文摘
细胞重新编程的巨大进步已经使人们有可能从体细胞产生多能干细胞,如从人体皮肤活检获得的成纤维细胞。结果,现在可以研究人类疾病相关的细胞群来自诱导多能干细胞(万能)的患者。iPSC技术的快速增长将这些细胞变成了多用途的基础和临床研究的工具。在本文中,我们强调iPSC技术的角色,帮助我们理解和潜在治疗神经系统疾病。最近的研究使用万能干细胞模型总结了各种neurogenetic障碍,我们讨论万能干细胞治疗的影响,包括药物筛选和细胞疗法neurogenetic紊乱。虽然则用于动物模型治疗neurogenetic障碍有前景的结果,仍有许多问题与重组之前,必须解决iPSC技术可以充分利用翻译的诊所。
1。介绍
我们当前的知识大部分中枢神经系统(CNS)和神经系统疾病患者的神经功能经尸检组织经常代表疾病的结束阶段。无法样本住CNS组织阻碍我们进步的理解方面神经病理发展过程中疾病的异常(1- - - - - -4]。动物模型可以模拟人类神经系统疾病遗传形式的,和我们对神经系统疾病的机制的理解明显与转基因/基因敲除技术先进。然而,这些技术主要是限于无性生殖的障碍,因此只代表少数的疾病。此外,在许多情况下的神经障碍定义因果基因(s),建模与动物转基因技术不足是由于物种差异,遗传背景,或其他技术挑战3,5,6]。更引人注目的是,许多候选药物在动物模型筛选与承诺没有当翻译人体临床试验。翻译临床中心的失败对人类大脑的复杂性和难度模型疾病特定表型非人系统(5]。这种情况表明,迈向更人性化的发展相关的模型肯定是需要准确地研究neurogenetic紊乱。
优雅和开创性的工作由高桥和山中显示一组四个基因的逆转录病毒表达(Oct4、Sox2 Klf4,和原癌基因)可以转换体细胞到多能性状态(7,8]。就像其他多能干细胞,诱导多能干细胞(万能)可以被诱导分化成神经元和神经胶质细胞,以及其他类型的终末分化细胞暴露于生长因子和细胞培养条件(9,10]。因此,人类则可以研究人类中枢神经系统神经元血统。源自神经元细胞则携带遗传信息从特定突变或神经系统疾病患者(3,11,12]。在过去的几年里,细胞“重编程”的进步加速了万能的一代,和万能已经被来自几个方便的人类细胞类型,包括血液细胞,角质细胞和真皮成纤维细胞4,5,13- - - - - -15]。iPSC技术打开了新的windows为人类疾病的建模,确定治疗目标,开发药物筛选系统,并提供连续的自体的细胞与潜在来源细胞疗法(1,5,11,15- - - - - -20.]。
在这里,最近的努力和重要发现当使用万能干细胞模型neurogenetic障碍进行了综述。万能的潜在患者作为药物筛选平台和作为细胞疗法的来源。此外,在iPSC建模的一些挑战和在iPSC neurogenetic基础治疗障碍突出显示。
2。万能的建模Neurogenetic紊乱
2.1。遗传神经发育障碍
遗传神经发育障碍包括范围广泛的疾病特点是在开发过程中损伤的神经功能。这些条件是单基因或multigenic。针对疾病的iPSC线生成神经发育疾病包括Rett综合症患者,脆性X综合征,唐氏综合症,如Angelman综合征,氏综合症,盖综合症(表1)。iPSC基于模型的神经发育障碍概括神经发育的早期步骤在遗传背景与特定的障碍和可能有助于识别潜在的细胞和分子机制,建立新的疗法。
2.1.1。Rett综合症
Rett综合症(RTT)是一种神经发育自闭症谱系障碍,造成甲基CpG-binding突变蛋白(MECP2)基因21- - - - - -25]。iPSC神经细胞来自患者RTT揭示相关神经元的表型,如神经元成熟的缺陷(26- - - - - -28]。符合RTT动物模型和人类死后的脑组织(29日soma),细胞大小的RTT神经元与nonaffected相比减少控制。此外,神经元来自RTT则有较少的神经突触,减少脊柱密度,改变钙信号和电生理缺陷,暗示在RTT神经元网络通信问题(27]。治疗胰岛素生长因子1,生长因子以改善RTT小鼠的表型,改善RTT iPSC-neuronal表型,说明神经元突触缺陷可以拯救来自RTT患者(27,30.]。则可以直接生产glutamatergic神经元产生动作电位,形成功能兴奋性突触。最近的一项研究发现,iPSC神经元来自杂合的老鼠显示缺陷在glutamatergic代诱发动作电位和突触传递(31日),之前报道的脑片(32- - - - - -34]。这些不足MeCP2神经元发射更少的动作电位和动作电位振幅显示降低,减少内向电流,峰值和高输入电阻相对于野生型iPSC派生的神经元,这一部分干扰钠通道功能可能导致不正常的RTT的神经元网络。这些表型被进一步证实了在神经元来自独立的野生型和半合突变iPSC线,表明这些可再生的赤字归因于MeCP2不足(31日]。综上所述,这些研究证明RTT iPSC派生神经元概括赤字之前观察到在初级神经元,这些确定表型进一步表明MeCP2神经发展的要求和维护正常的大脑功能。
