Ein neuartiges, auf menschlichen Stammzellen basierendes ALS-Modell öffnet Türen für ein schnelles Medikamentenscreening

3. Dezember 2008

Ein neuartiges, auf menschlichen Stammzellen basierendes ALS-Modell öffnet Türen für ein schnelles Medikamentenscreening

3. Dezember 2008

La Jolla, Kalifornien – Lange galten Astrozyten als bloße Unbeteiligte. Sie sind entscheidend für das Überleben und das Wohlergehen der Motoneuronen, die willkürliche Muskelbewegungen steuern. Tatsächlich können defekte Astrozyten Motoneuronen zerstören und sind die Hauptverdächtigen für die muskelschwundende Krankheit Amyotrophe Lateralsklerose (ALS).

Um diesem komplizierten Zusammenhang auf den Grund zu gehen, haben Forscher des Salk Institute for Biological Studies erstmals ein auf menschlichen embryonalen Stammzellen (hESC) basierendes System zur Modellierung von ALS entwickelt. Ihre Studie bestätigte, dass dysfunktionale menschliche Astrozyten sich gegen ihre Ladung wenden und gesunde Motoneuronen abtöten. Aber was noch wichtiger ist: Die Behandlung der kultivierten Zellen mit Apocynin, einem starken Antioxidans, verhinderte den Tod von Motoneuronen, der durch eine Fehlfunktion der Astrozyten verursacht wurde.

Ihre Ergebnisse, die in der Ausgabe der Zeitschrift vom 4. Dezember erscheinen Cell Stammzelleliefern neue Einblicke in die toxischen Wege, die zum Untergang von Motoneuronen bei ALS beitragen, und eröffnen neue Möglichkeiten für Arzneimittel-Screening-Experimente mit menschlicher ALS in vitro Modelle sowie klinische Interventionen mit astrozytenbasierten Zelltherapien.

„Eine Reihe von Medikamenten, die in Mausmodellen eine signifikante Wirksamkeit gezeigt hatten, hielten weder in präklinischen noch in klinischen Studien ihr Versprechen“, sagt er Fred H. Gage, Ph.D., Professor am Labor für Genetik, der die Studie leitete. Tatsächlich wurde nur ein Medikament – ​​Riluzol – von der FDA zur Behandlung von ALS zugelassen und es verlangsamt den Krankheitsverlauf nur um zwei Monate.

„Es besteht ein dringender Bedarf an neuen ALS-Modellen, die das Potenzial haben, in klinische Studien umgesetzt zu werden, und die zumindest in Verbindung mit den Mausmodellen zur Verifizierung von Arzneimitteln und Arzneimittelzielen verwendet werden könnten“, sagt Gage.

ALS, auch bekannt als Lou-Gehrig-Krankheit, wurde nach dem legendären New Yorker Yankee-Schläger benannt, der der mysteriösen Krankheit vor über 60 Jahren seinen Namen gab. Die meist tödlich verlaufende neurodegenerative Erkrankung greift Motoneuronen an, die willkürliche Bewegungen steuern, und führt zu fortschreitender Lähmung und Muskelatrophie.

Obwohl ALS bereits vor über 140 Jahren als Krankheit eingestuft wurde, gibt es noch immer wenige Hinweise auf die Ursache. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheit kam, als Wissenschaftler entdeckten, dass ALS durch vererbte Mutationen im Gen des SOD1-Enzyms, kurz für Superoxiddismutase 1, induziert werden kann. Dieses Enzym schützt den Körper vor Schäden durch freie Radikale, hochreaktive Moleküle, die von produziert werden Zellen während des normalen Stoffwechsels.

Spinale Motoneuronen exprimieren hohe Mengen an SOD1, was viele ursprünglich für eine Erklärung für ihre selektive Anfälligkeit hielten. Doch bald zeigten Mausexperimente, dass die Degeneration von Motoneuronen nicht unbedingt mit der Expression von defektem SOD1 in den Motoneuronen verbunden ist an sich sondern vielmehr mit seiner Expression in einer kritischen Anzahl benachbarter Stützzellen.

