Annals of Clinical and Experimental NeurologyAnnals of Clinical and Experimental NeurologyАнналы клинической и экспериментальной неврологии2075-54732409-2533Eco-Vector97610.54101/ACEN.2023.2.6Original articlesОригинальные статьиResearch ArticleMorphological Changes in Neural Progenitors Derived from Human Induced Pluripotent Stem Cells and Transplanted into the Striatum of a Parkinson's Disease Rat ModelМорфологические изменения нейрональных предшественников, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека и трансплантированных в стриатум крыс с моделью болезни Паркинсонаhttps://orcid.org/0000-0001-5222-5322VoronkovDmitry N.ВоронковДмитрий Николаевич
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), senior researcher, Laboratory of neuromorphology

к.б.н., с.н.с. лаб. нейроморфологии

annaly-nevrologii@neurology.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8689-0934StavrovskayaAlla V.СтавровскаяАлла Вадимовна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), leading researcher, Laboratory of experimental pathology of the nervous system

к.б.н., в.н.с. лаб. экспериментальной патологии нервной системы

alla_stav@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0767-5265LebedevaOlga S.ЛебедеваОльга Сергеевна
Russian Federation

senior researcher, Laboratory of cell biology

с.н.с. лаб. клеточной биологии

annaly-nevrologii@neurology.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0383-0240LiWenЛиВен
Taiwan, Province of China

PhD, Professor, Institute of Health Sciences

PhD, профессор, Институт наук о здоровье

annaly-nevrologii@neurology.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5696-8032OlshanskyArtem S.ОльшанскийАртем Сергеевич
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), senior researcher, Laboratory of experimental pathology of the nervous system

к.б.н., с.н.с. лаб. экспериментальной патологии нервной системы

annaly-nevrologii@neurology.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3026-0279GushchinaAnastasia S.ГущинаАнастасия Сергеевна
Russian Federation

researcher, Laboratory of experimental pathology of the nervous system

н.с. лаб. экспериментальной патологии нервной системы

annaly-nevrologii@neurology.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2833-2897KapkaevaMarina R.КапкаеваМарина Рафаиловна
Russian Federation

junior researcher, Laboratory of neurobiology and tissue engineering

м.н.с. лаб. нейробиологии и тканевой инженерии

annaly-nevrologii@neurology.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1549-1984BogomazovaAlexandra N.БогомазоваАлександра Никитична
Russian Federation

Head, Laboratory of cell biology

зав. лаб. клеточной биологии

annaly-nevrologii@neurology.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9594-1134LagarkovaMaria A.ЛагарьковаМария Андреевна
Russian Federation

D. Sci. (Biol.), Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Director

д.б.н., чл.-корр. РАН, ген. директор

annaly-nevrologii@neurology.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2704-6282IllarioshkinSergey N.ИллариошкинСергей Николаевич
Russian Federation

D. Sci. (Med.), Prof., Academician of the Russian Academy of Sciences, Deputy Director, Head, Brain Research Institute

д.м.н., академик РАН, зам. директора по научной работе

annaly-nevrologii@neurology.ruResearch Center of NeurologyФГБНУ «Научный центр неврологии»Lopukhin Federal Research and Clinical Center of Physical and Chemical MedicineФГБУ «Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины имени Ю.М. Лопухина»Health Sciences Institute, China Medical UniversityКитайский медицинский университет2106202317243501004202320042023Copyright ©; 2023, Voronkov D.N., Stavrovskaya A.V., Lebedeva O.S., Li W., Olshansky A.S., Gushchina A.S., Kapkaeva M.R., Bogomazova A.N., Lagarkova M.A., Illarioshkin S.N.Copyright ©; 2023, Воронков Д.Н., Ставровская А.В., Лебедева О.С., Ли В., Ольшанский А.С., Гущина А.С., Капкаева М.Р., Богомазова А.Н., Лагарькова М.А., Иллариошкин С.Н.2023Voronkov D.N., Stavrovskaya A.V., Lebedeva O.S., Li W., Olshansky A.S., Gushchina A.S., Kapkaeva M.R., Bogomazova A.N., Lagarkova M.A., Illarioshkin S.N.Воронков Д.Н., Ставровская А.В., Лебедева О.С., Ли В., Ольшанский А.С., Гущина А.С., Капкаева М.Р., Богомазова А.Н., Лагарькова М.А., Иллариошкин С.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://annaly-nevrologii.com/pathID/article/view/976

Introduction. Development of cell therapy for Parkinson's disease (PD) requires protocols based on transplantation of neurons derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) into the damaged area of the brain.