MeCP2参与全球DNA甲基化是一种蛋白质35- - - - - -38]。L1反转位子活动的活动在大脑发育会影响基因表达和神经功能。L1神经元转录和啮齿动物retrotransposition MeCP2(在没有增加39- - - - - -41]。研究神经祖细胞来源于人类细胞则透露,患者RTT,携带MeCP2突变,L1 retrotransposition易感性增加,表明一个新的潜在的分子机制RTT [42]。MECP2X染色体基因受到随机的X染色体失活(XCI)导致的马赛克表达突变MECP2。RTT万能的XCI地位不同研究之间的不一致。一些报道RTT的不活跃的X染色体的细胞则创始人体细胞重新激活。相反,其他报道,RTT保留不活跃的X染色体的细胞则创始人的体细胞(43]。Marchetto et al。27)发现RTT病人的细胞则能够接受XCI。张等人。26)报道,万能RTT的经典女性患者功能零变异保留了MECP2x染色体突变和一个不活跃的非随机模式。利用XCI的非随机模式,他们生成的一对同基因的野生型和突变体MECP2表达RTT iPSC线保留MECP2在分化成神经元表达模式。突变的RTT iPSC派生的神经元表现出减少soma大小与同基因的控制RTT iPSC派生的神经元。金等。28)发现,一些则可以保持XCI,而在其他X染色体重新启动。他们孤立的万能,保留一个活跃的X染色体突变或表达野生型MeCP2,以及重新激活X染色体的细胞则表达突变体和野生型MeCP2。符合RTT表型变异monoallelic或biallelic RTT iPSC派生的神经元也显示出成熟的缺陷。因此,同基因的控制和突变的RTT iPSC行代表一个额外的有前途的来源调查RTT的发病机理和所扮演的角色MECP2在人类神经元。
经典的RTT由突变引起的MECP2基因,而变异可能是由于突变CDKL5。突变CDKL5已确定在女性早发性癫痫变体的RTT和男性x连锁癫痫性脑病(44- - - - - -47]。CDKL5激酶蛋白高表达的神经元,但其确切的函数内的细胞在很大程度上是未知的(46,48,49]。通过使用万能干细胞来自患者的成纤维细胞CDKL5突变,Amenduni et al。50)表明,女性CDKL5变异则保持XCI和克隆表达突变CDKL5等位基因或野生型等位基因作为一个理想的实验控制。此外,这些万能干细胞可以分化成神经元和适合模型的发病机制CDKL5相关疾病。
2.1.2。脆性X综合征
脆性X综合征(FXS)是最常见的遗传形式的心理障碍,是由于扩大CGG三核苷酸重复的脆性X智力迟钝的5′端非翻译区(FMR1)基因导致基因沉默和损失的脆性X智力缺陷蛋白(FMRP) [51- - - - - -55]。在二十年前的识别FMR1基因,无数的努力集中在理解FMRP的后果损失在神经发育和功能51- - - - - -54,56- - - - - -64年]。万能的出现提供了一个选项来研究人类模型和允许FXS FXS很难调查方面的研究在动物模型。人类胚胎干细胞系来源于胚胎诊断为一个完整的变异显示FMR1unmethylated这些细胞中表达时,然后呢FMR1基因沉默只发生在胚胎干细胞的分化65年,66年]。相比之下,来自FXS患者的成纤维细胞的细胞则,FMR1甲基化和转录沉默与重组过程未能扭转的甲基化状态FMR1(66年]。看来,当前FXS则可能不适合模型的影响FMR1沉默在神经元分化。后续进一步研究特征FXS万能干细胞分化成postmitotic神经元和神经胶质(67年]。在这项研究中,从多个患者FXS iPSC线生成。作者发现,克隆重组FXS患者成纤维细胞线所带来的变化对主要CGG重复的长度核磁共振1基因。在两种情况下,iPSC克隆主要包含CGG重复的长度短于相应的输入人口成纤维细胞。在另一起案件中,重组一个马赛克的病人同时拥有正常和前突变长度CGG重复导致基因匹配iPSC克隆线路不同FMR1启动子CpG甲基化和FMRP表达式。使用这个面板的患者FXS iPSC模型,作者表明,异常的神经从FXS万能干细胞分化相关的表观遗传修饰FMR1基因和损失FMRP表达式(67年]。这些发现提供证据FMRP的角色在早期神经发育前突触发生和建模显示潜力FXS iPSC技术。
2.1.3。唐氏综合症
