Using pacient-specific IPSC derived dopaminergic to investigate Parkinson's disease: a new prospective in stem cell research and application = Utilització de neurones dopaminèrgiques específiques de pacients derivades de cèl·lules pluripotents induïdes (IPSC) en la investigació de la malaltia de Parkinson: una nova perspectiva en la investigació amb cèl·lules mare i les seves aplicacions

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is an incurable neurodegenerative disorder, mainly characterized by a progressive loss of midbrain dopaminergic (DA) neurons, located in the substantia nigra pars compacta (SNpc), and frequently accompanied by the formation of insoluble cytosolic protein aggregates in the remaining surviving neurons, known as Lewy bodies. The progressive denervation of DA terminals that project to the basal ganglia striatum causes a lack of DA uptaking, and consequently a progressive manifestation of debilitating motor deficits, that leads to premature invalidity and death.

To date, only symptomatic therapies can compensate efficiently the locomotor deficiencies over a period of 5 years, however they do not cure or halt disease progression. A lack of suitable animal and cellular models might explain the fragmentary knowledge of the pathogenic mechanisms leading to PD, and highlights the urgent need for developing reliable experimental models that can recapitulate the key features of this disorder. The utilization of induced pluripotent stem cells (iPSC) offers an unprecedented opportunity to model human diseases, since they can be generated from patients and differentiated into disease-relevant cell types, such as neurons. Recently, human iPSC-based models of PD have been described. iPSC-derived neurons from patients with familial and sporadic PD recapitulate human disease phenotypes in vitro such as abnormal α-synuclein accumulation, and alterations in the autophagy machinery.

Here, we investigated the neuroprotective effect of several compounds, including the neurotrophic factor GDNF, in culture of iPSC-derived midbrain dopaminergic neurons from patients with a LRKK2 mutation or sporadic patients. Interestingly, we found that six weeks after GDNF treatment, the level of dendritic arborisation from DA neurons derived from ID-PD and LRRK2-PD-iPSC increased to normal levels found in Ctrl-iPSC derived DA neurons. The neuroprotective effects were associated to a decrease in the number of apoptotic cells, and to a GFR1α/RET downstream activation of cell survival pathways, as well as reduction of autophagosome vesicles, compared to the untreated PD-iPSC derived DA neurons. Additionally, we found that GDNF is, in part, a requirement for a properly systemic neuronal survival in this model, since levels of GDNF were found twice decreased within long-term DAn cultures derived from both ID-PD and LRRK2-PD, when compared to CTL. In conclusion, our data demonstrate that iPSC-derived neuronal cells are valuable models for measuring responses to neuroprotective therapies and they may help to identify potential new drugs, thus furthering the development of treatments for PD. The differential secretion of survival factors within the culture also highlights the importance of using this technology for studying the contribution of other neural cell types in the onset of PD.

La malaltia de Parkinson (MP) és un desordre neurodegeneratiu incurable, principalment caracteritzat per la pèrdua progressiva de neurones dopaminèrgiques (DA) del mesencèfal, localitzades a la substancia nigra pars compacta (SNpc), i freqüentment acompanyat per la formació d’agregats proteics citosòlics insolubles en les neurones supervivents residuals, coneguts com a cossos de Lewy. La progressiva denervació dels terminals dopaminèrgics que projecten als ganglis basals i l’estriat causa una manca d’alliberament i ús de dopamina, provocant com a conseqüència una progressiva manifestació de dèficits motors, que acaben conduïnt a la invalidesa i mort prematura.

Actualment, la MP només es pot tractar amb teràpies simptomàtiques que compensen eficientment les deficiències locomotores durant un període al voltant dels 5 anys. No obstant, les teràpies existents no permeten curar ni aturar la progressió de la malaltia. La manca de models animals i cel·lulars adequats podrien explicar el coneixement fragmentari dels mecanismes patològics que condueixen a la MP, i posa en relleu la necessitat urgent de desenvolupar models experimentals fiables que puguin recapitular les principals característiques d’aquest trastorn. L’ús de cèl·lules mare amb pluripotència induïda (iPSC) ofereix una oportunitat sense precedents per a modelar malalties humanes, ja que poden ser generades a partir de pacients i diferenciades en tipus cel·lulars rellevants de la malaltia. Recentment, s’han descrit models basats en iPSC humanes per a l’estudi de la MP. Neurones derivades de iPSC provinents de pacients amb MP familiar i esporàdica recapitulen fenotips humans específics de la malaltia in vitro, com ara l’acumulació anormal d’α-sinucleïna, i alteracions en la maquinària de l’autofàgia.

En aquesta tesi doctoral s’ha investigat l’efecte neuroprotectiu de diferents compostos, incloent el factor neurotròfic GDNF, en el cultiu in vitro de neurones DA derivades de iPSC de pacients amb la mutació familiar G2019S al gen lrrk2 (LRRK2-PD), i pacients esporàdics (ID-PD). Curiosament, s’ha trobat que sis setmanes després del tractament amb el GDNF, el nivell d’arborització dendrítica de les neurones DA derivades de LRRK2-PD i ID-PD-iPSC augmentà fins als nivells normals trobats en les neurones DA derivades d’individus control (Ctrl-iPSC). En comparació amb els cultius neuronals DA derivats de PD-iPSC sense el tractament, els efectes neuroprotectius estaven associats a una disminució en el número de neurones apoptòtiques, i a l’activació de vies de supervivència cel·lular, riu avall del complex receptor del GDNF GFR1α/RET, així com també la reducció de vesícules autofàgiques.

A més, s’ha trobat que el GDNF és, en part, un requisit per a una correcta supervivència neuronal sistèmica en aquest model. Concretament, els nivells de GDNF a llarg temps de cultiu es troben dos vegades disminuïts tant en els cultius DA de ID-PD com els de LRRK2-PD, en comparació amb els nivells de les Ctrl.

En conclusió, els nostres resultats demostren que les cèl·lules neuronals derivades de iPSC són models valuosos per a mesurar respostes a teràpies neuroprotectives, i per tant poden ajudar a identificar nous fàrmacs potencials, fomentant així el desenvolupament de tractaments per a la MP. La secreció diferencial de factors de supervivència dins del cultiu també destaca l’importància de l’ús d’aquesta tecnologia per a l’estudi de la contribució d’altres tipus neurals en la patogènesis de la MP.