Da die meisten Behandlungen, die in ALS-Mausmodellen funktionierten, in präklinischen und klinischen Studien nicht den Erwartungen entsprachen, suchte die Postdoktorandin und Erstautorin M. Carol Marchetto, Ph.D., nach einer Alternative: „Transgene Mäuse, die die menschlichen mutierten Formen enthalten.“ von SOD1 waren sehr nützlich, um den Ausbruch und das Fortschreiten der Krankheit zu untersuchen. Wir waren jedoch der Meinung, dass Zellkulturmodelle, die sowohl menschliche Neuronen als auch Astrozyten verwenden, möglicherweise für das Medikamentenscreening und in gewissem Maße für Zellersatztherapien sehr nützlich sein könnten.“

Um den Beitrag von Astrozyten zur Degeneration menschlicher Motoneuronen aufzudecken, brachte Marchetto zunächst hESCs durch eine Reihe physikalischer Manipulationen und die Einwirkung einer Reihe von Wachstumsfaktoren dazu, sich in Motoneuronen zu differenzieren. Als sie diese Zellen zusammen mit menschlichen Astrozyten kultivierte, die eine mutierte Form von SOD1 exprimierten, sank die Zahl der in der Petrischale lebenden Motoneuronen drastisch. „Bei Vorhandensein der Mutation aktivierten die Astrozyten eine Entzündungsreaktion und begannen, reaktive Sauerstoffspezies zu produzieren, ein Kennzeichen von ALS“, sagt Marchetto.

Als sie diese Zellen mit bekannten Antioxidantien wie Apocynin, das in vielen Pflanzen vorkommt, Epicatechin, einem der nützlichen Inhaltsstoffe in grünem Tee und Schokolade, oder Alpha-Liponsäure, die vom Körper produziert wird, behandelte, stieg der Prozentsatz der Astrozyten Die Menge unserer schädlichen reaktiven Sauerstoffspezies nahm deutlich ab. Darüber hinaus half Apocynin – das einzige, das in einem Co-Kultur-Experiment getestet wurde – Motoneuronen, ihrer nicht mehr unterstützenden Umgebung standzuhalten, als sie Motoneuronen behandelte, die in Gegenwart mutierter Astrozyten kultiviert wurden.

„Wir glauben, dass wir dieses System als schnellen Drogentest für oxidative Schäden nutzen können, um die besten Kandidaten für nachfolgende langfristige Co-Kultur-Experimente zu identifizieren“, sagt Marchetto.

Während die Forschung zu den Auswirkungen der SOD1-Genmutation wichtige Hinweise auf die möglichen Ursachen des Absterbens von Motoneuronen liefert, ist nur ein kleiner Teil aller ALS-Fälle tatsächlich auf die Mutation zurückzuführen; Offensichtlich gibt es weitere, noch nicht identifizierte genetische Ursachen.

„Die rasanten Fortschritte in der Technologie induzierter pluripotenter Stammzellen werden es uns bald ermöglichen, patientenspezifische Stammzellen zu erzeugen, die in unserem Co-Kultur-Assay verwendet werden können, um neue Erkenntnisse über die verschiedenen Ursachen von ALS zu gewinnen“, sagt Gage.

Für Informationen zur Kommerzialisierung dieser Technologie wenden Sie sich bitte an Mike White unter 858-453-4100, x 1703 (mwhite@salk.edu) im Salk Office of Technology Management and Development.

Diese Studie wurde vom Project ALS, der Dana and Christopher Reeve Foundation, dem California Institute for Regenerative Medicine, dem Lookout Fund und den National Institutes of Health finanziert.

Zu den Forschern, die ebenfalls zu der Arbeit beigetragen haben, gehören die Postdoktoranden Alysson R. Muotri, Ph.D. und Yangling Mu, Ph.D. im Gage-Labor, der Postdoktorand Alan M. Smith, Ph.D. und die Assistenzprofessorin Gabriela G. Cezar, Ph.D., beide an der University of Wisconsin-Madison, Madison.