唐氏综合症(DS)是神经发育障碍引起的称的21号染色体三体(68年- - - - - -72年]。考虑到老鼠没有21号染色体,它似乎不太可能完全概括鼠标DS的疾病特性模型。然而,人类神经祖细胞(NPC)线生成模型DS (73年)和iPSC模型为科学家提供一个额外的方法来研究潜在机制(74年]。成年人与DS开发早发性阿尔茨海默病(AD),可能由于表达的增加在21号染色体的一个基因编码淀粉样前体蛋白(APP) [75年- - - - - -77年]。最近的一项研究发现,皮质神经元细胞则产生的DS患者可能发展广告几个月内病态文化,而不是几年在活的有机体内。这些皮质神经元处理应用程序导致致病性淀粉样蛋白肽的分泌β42,不溶性淀粉样蛋白聚集形成的。γ分泌酶抑制剂可以阻止淀粉样蛋白的生产β42。此外,过度磷酸化τ蛋白,一个病态的标志广告,被发现是本地化广告iPSC派生皮质神经元的胞体和树突,模仿表型的后期的广告(78年]。iPSC的生成线调查其他类似缺陷,如其他染色体的三染色体细胞可能是有益的。
2.1.4。如Angelman综合征
如Angelman综合征(AS)是一种神经发育障碍与基因组印记,结果损失函数的泛素蛋白连接酶E3A (UBE3A)基因79年- - - - - -82年]。尽管则提供了一个宝贵的人类疾病建模方法,其效用可以有限如果基因组印记标志被核重编程体细胞多能干细胞。然而,张伯伦et al。83年)发现基因组印记是保留在如下万能核重编程。的印记UBE3A可以建立在神经元分化的细胞则像正常脑组织。在这种情况下,父亲的UBE3A等位基因是upregulation平行的压抑UBE3A反义转录。此外,电生理记录发现AMPA-receptor-mediated成熟神经元的自发活动来源于万能,表明功能神经元可以从万能干细胞生成。iPSC模型将进一步利用调查相关事件,如的发育时间和机制UBE3A镇压在人类神经元。
2.1.5节讨论。二氏综合征
氏综合症(PWS)是一种神经基因组印记紊乱,表现为缺乏15 q11-q13基因表达在父亲的染色体区域,在同一地区孕产妇染色体是压抑的DNA甲基化(84年- - - - - -86年]。张伯伦et al。83年)发现PWS iPSC行显示没有中断甲基化模式下的“氏综合症印记中心”(PWS-IC)相比,纤维母细胞细胞系来源。本研究表明,类似的是,基因组印记PWS可以耐火材料的表观遗传在重组过程中产生擦除。另一项研究通过杨et al。87年)浆细胞则进一步证实,保持高水平的DNA甲基化的印记中心孕产妇等位基因和显示伴随减少变异小核仁的RNA的表达hbii - 85 / SNORD116 [87年]。此外,这些细胞则可能容易分化成组织的三个胚芽层,包括神经元(87年]。这些研究表明,细胞则可用于模型基因组印记疾病。
2.1.6。蒂莫西综合症
盖综合征(TS)是一种神经发育障碍引起的错义突变的l型钙通道v1.2与发育迟缓和自闭症有关(88年- - - - - -90年]。Paşca et al。91年)生成的皮质神经元前体细胞和神经元细胞则来自TS患者。作者发现这些人有缺陷的细胞钙Ca2 +信号和依赖性活动的基因表达。在分化细胞还显示异常,包括低表达的基因的表达减少皮质层和胼胝体的投射神经元。此外,神经细胞来自患者TS显示异常酪氨酸羟化酶的表达,增加去甲肾上腺素和多巴胺的生产。这些生化变化被roscovitine治疗逆转,细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂和非典型L-type-channel拦截器。本研究提供的证据表明,l型钙通道v1.2参与皮质神经元分化的规定在人类和提供了新的见解自闭症TS患者的发病机理。
2.2。遗传性神经退行性疾病
遗传性神经退行性疾病包括各种疾病包括慢性和神经结构和功能的逐步丧失。到目前为止,已经生成的细胞则从许多神经退行性疾病的患者,包括脊髓肌肉萎缩、家族性神经异常、肌萎缩性脊髓侧索硬化症,亨廷顿氏舞蹈症,Friedreich共济失调,Machado-Joseph疾病,x连锁罹,阿尔茨海默病和帕金森病(表2)。我们将这些疾病的评价当前iPSC技术在以下部分说明如何帮助这些细胞系解开神经退化的机制。
2.2.1。脊髓肌肉萎缩
