この研究は、パーキンソン病の前臨床モデルにおける神経炎症、神経変性、および運動障害を誘発するのに必要なベクター用量および曝露時間を解析する。ヒトα−シヌクレインをコードするこれらのベクターは、パーキンソン病に関連するシヌクレイン病理を再現するために黒質に送達される。
パーキンソン病は、黒質線条体経路のドーパミン作動性ニューロンの死、およびその結果、随意運動の制御の進行性の喪失を伴う神経変性障害である。この神経変性プロセスは、主にα-シヌクレインで構成される脳内のタンパク質凝集体の沈着によって引き起こされる。いくつかの研究は、神経炎症がパーキンソン病に関連する神経変性を発症するために必要であることを示した。特に、神経炎症過程は、ミクログリア活性化ならびに末梢T細胞の黒質(SN)への浸潤を含む。本研究では、ミクログリアの活性化、SNへのT細胞浸潤、黒質ドーパミン作動性ニューロンの神経変性、運動障害を再現するパーキンソン病のマウスモデルを解析する。パーキンソン病のこのマウスモデルは、ヒト野生型α−シヌクレイン(AAV−hαSyn)をコードするアデノ随伴ウイルスベクターのSNへの定位送達によって誘導される。SNへのウイルスベクターの正しい送達を、緑色蛍光タンパク質(GFP)をコードする対照ベクターを用いて確認した。その後、SNに投与されたAAV-hαSynの投与量がhαSyn発現の程度、黒質ドーパミン作動性ニューロンの喪失、および運動障害にどのように影響するかを評価した。さらに、hαSyn発現、ミクログリア活性化、およびT細胞浸潤の動態は、疾患発症の経時変化を通して決定された。したがって、この研究は、パーキンソン病のこの前臨床モデルにおけるシヌクレイン病理および神経炎症を標的とするために有用であり得る重要な時点を提供する。
アルツハイマー病に次いで、パーキンソン病は世界で2番目に流行している神経変性疾患です。パーキンソン病に罹患した主要なニューロンは、ドーパミンを産生し、随意運動を制御する黒質線条体経路のニューロンである。結果として、この障害に関連する最も特徴的な症状は運動障害である。この病理はまた、シナプス前末端に関連する細胞質ゾルタンパク質であるα-シヌクレイン(αSyn)1を主成分とする脳内のタンパク質凝集体の沈着を伴う。αSynの病原性封入体の生成は、ミスフォールディングまたはこのタンパク質のいくつかの翻訳後修飾によって誘発されるという証拠が示されている2。
特に、αSyn病理とヒトパーキンソン病および動物モデルにおける黒質線条体経路のドーパミン作動性ニューロンの喪失との間に密接な関係が確立されている3,4。αSyn凝集体がどのように生成され、どのようにニューロンの死を誘発するかを理解することは、この分野で大きな課題を表しています。増え続ける研究グループは、酸化ストレスを増加させることによって、ミトコンドリア機能不全がαSyn凝集体2の生成の主要な原因の1つであることを示している。実際、パーキンソン病リスクに関連するいくつかの遺伝子は、ミトコンドリア機能、形態、およびダイナミクスに関与するタンパク質をコードする5,6。加えて、機能不全ミトコンドリアおよびミスフォールディングαSynの蓄積をもたらすリソソーム機能障害は、αSyn凝集体7の生成を促進する別の主要な事象を構成する。
新たな証拠は、αSyn凝集体が脳内に沈着すると、これらの病原性タンパク質がミクログリア上のトール様受容体(TLR)を刺激し、ミクログリア活性化および黒質(SN)における初期炎症環境を引き起こすことを示している8,9。さらに、この証拠は、αSyn凝集体が抗原提示細胞によって捕捉され、T細胞に提示され、αSyn10、11に特異的な適応免疫応答を誘導することを示している。これらのαSyn特異的T細胞は、その後脳に浸潤し、活性化ミクログリアによって再刺激され、したがってニューロン死を誘発する神経毒性因子の分泌を促進する9,10。興味深いことに、いくつかの証拠は、αSyn凝集体が最初に腸神経系で生成され、次いで迷走神経を通って脳幹12に輸送されることを示唆している。
神経毒性物質(すなわち、6-ヒドロキシドーパミン、パラコート、ロテノン、1-メチル-4-フェニル-1,2,3,6-テトラヒドロピリジン)の投与によって誘導されるものおよび遺伝的条件を伴うもの(すなわち、変異型α-シヌクレイン、変異型ロイシンリッチリピートキナーゼ2)13の投与によって誘導されるものを含む、パーキンソン病のいくつかの動物モデルが長年にわたって使用されてきた13.神経毒誘発性神経変性を含むモデルがパーキンソン病のいくつかの側面を複製しているにもかかわらず、それらのどれもが疾患のすべての本質的な側面を反復していないか、または進行性ではない13。一方、ロイシンリッチリピートキナーゼ2の変異バージョンの発現を含む遺伝子マウスモデルであるが、α-シヌクレインの変異バージョン、またはヒト野生型α-シヌクレインの過剰発現は運動障害をもたらし、場合によっては、シヌクレイノパシーの発症も、パーキンソン病の本質的な側面である黒質ドーパミン作動性ニューロンの顕著な神経変性を再現しない13、14。