Трансплантация нейрональных предшественников, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, в стриатум крыс с токсической моделью болезни Гентингтона

A. V. Stavrovskaya1, N. G. Yamshchikova1, A. S. Ol’shanskiy1, E. V. Konovalova1, S. N. Illarioshkin1
1ФГБНУ «Научный центр неврологии» (Москва), Россия

Аннотация


Введение. Болезнь Гентингтона (БГ) – тяжелое нейродегенеративное заболевание, характеризующееся хореическим гиперкинезом, снижением когнитивных функций, поведенческими расстройствами и прогрессирующей гибелью нейронов, прежде всего, в стриатуме. В силу фатального характера БГ актуальным является поиск эффективных методов ее лечения, в т.ч. на основе заместительного клеточного подхода, для чего все шире используются экспериментальные модели данного заболевания.
Цель работы – оценка эффективности и безопасности трансплантации в стриатум крыс с 3-НПК-индуцированной моделью БГ нейрональных предшественников, дифференцированных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) здорового донора.
Материалы и методы. Исследовано влияние нейротрансплантации на поведенческие эффекты крыс с моделью БГ, вызванной интрастриатным введением 3-нитропропионовой кислоты (3-НПК). В основной группе животных (n=11) в качестве трансплантируемого материала в хвостатые ядра вводили человеческие нейрональные предшественники ( 5×10 5 в 5 мкл физиологического раствора билатерально), полученные из ИПСК здорового донора; в контрольной группе (n=10) – физиологический раствор. Тестирование животных проводилось с помощью системы видеонаблюдения Any-maze; оценивались показатели двигательной активности в «открытом поле» и условные реакции пассивного избегания (УРПИ).
Результаты. Анализ поведенческих эффектов после трансплантации показал, что введение нейрональных ИПСК-производных в хвостатые ядра крыс с моделью БГ сопровождалось восстановлением горизонтальной и вертикальной двигательной активности животных, чего не наблюдалось в контроле. При тестировании воспроизведения реакций пассивного избегания было обнаружено, что у контрольных животных условные реакции избегания были ослаблены, тогда как интрастриатное введение нейронов привело к резкому возрастанию величины латентного периода перехода (ЛП) в темный отсек камеры УРПИ.
Заключение. По данным проведенного пилотного эксперимента на модели БГ, нейротрансплантация с использованием производных ИПСК позволяет восстановить сниженную двигательную активность крыс и улучшить сохранение памятного следа, что способствует коррекции двигательных и когнитивных нарушений, вызванных нейротоксином 3-НПК.

Ключевые слова

болезнь Гентингтона; 3-нитропропионовая кислота; нарушения поведения и памяти; стриатум; нейротрансплантация; индуцированные плюрипотентные стволовые клетки

Полный текст:

PDF

Литература

The Huntington’s Disease Collaborative Research Group. A novel gene containing a trinucleotide repeat that is expanded and unstable on Huntington’s disease chromosomes. Cell. 1993; 72: 971–983. PMID: 8458085.

Ivanova-Smolenskaya I.A., Ovchinnikov I.V., Illarioshkin S.N. et al., [Molecular and genetic testing in diagnostics of sporadic cases of Huntington’s chorea]. Zhurnal nevrologii b psihiatrii im.Korsakova) 1998; 3: 19–22.(in Russ.).

Illarioshkin S.N. [DNA diagnostics and medicogenetic consultation]. Moscow; МIA, 2004. (in Russ.).

Estrada Sanchez A.M., Mejia-Toiber J., Massieu L. Excitotoxic neuronal death and the pathogenesis of Huntington’s disease. Arch. Med. Res. 2008; 39: 265–276. PMID: 18279698 DOI: 10.1016/j.arcmed.2007.11.011.

Ivanova-Smolenskaya I.A., Markova E.D., Illarioshkin S.N., Nikol’skaya N.N. [Monogenic hereditary diseases of the central nervous system] In: Vel’tishcheva J.E., Temina P.A. Nasledstvennye bolezni nervnoy sistemy. Rukovodstvo dlya vrachey (eds). [Hereditary diseases of nervous system. Guidelines for doctors]. Moscow: Meditsina, 1998: 9–104. (in Russ.).

