的理解比此前更容易的方式。正在取得迅速进展在改善技术的分化细胞则对不同人群的神经亚型。代hiPSC-derived胆碱能神经元将扩大我们的知识胆碱能功能在开发和突触可塑性的机制。能够选择性控制神经元分化的能力已经被成功能性神经元胆碱能神经递质和受体表达理解神经退行性疾病是一个重要的一步。此外,它可以用于细胞替代疗法的发展为阿尔茨海默氏症和高通量筛查代理促进BFCNs生存。生成的体外生物功能性DA神经元毒性和制药药物筛选提供了一个可再生来源。他们可能会提供一个可持续发展的有效工具治疗疾病,帕金森病等影响DA系统。
尽管有上述优势,仍有一些障碍在扩大使用万能干细胞研究神经系统疾病。首先是缺乏一致性文化技术和感应方法,使不清楚可复制的差异化协议。方法基于神经元分化比附着二维三维系统似乎更有效的文化。然而,它不是决定哪个系统更适合体内环境。第二,给定一个更好的表述需要神经亚型以及验证新生成的神经元是否能够融入主机电路的一种生物。神经元来自hiPSCs需要几周的文化成为电生理活性和几个月整合进入宿主神经移植后的环境。因此,必须考虑合适的模型系统来评估人类干细胞衍生的神经元的功能和长期评估他们的安全文化。另一个困难的变异性有关表型的细胞则在细胞系,即使他们来自同一病人。iPSC变化可以来自不同的来源在iPSC生成和维护。因此,应当将重点放在证明强iPSC-derived神经元的表型与特定的遗传背景和不与这种可变性。 The potential source of the line-to-line variation is the reprogramming process that may disturb the genomic and epigenetic stability and potentially introduces de novo epigenetic variations. Furthermore, during a clonal selection process, clones carrying genetic defects can be selected, while the increasing passage number might introduce genetic alterations that facilitate cell propagation. Such genetic and epigenetic variations between different iPSCs lines may affect the differentiation potential and undermine the iPSCs accountability in downstream applications. Thus, several iPSC lines from the same individual are necessary to monitor the phenotypic variability between these lines.
尽管上述局限性,针对病人iPSC-derived神经元体外模型疾病过程提供了一个机会。万能携带宿主个体的遗传背景和表观遗传模式可以是一个很好的工具来研究多因素疾病。在疾病建模中最具挑战性的问题之一是识别神经元疾病表型的患者。学习的困难尤其可见发展几十年来体内的神经退行性疾病。因此,重建细胞疾病条件下环境和细胞之间的相互作用可以促进适当的表现型的发展。
总之,最近的研究证实,则可以加速药物发现和可能应用于细胞移植。特别是,ESC / iPSC-derived胆碱能和多巴胺中间神经元导致改善神经退行性疾病模型,因此补充动物模型,加快翻译对病人群分层的临床试验。我们预测,则派生的神经细胞将适合用于体外疾病的各种应用程序建模、高通量、高含量的药物,和毒理学筛查和潜在cell-transplant-mediated治疗干预措施。
二维
三维
3-Nitrotyrosine
6-Hydroxydopamine
抗坏血酸
β淀粉样蛋白
乙酰胆碱
乙酰胆碱酯酶
阿尔茨海默病
肌萎缩性脊髓侧索硬化症
淀粉样前体蛋白
淀粉样前体蛋白c端片段
自闭症谱系障碍
Ataxia-telangiectasia突变
脑衍生神经营养因子
基底前脑胆碱能神经元
骨形态发生蛋白
骨形态发生蛋白9
环腺苷3′,5′一磷酸
胆碱乙酰转移酶
尾型同源框2
中枢神经系统
睫状神经营养因子
多巴胺能
N - [N - (3 5-Difluorophenacetyl) 1-alanyl] -S-phenylglycine叔丁基酯
多巴胺转运体
二十二碳六烯酸
Dynamin 1
Dynamin-related蛋白1
表皮生长因子
十字的1
内质网
家族性阿尔茨海默病
纤维母细胞生长因子
纤维母细胞生长因子8
叉头框蛋白A2
层板
Beta-glucocerebrosidase
原肠胚形成大脑同源框1
神经胶质细胞衍生神经营养因子
g蛋白耦合受体52
糖原合成酶激酶3β
GSK3B抑制剂
亨廷顿氏舞蹈症
人类胚胎干细胞
人类诱导多能干细胞
人类多能干细胞
杭丁顿蛋白
ISL LIM同源框1
Kruppel-like因子4
敲除血清替代
LIM同源框6
LIM同源框8
重组E8人类层粘连蛋白511的碎片
LIM同源框转录因子1α
富亮氨酸重复激酶2
长期势差
小鼠胚胎干细胞
中位数神经节的隆起
196微
神经细胞粘附分子
巢蛋白
神经原纤维缠结
神经生长因子
神经生长因子受体
NK2同源框1
神经元限制性消音器的因素
非甾体类抗炎药
神经干细胞
Neurothrophin 3
Neurothrophin 4
Netrin 1
Octamer-binding转录因子4
Orthodenticle同源框2
帕金RBR E3泛素蛋白连接酶
双箱6
帕金森病
Poly-D-Lysine
蛋白激酶C
过氧物酶体扩散者激活受体γ
过氧物酶体proliferator-activated受体γ,共激活剂1α
PTEN-induced假定的激酶1
周围神经系统
POU域、类5、转录因子1
Presenilin 1
Presenilin 2
视黄酸
抑制因子元素1
抑制因子元素1沉默转录因子
Rho-associated卷曲螺旋形成蛋白质的丝氨酸/苏氨酸激酶
零星的阿尔茨海默病
声波刺猬
脊髓性肌肉萎缩症
黑质致密部
α-核蛋白
性别确定区域Y-box 1
性别确定区域Y-box 2
转化生长因子β3
酪氨酸羟化酶
肿瘤坏死因子-α
微管蛋白,β3第三类
泛素羧基末端酯酶L1
水泡乙酰胆碱转运体
Wingless-Type MMTV集成网站的家庭。
作者宣称没有利益冲突。
安娜Ochalek和卡罗丽娜Szczesna写手稿,朱丽安娜Kobolak和保罗Petazzi手稿编辑,和Andras Dinnyes编辑和批准了最终版本的手稿。所有作者阅读和批准了最终版本。
作者感谢卡尔教授克劳斯,Balazs Mihalik博士和Cormac Murphy建议改善我们的手稿。这项工作是支持由欧盟FP7项目之下(STEMMAD piapp - ga - 2012 - 324451;EpiHealth、健康- 2012 - f2 - 278418;EpiHealthNet pitn - ga - 2012 - 317146)和Szent什特大学(卓越研究中心11476 - 3/2016 / FEKUT)。