Objective: to characterize neurons transplanted into a rat brain and evaluate neural transplantation efficacy using a PD animal model.

Materials and methods. Neurons derived from hiPSCs (IPSRG4S line) were transplanted into the striatum of rats after intranigral injection of 6-hydroxydopamine (6-OHDA). Immunostaining was performed to identify expression of glial and neuronal markers in the transplanted cells within 2–24 weeks posttransplant.

Results. 4 weeks posttransplant we observed increased expression of mature neuron markers, decreased expression of neural progenitor markers, and primary pro-inflammatory response of glial cells in the graft. Differentiation and maturation of neuronal cells in the graft lasted over 3 months. At 3 and 6 months we detected 2 graft zones: one mainly contained the transplanted neurons and the other — human astrocytes. We detected human neurites in the corpus callosum and surrounding striatal tissue and large human tyrosine hydroxylase-expressing neurons in the graft.

Conclusion. With graft's morphological characteristics identified at different periods we can better understand pathophysiology and temporal patterns of new dopaminergic neurons integration and striatal reinnervation in a rat PD model in the long-term postoperative period.

Введение. Разработка клеточной терапии для пациентов с болезнью Паркинсона (БП) предполагает создание протоколов на основе трансплантации нейронов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) человека, в поражённую область головного мозга.

Цель исследования — охарактеризовать нейроны, трансплантированные в мозг крысы, для оценки эффективности нейротрансплантации на животной модели БП.

Материалы и методы. Нейроны, полученные из ИПСК человека (линия IPSRG4S), трансплантировали в стриатум крыс с интранигральным введением 6-OHDA в качестве модели БП. Затем проводили иммуноокрашивание для выявления экспрессии глиальных и нейрональных маркеров в трансплантированных клетках в срок 2–24 нед после трансплантации.

Результаты. Через 4 нед в трансплантате зарегистрировано увеличение экспрессии маркеров зрелых нейронов на фоне снижения экспрессии маркеров нейрональных предшественников и первичной провоспалительной реакции глии. Дифференцировка и созревание нейрональных клеток в трансплантате продолжались более 3 мес. На более поздних сроках (3 и 6 мес) в трансплантате выявляли две зоны: содержащую преимущественно трансплантированные нейроны и образованную в основном астроцитами человека. В мозолистом теле и окружающей ткани полосатого тела обнаружены отростки нейронов человека, в трансплантате — крупные нейроны человека, экспрессирующие тирозингидроксилазу.

Заключение. Установленные в работе морфологические особенности трансплантата на разных сроках позволяют глубже понять патофизиологию и временные закономерности интеграции новых дофаминергических нейронов и реиннервации стриатума у крыс с моделью БП в отдалённом послеоперационном периоде.