Illarioshkin S.N. Huntington’s disease as model for studying of neurodegenerative diseases. [Byulleten natsional’ogo obshchestva po izucheniyu bolezni Parkinsona i rasstroystvam dvizheniy] 2016; 1: 3–11.

(in Russ.).

Southwell A.L., Ko J., Patterson P.H. Intrabody gene therapy ameliorates motor, cognitive, and neuropathological symptoms in multiple mouse models of Huntington’s disease. J. Neurosci. 2009; 29: 13589–13602. PMID: 19864571 DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4286-09.2009.

Nekrasov E.D., Lebedeva O.S., Vasina E.M. et al. [Platform for studying of Huntington’s disease on the base of induced pluripotent stem cells]. Annaly klinicheskoi I eksperimentalnoi nevrologii. 2012; 4: 30–35. (in Russ.).

Bachoud-Levi A.-C. Neural grafts in Huntington’s disease: Viability after 10 years. Lancet Neurol. 2009; 8: 979-981. PMID: 19833293 DOI: 10.1016/S1474-4422(09)70278-9.

Cicchetti F., Saporta S., Hauser R.A. et al. Neural transplants in patients with Huntington’s disease undergo disease-like neuronal degeneration. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009; 106: 12483–12488. PMID: 19620721 DOI: 10.1073/pnas.0904239106.

Kerkis I., Haddad M., Valverde C., Glosman S. Neural and mesenchymal stem cells in animal models of Huntington’s disease: past experiences and future challenges. Stem Cell Research & Therapy. 2015; 6: 232. PMID: 26667114 DOI: 10.1186/s13287-015-0248-1.

Maucksch C., Vazey E., Gordon R., Connor B. Stem cell-based therapy for Huntington’s disease. J. Cell. Biochem. 2013; 114: 754–763. PMID: 23097329 DOI: 10.1002/jcb.24432.

Reuter I., Tai Y.F., Pavese N. et al. Long-term clinical and positron emission tomography out-come of fetal striatal transplantation in Huntington’s disease. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 2008; 79: 948–951.

Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 2006; 126: 663–676. PMID: 16904174 DOI: 10.1016/j.cell.2006.07.024.

Yamanaka S., Blau H.M. Nuclear reprogramming to a pluripotent state by three approaches. Nature 2010; 465: 704–712. PMID: 20535199 DOI: 10.1038/nature09229.

Fink K., Crane A. et al., Intrastriatal transplantation of adenovirus-generated induced pluripotent stem cells for treating neuropathological and functional deficits in a rodent model of Huntington’s disease. Stem Cells Translational Medicine. 2014; 3: 620–631. PMID: 24657963 DOI: 10.5966/sctm.2013-0151.

Fink K., Rossignol J., Lu M. et al. Survival and differentiation of adenovirus-generated induced pluripotent stem cells transplanted into the rat striatum. Cell Transplant. 2013 [Epub ahead of print]. PMID: 23879897 DOI: 10.3727/096368913X670958.

Peng J., Zeng X. The role of induced pluripotent stem cells in regenerative medicine: neurodegenerative diseases. Stem Cell Res. Ther. 2011; 2: 32. PMID: 21861938 DOI: 10.1186/scrt73.

Stavrovskaya A.V., Konorova I.L., Illarioshkin S.N. et al., [Technologies of nervous system diseases modeling]. M.A. Piradov, S.N. Illarioshkin, M.M. Tanashyan (eds). Nevrologiya XXI veka: diagnosticheskie, lechebnye i issledovatel’skie tekhnologii: Rukovodstvo dlya vrachey. V 3-kh t. T. 3: Sovremennye issledovatel’skie tekhnologii v eksperimental’noy nevrologii. [Neurology of the 21st century: diagnostic, medical and research technologies: Guidelines for doctors in 3 Vol. Vol.3: The modern research technologies in the experimental neurology]. Мoscow: «АТМО», 2015: 73–133. (in Russ.).