脊髓性肌萎缩(SMA)是一种常染色体隐性遗传性疾病引起的运动神经元生存1基因的突变(SMN1),可以显著减少SMN蛋白表达,导致较低的选择性变性α运动神经元(92年- - - - - -95年]。尽管患者成纤维细胞被广泛用于研究SMA,运动神经元提供更好的模型来研究固有的病理解剖学和生理学。SMA是第一个人类万能建模的神经退行性疾病。模型SMA,艾伯特et al。96年)生成的细胞则从一个孩子的突变SMN1从他的母亲的影响。他们发现,则保留了产生分化的神经组织和运动神经元的能力。然而,缺乏SMN1表达和选择性运动神经元死亡的疾病表型被维护。有趣的是,两种化合物,丙戊酸和妥布霉素,这将增加SMN的水平,可以部分恢复SMN蛋白减少。最近,张等。97年]报道建立五iPSC线从SMA患者的成纤维细胞。作者发现神经元文化源自这些SMA iPSC线表现出能力降低形成运动神经元和显示异常神经突的文化产物。异位SMN表达这些iPSC线恢复正常的运动神经元分化和拯救延迟神经突的表型结果。这些发现表明,观察到的异常确实SMN不足造成的,而不是表型多样性在iPSC线。综上所述,这些研究表明,人类则是有用的模型的特定神经病理学SMA和人类细胞则代表一种很有前途的资源筛选新药化合物和开发新的治疗SMA (98年]。
2.2.2。家族性神经异常
家族性神经异常(FD)是一种罕见但致命的周围神经病变,由一个点突变引起的IKBKAP参与基因转录延伸率(99年- - - - - -101年]。FD的特点是自主和感觉神经元的损耗。周围神经系统的特异性和FD神经元损失的机制知之甚少由于缺乏一个合适的模型系统(99年,102年]。李等人。103年]报道的推导病人具体FD万能和定向分化成三个生殖细胞层包括外围神经元。基因表达分析纯化FD iPSC派生的血统证明组织missplicingIKBKAP体外。针对病人的神经嵴前体表达正常的水平很低IKBKAP成绩单,暗示疾病特异性的机制。FD发病机理进一步的特点是转录组分析,和细胞化验显示显著的缺陷在神经元分化和迁移行为。此外,FD则被用于验证候选药物的效力在扭转异常剪接和改善神经元分化和迁移。这项研究中,尽管有限,利用重组技术为FD的建模奠定了基础。
2.2.3。肌萎缩性脊髓侧索硬化症
肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)主要表现为肌肉萎缩和无力,伴随着快速进步大脑和脊髓运动神经元的变性(104年- - - - - -109年]。ALS的大多数病例都是偶发性的(sALS)和大约10%的病例是继承(家族性;歧视)。超过10个不同的基因与ALS,包括超氧化物歧化酶1 (SOD1,ALS1交互响应dna结合蛋白protein-43 (),TDP-43,ALS10),融合肉瘤(付家,ALS6),vamp-associated蛋白B / C (VAPB,ALS8)[107年- - - - - -111年]。基于肌萎缩性侧索硬化症临床试验动物模型已经失望,表示需要探索新的ALS模型(104年,105年,112年]。到目前为止,三组已经成功生成万能三个不同的家庭形式的ALS与之前已经确定突变。Dimos et al。113年)生成的万能患者的突变SOD1基因。他们发现特定的细胞则具有胚胎干细胞的特性,可以定向分化成运动神经元。但是,没有分析表型相关的肌萎缩性侧索硬化症是派生的运动神经元的细胞则完成了这项研究。Mitne-Neto et al。114年)生成iPSC突变患者的台词VAPB基因以及noncarrier兄弟姐妹(控制)。他们表现出显著减少的水平VAPB蛋白质ALS8 iPSC派生的运动神经元,这表明减少VAPB可能参与ALS8的发病机制。他们进一步表明VAPB蛋白质水平逐渐增加在控制万能但不是ALS8万能干细胞的分化,这表明ALS8突变导致的失败VAPB蛋白质upregulation在运动神经元的诱导。本条例VAPB可能发生以来的转译后的水平没有区别在mRNA水平控制和ALS8万能干细胞之间的分化。这些发现可能与其他形式的肌萎缩性侧索硬化症,随着减少VAPB蛋白质已经被记载在运动神经元从零星的ALS患者115年,116年]。携带的万能TDP-43突变可以分化成神经元和功能性运动神经元。细胞表型的突变体神经元显示ALS和其他TDP-43 proteinopathies,包括高架可溶性和detergent-resistant TDP-43蛋白质含量,降低生存,增加漏洞的封锁phosphoinositide-3-kinase (PI3K)途径117年]。从其他细胞,如星形胶质细胞和小胶质细胞与运动神经元利基,已被证明在ALS的病理中发挥作用118年- - - - - -120年),这将是有趣的,看看iPSC派生的星形胶质细胞和小胶质细胞也可以概括nonneuronal方面的疾病。
2.2.4。亨廷顿氏舞蹈症