神経変性の第3の種の動物モデルは、パーキンソン病の本質的な側面のほとんどを満たすことに成功した、ヒトα−シヌクレイン(AAV−hαSyn)をコードするアデノ随伴ウイルスベクター(AAV)の定位送達である14,15。重要なことに、AAVは、哺乳類の成体脳において、高い有効性を有するニューロンの形質導入を長期的に可能にする。さらに、SNにおけるAAV−hαSynの定位送達は、αSyn病理、ミクログリア活性化、神経変性、および運動障害を含む疾患の本質的な側面の多くを再現することが示されている16、17、18、19、20。本研究は、ウイルスベクターの用量およびウイルスベクター送達後の時間が、黒質線条体経路におけるhαSyn発現、神経変性、および神経炎症の程度にどのように影響するか、ならびにSNにおけるhαSynの一方的定位送達のマウスモデルにおける運動障害の程度の分析を提示する。
ここで解析した神経変性のマウスモデルは、αSyn病態およびミクログリア活性化に関与するメカニズム、神経炎症の調節における末梢免疫系の関与、および神経変性のメカニズムを含む、パーキンソン病の病態生理学に関与する多くの重要な側面を研究するのに役立つ可能性がある。αSyn病態に関与する機序の中には、SN2のドーパミン作動性ニューロンにおけるαSynの過剰な負荷の存在下でのミトコンドリア、リソソーム、またはプロテアソーム機能不全に関連する細胞内機序がある。AAV媒介性形質導入によって誘導されるhαSyn発現に加えて、内因性マウスαSynも総αSyn発現の負荷に寄与することを考慮することが重要です。αSynを過剰発現するトランスジェニックマウスは、hαSyn32の過剰発現に基づくこれらのマウスモデルと同様のシヌクレイン病理、神経病理学、および運動障害を発症する。ミクログリア活性化に関して、本マウスモデルは、サイトカイン、神経伝達物質、アストロサイト、ニューロン、血液脳関門、およびT細胞などの異なる分子および細胞プレーヤーが、炎症促進性または抗炎症性機能表現型の獲得をどのように調節するかを研究するために用いられる可能性がある8,10,111。.このモデルはまた、T細胞だけでなく、マクロファージ、単球、および好中球を含む末梢免疫系が、黒質ニューロンの神経炎症および神経変性の過程に及ぼす役割を研究するための重要なツールを構成する11,33,34。最後に、このマウスモデルはまた、酸化ストレス、エネルギー欠損、および損傷した細胞小器官2などの内部細胞プロセスによって誘導されるもの、またはミクログリア細胞、アストロサイト、および細胞傷害性T細胞8によって産生される神経毒性因子などの外部プレーヤーによって発揮されるものを含む、インビボでの神経変性の細胞および分子メカニズムを研究するための貴重なシステムを表し、28,29,35。
このマウスモデルの限界は、脳外におけるαSynの病理学的凝集がパーキンソン病の発症の初期段階をどのように構成するかの研究である36。これに関して、黒質ニューロンの神経変性および運動障害の前に、αSyn病理が腸粘膜および嗅上皮36 において、そしておそらくαSyn特異的T細胞応答において同様に始まることを示す証拠が増えている12。その後、αSyn凝集体は迷走神経を通って脳幹に移動し、ドーパミン作動性ニューロン12の神経炎症および神経変性を引き起こす。AAV-hαSynモデルはパーキンソン病のほとんどの側面を反復しているが、このモデルでは大脳外位置におけるαSynの病理学的凝集の明らかな関与はない。パーキンソン病のこれらの側面を研究するのに適したhαSyn病理を含む代替モデルは、Thy1プロモーターの制御下でhαSynを過剰発現するトランスジェニックマウスであるThy1-SNCA モデル37であり、疾患の発症は腸内微生物叢に依存し、明らかな胃腸障害38を伴う。
パーキンソン病の病態生理学に関連する多様なプロセスの研究には有用であるが、現在のマウスモデルは、対応する空間座標におけるウイルスベクターの正しい送達、ニューロンにおけるhαSynの選択的発現(AAV血清型およびベクター構築物に依存する)を含む、細かくチェックされるべき重要なステップを含む、 パーキンソン病表現型を分析する前の適切なAAV用量およびタイミング。針が完全にまっすぐでない場合、SNの正しい空間座標の使用が十分でない場合があり、時には人間の目には知覚できないため、SNにおけるウイルスベクターの適切な送達の分析が必要である。さらに、AAVベクターの拡散は、AAV血清型39に依存する。これらの理由から、SNの領域を含む脳切片におけるGFPの観察に続いて、注入されたAAV−GFPベクターの正しい送達および拡散をチェックする定期的な品質管理を行う必要がある。