Cisbani G, Cicchetti F. An in vitro perspective on the molecular mechanisms underlying mutant huntingtin protein toxicity. Cell Death Dis. 2012; 3: e382. PMID: 22932724 DOI: 10.1038/cddis.2012.121.

Roberts T.J., Price J., Williams S.C., Modo M. Preservation of striatal tissue and behavioral function after neural stem cell transplantation in a rat model of Huntington’s disease. Neuroscience. 2006; 139: 1187–1199. PMID: 16517087 DOI:10.1016/j.neuroscience.2006.01.025.

Ryu J.K., Kim J., Cho S.J. et al. Proactive transplantation of human neural stem cells prevents degeneration of striatal neurons in a rat model of Huntington disease. Neurobiol. Dis. 2004; 16: 68–77. PMID: 15207263 DOI: 10.1016/j.nbd.2004.01.016.

Tunez I., Tasset I., Perez De La Cruz V. et al. 3-Nitropropionic acid as a tool to study the mechanisms involved in Huntington’s disease: Past, present and future. Molecules. 2010; 15: 878–916. PMID: 20335954 DOI: 10.3390/molecules15020878.

El Massioui N., Ouary S., Cheruel F. et al. Perseverative behavior underlying attentional set-shifting deficits in rats chronically treated with the neurotoxin 3-nitropropionic acid. Exp. Neurol. 2001; 172: 172–181. PMID: 11681849 DOI: 10.1006/exnr.2001.7766.

Paxinos G., Watson C. The rat brain in stereotaxic coordinates. Academic Press, 1998.

Stavrovskaya A.V., Voronkov D.N., Yamshikova N.G. et al. [Experience of the experimental modeling of Huntington’s disease]. Annaly klinicheskoi I neksperimentalnoi nevrologii. 2015; 3: 49–55.

Bantubungi K., Blum D., Cuvelier L. et al. Stem cell factor and mesenchymal and neural stem cell transplantation in a rat model of Huntington’s disease. Mol. Cell Neurosci. 2008; 37: 454–470. PMID: 18083596 DOI: 10.1016/j.mcn.2007.11.001.

Johann V., Schiefer J., Sass C. et al. Time of transplantation and cell preparation determine neural stem cell survival in a mouse model of Huntington’s disease. Exp Brain Res. 2007; 177: 458–470. PMID: 17013619 DOI: 10.1007/s00221-006-0689-y.

Lee S.T., Chu K., Park J.E. et al. Intravenous administration of human neural stem cells induces functional recovery in Huntington’s disease rat model. Neurosci. Res. 2005; 52: 243–249. PMID: 15896865 DOI: 10.1016/j.neures.2005.03.016.

Shear D.A., Haik K.L., Dunbar G.L. Creatine reduces 3-nitropropionic-acid-induced cogni- tive and motor abnormalities in rats. Neuroreport. 2000; 11: 1833–1837. PMID: 10884028.

Rossignol J., Boyer C., Lévèque X. et al. Mesenchymal stem cell transplantation and DMEM administration in a 3-NP rat model of Huntington’s disease: Morphological and behavioral outcomes. Behav. Brain Res. 2011; 217: 369–378. PMID: 21070819 DOI: 10.1016/j.bbr.2010.11.006.

Kendall A., Hantraye P., Palfi S. Striatal tissue transplantation in non-human primates. Prog. Brain Res. 2000; 127: 381–404. PMID: 11142037.

Brouillet E., Jacquard C., Bizat N., Blum D. 3-Nitropropionic acid: a mitochondrial toxin to uncover physiopathological mechanisms underlying striatal degeneration in Huntington’s disease. J. Neurochem. 2005; 95: 1521–1540. PMID: 16300642 DOI: 10.1111/j.1471-4159.2005.03515.x.

Becker S., Lim J. A computational model of prefrontal control in free recall: strategic memory use in the California Verbal Learning Task. J. Cogn. Neurosci. 2003; 15: 821–832. PMID: 14511535 DOI:10.1162/089892903322370744.