亨廷顿氏病(HD)是一种常染色体显性遗传神经退行性疾病引起的过度扩张的CAG三核苷酸重复杭丁顿蛋白基因编码的蛋白质,产生的弹力蛋白的n端附近的谷氨酰胺(121年- - - - - -124年]。扩大重复区域导致获得杭丁顿蛋白的功能,然后形式聚集在某些神经细胞的核121年,122年]。许多亨廷顿氏舞蹈症的组织文化模型已经被广泛的生成技术。建模系统包括nonneural人类细胞(成纤维细胞和淋巴母),葡京赌场或初级神经元从老鼠,老鼠和人类胚胎干细胞(125年- - - - - -127年]。这些模型可以概括的许多表型在HD患者。在这个时候,已经生成的细胞则从HD患者74年,128年),转基因高清猴子和老鼠模型(12,129年]。人类高清则被用来生成神经元前体细胞和纹状体神经元。高清万能派生的纹状体神经元,神经元前体细胞含有相同的CAG扩张HD患者中的突变iPSC从他行成立。此外,高清神经干细胞显示增强的半胱天冬酶活性生长因子不足,这是表明细胞凋亡(128年]。因此,这些分化细胞是鼓舞人心的一个有用的人类高清细胞模型。高清猴万能细胞特性与高清发展,包括突变杭丁顿蛋白的积累(http)总量和核内包涵体的形成并联神经分化在体外(129年]。万能转基因高清猴子代表人类疾病的非人类灵长类动物模型。一代的成纤维细胞的细胞则通过体细胞重编程R6/2转基因高清鼠标线,CAG扩张对重编程效率没有影响,细胞增殖率、脑源性神经营养因子的水平,或神经源性的潜力。此外,这些细胞则不显示增加自我更新和分化条件下细胞死亡。然而,基因参与胆固醇生物合成途径的改变在HD高清也影响iPSC线。此外,溶酶体基因调节和溶酶体被增加高清iPSC行数(12]。最近的一项研究进一步证明了HD患者特定的细胞则能够产生表型正常,功能神经元在体外并能存活并分化成神经元移植后的成年老鼠的大脑。然而,星形胶质细胞来源于这些高清显示空泡形成表型的细胞则主要从HD患者淋巴细胞中的一种现象130年]。这些发现表明,万能高清动物或病人可以复制一些,但不是全部,通常表型观察的疾病。在未来,其他表型的建模,包括病变只看到患者的尸检和电生理的变化出现在动物模型可以成为可能。
2.2.5。Friedreich共济失调
Friedreich共济失调(FRDA)是一种常染色体隐性障碍的特点是神经退化和心肌病(131年- - - - - -134年]。它是由一个三核苷酸(棉酚)重复扩张的第一个内含子FXN基因导致减少FXN信使rna和蛋白质的合成产品,frataxin [135年,136年]。Ku et al。137年)首先报道的推导万能FRDA患者成纤维细胞转录因子重组。他们发现,FXN基因镇压万能的维护。棉酚重复的FXN表现出不稳定的细胞则类似于病人的家庭,在那里他们与离散扩大和/或合同长度两代人之间的变化。错配修复酶MSH2,其他三联体重复疾病涉及重复不稳定,则中高度表达,占据了FXN基因内区1。击倒的MSH2阻碍重复扩张。这项研究提供了一个可能的分子在FRDA解释重复扩张。刘等人。138年)报告的生成iPSC FRDA患者行来源于皮肤成纤维细胞。作者发现patient-derived iPSC线保持棉酚重复扩张和降低FXN mRNA表达模式,是病人的特征。有趣的是,棉酚的不稳定重复长度还发现在这些FRDA iPSC线。他们进一步证明在体外分化,可以产生两个细胞类型的细胞则主要影响在FRDA,即周边神经细胞和心肌细胞。因此,这些FRDA iPSC线有潜力提供了强大的工具来研究FRDA的细胞病理学。
2.2.6款。Machado-Joseph疾病
Machado-Joseph疾病(MJD),也被称为脊髓小脑的共济失调型3是一个主导性继承受到多麸醯胺酸的扩张引起的迟发性的神经退行性疾病(polyQ)编码CAG重复MJD1(ATXN3)基因139年- - - - - -142年]。蛋白水解解放高度aggregation-prone polyQ保护序列的dna片段MJD1基因产物ataxin 3 (ATXN3)可能引发的形成ATXN3包含骨料,MJD的病理特点140年,141年]。的水平ATXN3片段的脑组织MJD病人与疾病严重程度增加,支持之间的关系ATXN3处理和疾病进展。早期的聚合中间体的形成被认为是关键的疾病开始,但是MJD的精确分子机制是未知的140年,141年]。调查,科赫et al。143年)生成的万能MJD的病人。作者发现L-glutamate诱导激发患者特定的iPSC派生启动Ca神经元2 +端依赖的蛋白水解作用ATXN3,紧随其后的是钠十二烷基硫酸盐(SDS)的形成不溶性聚合物。这种表型可以废除calpain抑制,表明calpain的关键作用ATXN3聚合。他们进一步表明,聚合形成取决于功能Na+和K+渠道以及ionotropic和电压门控钙2 +频道。然而,这些通道效应细胞则没有观察到,成纤维细胞或神经胶质,因此可以解释MJD的特异性神经元表型。此研究表明,万能干细胞研究的有用性与晚发性神经退行性疾病相关的蛋白质异常处理特定的神经元。