ニューロンにおけるhαSynの選択的発現に関しては、原則として、hαSynの発現は、ニューロンに選択的なプロモーターによって制御されるように、またはさらに正確には、ドーパミン作動性ニューロンにおける遺伝子の選択的発現を誘導するためのAAVベクターにおけるTHプロモーターの使用など、ドーパミン作動性ニューロンに対して選択的に制御されるように操作することができる40.しかし、この戦略は、求められているのが目的の遺伝子の過剰発現である場合には機能しません。このため、本モデルでは、神経指向性を有する強力なプロモーター(下流遺伝子の高発現を誘導するプロモーター)やAAV血清型を用いることが必須である。本研究では、hαSynの過剰発現を誘導する強力なプロモーターとしてCBAプロモーターを用い、ウイルスベクターにはAAV5血清型を用いた。この血清型は、マウスおよびラットのニューロン41、42を形質導入するために以前に使用されてきた。ここで、この結果は、マウスのSNにおけるAAV5−GFPの送達の12週間後に、緑色蛍光がSNおよび線条体の両方の同側側に選択的に存在していたことを実証し(図1)、黒質線条体経路のニューロンの効率的な形質導入を示す。
パーキンソン病のこのマウスモデルのもう一つの重要な側面は、手術後の特定のプロセスを分析するために必要な時点である。この点で、この研究は、病理学に関与する異なるプロセスの動態学的研究を示している。マウス1匹当たりに与えられたウイルスゲノムの用量、使用されるAAVの血清型、または使用されたAAVのバッチでさえも重要な時点が変化するので、TH+ニューロンの有意な喪失および運動障害を誘導するために必要なAAV-αSynの量についての用量反応分析が最初に行われた。以前の研究では、マウス16,17,30,31匹あたり6 x 10 8-3 x 10 10ウイルスゲノムの範囲の用量で、マウスにAAV-αSyn注射を12週間行った後、有意な運動障害および黒質線条体経路のTH+ニューロンの喪失が示されている。したがって、マウスにおける黒質線条体経路におけるhαSyn発現、TH+ニューロンの喪失、および運動障害を誘導するために使用されるAAV-hαSynの用量は、マウス当たり1 x108–1 x1010ウイルスゲノムの範囲であった。また、TH+ニューロンの消失および運動障害がSNにおけるhαSynの過剰発現によって誘導され、SNのニューロンのAAV感染によって誘導されることを制御するために、レポーター遺伝子(AAV-eGFP)をコードするAAVをマウスのSNに一方的に送達し、神経変性および運動障害を決定した対照群を包含した。その結果、定位手術の12週間後、マウス1匹あたり1 x1010個のウイルスゲノムが適切な用量のAAV5-hαSynであり、このウイルス負荷を受けたマウスは黒質線条体経路において有意なhαSynを示し(図2および図3)、TH+ニューロンの喪失(図4)、および運動障害(図5)を示した。対照的に、低用量のAAV5-hαSyn(マウスあたり1 x108ウイルスゲノム、マウスあたり1 x109ウイルスゲノム)は、これらすべてのパラメータを一緒に有意に変化させるのに十分強くありませんでした(図2-4)。注目すべきは、マウス1匹当たり1 x1010個のウイルスゲノムでのAAV−GFPの投与は、低い(〜20%)が、黒質ドーパミン作動性ニューロンのTH+ニューロンの有意な程度の損失を誘導した(図4A、B)。この結果は、このモデル41を用いた以前の観察と一致し、おそらくSNにおけるAAVベクターの投与によって誘導される低レベルの神経炎症の結果である。それにもかかわらず、TH+ニューロンの喪失の程度は、同じ用量のAAV−GFPを投与されたマウスと比較して、AAV5−hαSynを投与されたマウスにおいて有意に高かった(図4C)。注目すべきは、hαSyn発現の動態は、形質導入の効率だけでなく、AAV拡散の程度にも依存する39。AAV拡散はAAV血清型に依存するので、この動物モデルにおける正確な重要な時点は、AAV5とは異なる別のAAV血清型を使用する場合に変化し得る。
その後、マウス1匹あたり1 x 1010個のウイルスゲノムを使用して速度論的解析を行い、このマウスモデルの主要な時点を決定しました。現在の証拠は、パーキンソン病43,44の早期診断を可能にする運動障害の前に現れるいくつかの初期症状を示しているので、これらの実験は、hαSyn発現がすでに明らかであったが、運動障害がない場合に、hαSyn発現が明らかであった時点を見つけようとした。結果は、SNにおけるhαSyn発現の発症がAAV-hαSynの定位送達後5週間であったことを示す(図6)。この時点は、神経炎症および神経変性プロセスを停止するように調整された治療法の投与を開始するための興味深い時間的点を構成する。ここで決定された他の重要な時点は、神経炎症プロセスに関連する2つの重要な事象のピーク時間、すなわちミクログリアが最大活性化度に達する時間とSNへの最大T細胞浸潤時間であった。結果は、最大ミクログリア活性化の2つの波に達する傾向を示す曲線を示し、最初の波は手術後10週目、2番目は手術後15週目であった(図7)。T細胞浸潤の動態解析は、定位手術後11週間におけるSNへのTreg浸潤のピーク時間を示した(図8)。驚くべきことに、分析された時間枠(手術後8〜13週目)の間にSNに浸潤するエフェクターT細胞(CD4+ Foxp3–)は検出されなかった。全体として、これらの結果は、手術後5週目(hαSyn過剰発現の発症)から手術後10週目(神経炎症およびT細胞浸潤の第1波)の間のこの前臨床モデルを用いて、神経炎症の過程を停止し、SNへのT細胞浸潤を減弱させることを目的とした治療の投与を開始するための適切な時間枠を示唆している(図9)。