Parkinson's diseasemodelhuman induced pluripotent stem cellshiPSCneuronstransplantationstriatumболезнь Паркинсонамодельиндуцированные плюрипотентные стволовые клетки человеканейронытрансплантацияполосатое телоМинистерство науки и высшего образования РФMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075-15-2019-1669Lebedeva O.S., Lagarkova M.A. Pluripotent stem cells for modelling and cell therapy of Parkinson’s disease. Biochemistry (Moscow). 2018;83(9):1046–1056. doi: 10.1134/S0006297918090067Penney J., Ralvenius W.T., Tsai L.-H. Modeling Alzheimer’s disease with iPSC-derived brain cells. Mol. Psychiatry. 2020;25(1):148–167. doi: 10.1038/s41380-019-0468-3Schweitzer J.S., Song B., Herrington T.M. et al. Personalized iPSC-derived dopamine progenitor cells for Parkinson’s disease. N. Engl. J. Med. 2020;382(20):1926–1932. doi: 10.1056/NEJMoa1915872Wu R., Luo S., Yang H., Transplantation of neural progenitor cells generated from human urine epithelial cell-derived induced pluripotent stem cells improves neurological functions in rats with stroke. Dis. Med. 2020;29(156):53–64.Ghosh B., Zhang C., Ziemba K.S. et al. Partial reconstruction of the nigrostriatal circuit along a preformed molecular guidance pathway. Mol. Ther. Methods Clin. Dev. 2019; 14:217–227. doi: 10.1016/j.omtm.2019.06.008Kriks S., Shim J.-W., Piao J. et al. Dopamine neurons derived from human ES cells efficiently engraft in animal models of Parkinson’s disease. Nature. 2011;480(7378):547–551. doi: 10.1038/nature10648Arenas E., Denham M., Villaescusa J.C. How to make a midbrain dopaminergic neuron. Development. 2015;142(11):1918–1936. doi: 10.1242/dev.097394Engel M., Do-Ha D., Muñoz S.S., Ooi L. Common pitfalls of stem cell differentiation: a guide to improving protocols for neurodegenerative disease models and research. Cell. Mol. Life Sci. 2016;73(19):3693–3709. doi: 10.1007/s00018-016-2265-3Antonov S.A., Novosadova E.V., Kobylyansky A.G. et al. Expression and functional properties of NMDA and GABAA receptors during differentiation of human induced pluripotent stem cells into ventral mesencephalic neurons. Biochemistry (Moscow). 2019;84(3):310–320. doi: 10.1134/S0006297919030131Sefiani A., Geoffroy C.G. The potential role of inflammation in modulating endogenous hippocampal neurogenesis after spinal cord injury. Front. Neurosci. 2021;15:682259. doi: 10.3389/fnins.2021.682259Tomov N., Surchev L., Wiedenmann C. et al. Astrogliosis has different dynamics after cell transplantation and mechanical impact in the rodent model of Parkinson’s disease. Balkan Med. J. 2018;35(2):141–147. doi: 10.4274/balkanmedj.2016.1911Llorens-Bobadilla E., Zhao S., Baser A. et al. Single-cell transcriptomics reveals a population of dormant neural stem cells that become activated upon brain injury. Cell Stem Cell. 2015;17(3):329–340. doi: 10.1016/j.stem.2015.07.002Johann 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(4):458–470. doi: 10.1007/s00221-006-0689-yTom C.M., Younesi S., Meer E. et al. Survival of iPSC-derived grafts within the striatum of immunodeficient mice: Importance of developmental stage of both transplant and host recipient. Exp. Neurol. 2017;297:118–128. doi: 10.1016/j.expneurol.2017.07.018Kopach O. Monitoring maturation of neural stem cell grafts within a host microenvironment. World J. Stem Cells. 2019;11(11):982–989. doi: 10.4252/wjsc.v11.i11.982Holmqvist S., Lehtonen Š., Chumarina M. et al. Creation of a library of induced pluripotent stem cells from Parkinsonian patients. NPJ Parkinson Dis. 2016;2(1):16009. doi: 10.1038/npjparkd.2016.9Voronkov D.N., Stavrovskaya A.V., Guschina A.S. et al. Morphological characterization of astrocytes in a xenograft of human iPSC-derived neural precursor cells. Acta Naturae. 2022;14(3):100–108. doi: 10.32607/actanaturae.11710Paxinos G., Watson C. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. 6th еd. San Diego; 2007.Krishnasamy S., Weng Y.C., Thammisetty S.S. et al. Molecular imaging of nestin in neuroinflammatory conditions reveals marked signal induction in activated microglia. J. Neuroinflammation. 2017;14(1):45. doi: 10.1186/s12974-017-0816-7Verwer R.W., Sluiter A.A., Balesar R.A. et al. Mature astrocytes in the adult human neocortex express the early neuronal marker doublecortin. Brain. 2007;130(12):3321-3335. doi: 10.1093/brain/awm264Sun W., Cornwell A., Li J. et al. SOX9 is an astrocyte-specific nuclear marker in the adult brain outside the neurogenic regions. J. Neurosci. 2017;37(17):4493–4507. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3199-16.2017Sensenbrenner M., Lucas M., Deloulme J.-C. Expression of two neuronal markers, growth-associated protein 43 and neuron-specific enolase, in rat glial cells. J. Mol. Med. 1997;75(9):653–663. doi: 10.1007/s001090050149Harrill J.A., Chen H., Streifel K.M. et al. Ontogeny of biochemical, morphological and functional parameters of synaptogenesis in primary cultures of rat hippocampal and cortical neurons. Mol. Brain. 2015;8(1):10. doi: 10.1186/s13041-015-0099-9White R.B., Thomas M.G. Moving beyond tyrosine hydroxylase to define dopaminergic neurons for use in cell replacement therapies for Parkinson’s disease. CNS Neurol. Disord. Drug Targets. 2012;11(4):340–349. doi: 10.2174/187152712800792758