2.2.7。x连锁罹
x连锁罹(X-ALD)是由突变引起的ABCD1(三磷酸腺苷(ATP) -binding-cassette运输机总科维成员1)基因编码的酶腺苷磁带(ABC), ABCD1,负责输入的长链脂肪酸(VLCFAs;26和C24:0)为退化(过氧化物酶体144年- - - - - -147年]。VLCFA异常高的水平,主要表现发生在神经系统,肾上腺皮质,睾丸间质细胞的睾丸144年,145年]。X-ALD, 1 20000年发病率男性,显示了一个广泛的表型变化并不直接相关ABCD1基因突变(146年- - - - - -150年]。由于缺乏合适的动物模型系统和人类无法理解的少突胶质细胞在活的有机体内(147年,151年),则可能会提供一个独特的细胞研究X-ALD的病理模型。张成泽et al。152年]万能患者产生2 X-ALD的主要类型,即儿童脑退化(CCALD)和adrenomyeloneuropathy(飞行员)。作者评估疾病表型相关药物和基因的方法。他们发现CCALD和飞行员通常万能干细胞分化成胶质细胞的细胞类型主要影响X-ALD大脑,表示由于没有发育缺陷ABCD1突变。尽管低X-ALD万能、长链脂肪酸(VLCFA)少突细胞分化后含量显著增加。VLCFA积累高CCALD寡树突胶质细胞相比,飞行员少突胶质细胞,而报道CCALD和飞行员神经元之间没有显著差异,表明CCALD严重的临床表现可能与异常VLCFA积累少突胶质细胞。他们进一步表明,异常积累VLCFA X-ALD寡树突胶质细胞可以减少移植ABCD2基因表达与洛伐他汀治疗后或4-phenylbutyrate。因此,X-ALD iPSC模型概括该病的关键事件过程,提供了一种新的方式了解和诊断X-ALD疾病亚型。
2.2.8。阿尔茨海默病
广告是最常见的老年性痴呆,表现为进行性记忆丧失和认知障碍(153年- - - - - -157年]。广告呈现强烈的遗传倾向(158年,159年]。突变的presenilin 1 (PS1)和presenilin 2 (PS2)为常染色体显性遗传致病因素,早发性家族性广告(时尚)158年- - - - - -161年]。八木等。162年)生成的万能时尚突变患者的成纤维细胞PS1(A246E)和PS2(N141I),这些细胞的分化成神经元的特征。他们发现时尚iPSC派生分化神经元增加了淀粉样蛋白β42分泌,所有关键的分子发病机制变异presenilins。淀粉样蛋白β42急剧分泌神经元的回应γ分泌酶抑制剂和调节器,表明潜在的候选药物的鉴定和验证。这项研究表明时尚iPSC派生神经元可能是一种有效的广告模式,提供了一个创新的策略与年龄相关的神经退行性疾病的研究。最近,以色列et al。163年)重组成纤维细胞来自患者时尚的重复造成的应用程序基因(称为应用程序(Dp))在iPSC线。控制相比,iPSC-derived纯化的神经元应用程序(Dp)患者表现出的水平明显高于病理标记淀粉样蛋白β40岁,phospho-tau糖原合酶激酶3(刺231)和活跃β(aGSK-3β),但是所有的细胞表现出正常电生理活动。神经元应用程序(Dp)也积累了大型RAB5-positive早期核内体相比,控制。治疗纯化神经元β分泌酶抑制剂,但不是γ分泌酶抑制剂,减少了phospho-Tau(刺231)和aGSK-3β的水平。这些结果说明应用的直接作用蛋白水解处理,但不是淀粉样蛋白β在GSK-3β在人类神经元激活和τ磷酸化。最近,科赫et al。164年)表明,神经元来自万能的PS1(L166P)变异的部分损失γ分泌酶的功能,从而导致淀粉样蛋白的减少生产β40和淀粉样蛋白增加β42/40的比例。这些神经元也抵抗γ分泌酶调制的非甾体类抗炎药(非甾体抗炎药)。特定的细胞则因此提供人类神经系统研究AD发病机理和筛选化合物的医药治疗广告。
2.2.9。帕金森病
帕金森病(PD)是最常见的神经退行性运动障碍。进步是由于多巴胺(DA)神经元的变性的黑质和伴随而来的intraneuronal夹杂物富含α-突触核蛋白叫路易小体(165年,166年]。越来越清楚的是,遗传因素导致PD的发病机制复杂。基因包括PARK2,SNCA,帕金,PINK1,DJ-1,UCHL1,LRRK2,PARK7,GBA,SNCAIP,和ATP13A2发现了与帕金森病(直接相关166年- - - - - -169年]。已成功生成的细胞则从PD患者其中一些基因的突变(170年- - - - - -175年]。
阮et al。171年)携带突变的细胞则生成富亮氨酸重复kinase-2(LRRK2)基因和细胞分化成DA神经元。的高外显率LRRK2变异及其临床观察与零星的PD在这个过程中,表明研究PD的则可以作为一个平台。作者发现关键氧化应激反应基因的表达和α-核蛋白蛋白质增加DA神经元来自PD万能。突变DA神经元也更敏感caspase-3活化和细胞死亡,当暴露在压力代理。这种增强应力敏感性与PD早期表型一致,可能成为一个潜在的治疗目标的障碍。最近,Sanchez-Danes et al。175年)报道,DA神经元分化从PD万能LRRK2变异显示形态改变,如神经突的数量的减少和神经突分枝,以及自噬空泡的积累。这些形态变化可以极大地加剧了进一步诱导自噬溶酶体蛋白水解作用和/或抑制,表明自噬妥协DA神经元从PD万能,这发生在自噬体间隙的水平。
由et al。172年]报道了一代的万能皮肤成纤维细胞的PD患者胡说或错义突变PTEN-induced假定的激酶1(PINK1)基因。当分化成DA神经元线粒体去极化和加工,慢病毒表达的细胞显示受损招聘帕金线粒体,线粒体拷贝数增加,upregulation过氧物酶体扩散者γ(PPARγ)coactivator-1α(PGC-1α),线粒体生物起源的重要调节器。重要的是,这些改变被纠正的慢病毒表达野生型PINK1在突变体iPSC派生PINK1神经元。这项研究表明来自遗传PD的成纤维细胞可以重新编程和分化成DA神经元。这些iPSC派生的神经元表现出不同的表型,应该服从PD的分子和细胞机制的进一步研究。三倍的SNCA、编码α-核蛋白,使一个完全渗透,积极形式的PD和痴呆。的α-核蛋白功能障碍是帕金森病的重要致病事件导致多系统萎缩和路易体痴呆与[167年,169年]。迪瓦恩et al。170年)产生的多个iPSC线从SNCA三倍的耐心,一个一级相对的影响。他们发现DA神经元分化的细胞则产生的病人的数量的两倍α-核蛋白蛋白质相比,神经元的相对影响,因此准确地概括这些人PD的主要原因。这个模型代表一个特殊实验系统筛选化合物减少的水平α-核蛋白和研究神经退化的细胞机制所致α-核蛋白功能障碍。缺乏帕金表型的基因敲除小鼠需要表明,人类的神经系统疾病模型。江et al。174年)表明,PD患者的DA神经元细胞则帕金突变,单胺氧化酶类的转录和氧化应激是大大增加,DA吸收减少,自发DA释放增加。慢病毒表达帕金,但不是PD相关突变体,拯救这些表型,这表明帕金控制多巴胺的利用率由调制DA DA神经元神经传递,抑制多巴胺氧化。本研究因此提供了额外的筛选药物治疗PD的目标。
一个明显的限制在iPSC技术的应用是无法在基因定义的条件下进行实验。这一点尤其年龄发病晚期疾病的的关键在体外表型通常是微妙和容易遗传背景差异的影响。为了解决这个问题,Soldner et al。173年]结合锌指核酸酶(ZFN)介导的基因组编辑和iPSC技术。他们生成的同基因的疾病和控制人类多能干细胞,只在两种不同敏感性变异为PD修改的点突变α-核蛋白基因。这种方法正确的致病基因点突变在病人派生细胞则代表重大进展在基础生物医学研究和推进iPSC技术。
2.3。建模Neurogenetic障碍通过万能的担忧
虽然万能承诺建模neurogenetic障碍,仍有局限性。neurogenetic障碍在大多数情况下,我们需要确定neurogenetic障碍的典型特征是否可以观察在iPSC模型的上下文中。在分子水平上,如疾病相关蛋白表达或全球基因表达水平,病人很可能iPSC派生神经元文化能够概括表型的障碍。但对晚发性神经退行性疾病,病人iPSC派生的神经元可能无法显示典型的病人大脑病理学,比如路易小体PD (5,19,176年,177年]。
另一方面,它也是非常重要的繁殖或验证数据来源于特定的iPSC行,鉴于这些细胞系的实质性的表型多样性和遗传异质性的病人。值得注意的是,抑制表型相关的病人iPSC文化相对遗传缺陷的修复可能进一步验证这些模型。尽管有这些问题,先前的研究已经提供了强有力的证据iPSC技术作为一个强大的方法模型neurogenetic疾病(5,19,176年,177年]。
3所示。iPSC基础Neurogenetic紊乱的治疗策略
3.1。药物筛选和开发
iPSC技术为新型生物活性化合物的发现提供了一个平台通过分子解剖病理过程(5]。鼓舞人心的例子来演示的潜力在筛选药物的细胞则候选人来自上述研究建模neurogenetic障碍,如RTT [27],TS [91年],SMA [96年,97年],FD [102年,103年],MJD [143年],X-ALD [152年,广告162年,163年),和PD (170年- - - - - -172年]。目前,万能干细胞已被证明是有价值的对于测试少量疗效和毒性的化合物在一个特定的病人或病人的人口。
很明显,iPSC技术可以是一个有用的方法来确定哪些药物或药物组合是有效的在人类或在特定患者(5,16,19,102年]。使这项技术更强大,它是至关重要的,验证的关键分子和细胞表型在iPSC派生的神经元或神经胶质细胞。高通量药物筛选和开发需要统一的神经元或神经胶质细胞的数量。iPSC的发展技术,iPSC派生的神经元或神经胶质细胞会产生大量具有较高一致性。
3.2。细胞疗法
代万能neurogenetic障碍患者允许大量的中枢神经系统细胞的生产与患者的基因型。这些细胞是免疫匹配单个吸长所需的再生医学的目标。则提供自体的细胞来源细胞替换/神经保护策略在神经退行性疾病的患者。有前景的结果报告与啮齿动物和人类iPSC派生的神经元,如行为症状的改善PD大鼠模型(178年,179年]。除了特定神经元细胞则对替代疗法的移植,移植神经胶质细胞的细胞则还可用于神经保护(180年]。患者的脊髓运动神经元疾病,取代运动神经元似乎令人生畏的问题,考虑到这些细胞必须扩展并正确激活特定的中枢神经系统领域。移植细胞治疗支持细胞,而不是更换神经元,是一个额外的和潜在的替代模式的细胞治疗运动神经元疾病(5,176年]。
iPSC技术已经在很大程度上规避政治和道德障碍之前与人类胚胎干细胞研究。然而,一些重大挑战之前必须克服细胞疗法使用iPSC技术可以应用临床5]。首先,在许多其他的安全问题,必须解决癌症的风险(5]。iPSC派生的神经元和胶质细胞不适合移植到致癌基因和逆转录病毒使用替换为更控制细胞“重编程”(19,176年]。新策略来重新编码细胞使之在缺乏整合病毒载体已报告(181年- - - - - -183年除了更高效的综合方法(184年,185年]。第二,区分万能干细胞所需的特定类型的中枢神经系统细胞或制定准确的方法来净化所需的细胞是关键的优先事项。建筑的发展已经通过干细胞,研究人员应该继续提高定向分化的理解和开发新的协议。这些协议将iPSC技术更进一步patient-matched临床移植的细胞或组织。第三,它应该是必要的理解和正确的任何遗传缺陷在病人的神经元和神经胶质细胞在他们可以理性地用于细胞疗法。这里的主要问题是iPSC派生疗法可能概括病人的疾病过程,由于他们的遗传倾向。在单基因疾病的背景下,这样的变化可能在理论上是基因修复在体外移植前(176年]。神经退行性疾病,如帕金森病,重组细胞的相对短暂的一生可能足够延迟程序一种内在的致病性。然而,在宿主细胞外在因素患者中枢神经系统环境可能促进治疗移植细胞的发病机理(186年]。如果目标是修复神经回路,然后最重要的障碍会预测到适当的目标结构的再生的方式尊重组织的神经网络。机械屏障相关的疾病或损伤所致神经胶质过多症也会影响恢复受损的神经元网络在成人中枢神经系统5]。这些代表了,但肯定不是唯一的紧迫问题,之前必须克服细胞疗法可以有效的翻译方法的诊所。尽管所有这些潜在的挑战,iPSC技术,虽然新生,代表了一个非凡的进展细胞治疗神经系统疾病。
4所示。结论
鉴于以上讨论的局限性和缺点,我们必须意识到iPSC派生建模系统只有一个工具数组的方法需要理解和治疗人类neurogenetic紊乱。考虑到iPSC模型治疗这些疾病的发展,我们还必须在系统层面理解病理生理学。充分理解需要平衡和集成在不同层次的信息(177年,187年]。数据主要来源于中枢神经系统细胞,人类iPSC或其他中枢神经系统干细胞衍生的细胞,转基因动物模型和人类研究必须集成到更广泛的景观。在这个格局中,每个级别的信息可以通知其他提高我们理解我们前进。的万能填补关键空白实验方法通过提供生活、人类中枢神经系统细胞功能与患者的遗传背景。他们提供了一个重要的动物模型之间的联系研究和评估人类死亡的脑组织和住大脑功能。研究人类中枢神经系统细胞来自患者的细胞则会给我们有价值的见解的发病机制和未来iPSC的研究将促进药物发现,细胞疗法,对neurogenetic疾病新的诊断模式(3,19,177年]。
确认
h·王是由中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委,不。Rett综合症研究30200152)和一个博士后奖学金从加拿大的脆性X研究基金会。l . c .林根得到了加拿大自然科学和工程研究理事会(NSERC)和加拿大的脆性X研究基金会。