図 9: この動物モデルで見つかった重要な時点の概要。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
The authors have nothing to disclose.
私たちは、セバスチャン・バレンズエラ博士とミカエラ・リッカ博士に、私たちの動物施設における貴重な獣医の援助に感謝します。この研究は、”Financiamiento Basal para Centros Científicos y Tecnológicos de Excelencia de ANID” Centro Ciencia & Vida, FB210008 (to Fundación Ciencia & Vida)、およびGeroscience Center for Brain Health and Metabolism, FONDAP-15150012の支援を受けた。この研究はまた、”Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo de Chile (ANID)”からのFONDECYT-1210013(R.P.へ)とFONDECYT-1150766(FCへ)と、マイケル・J・フォックス・パーキンソン病研究財団からのMJFF-10332.01(R.P.へ)とMJFF-17303(FCへ)の助成金によっても資金提供されました。
ANIMALS AND ANIMAL FOOD | |||
Foxp3-GFP C57BL/6 mice | The Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME) | Stock No: 023800 | |
Laboratory Rodent Diet | LabDiet | Rodent Diet 5001 | Standard Rodent diet |
Wild-type C57BL/6 mice | The Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME) | Stock No: 000664 | |
VIRAL VECTORS | |||
AAV5-CBA-αSyn | University of Iowa Viral Vector Core Facility | N/A | Stock concentration at 10E13 vg/mL |
AAV5-CBA-eGFP | University of Iowa Viral Vector Core Facility | N/A | Stock concentration at 9.5 x 10E12 vg/mL |
ANESTHETICS AND ANALGESICS | |||
Isoflurane | Baxter | 218082 | 1% for stereotaxic surgery |
Ketamine | Drag Pharma | CHE30 | 70 mg/Kg for stereotaxic surgery |
Sevoflurane | Baxter | VE2L9117 | For before transcardial perfusion |
Tramadol | Drag Pharma | DPH134 | 30 mg/Kg every 24 h |
Xylazine | Centrovet | EHL40 | 9 mg/kg for stereotaxic surgery |
EQUIPMENT | |||
Beam test | Home made | N/A | horizontal beam 25 cm length and 3 cm width. The beam surface was covered by a metallic grid (1 cm2). |
Cryostate | Leica | CM1520 | |
Digital camera | Nikon | S2800 Coolpix | For recording the beam test performance |
Microscope | Olympus | BX51 | Used for IHC analysis (section 4.4) |
Microscope | Olympus | IX71 | Used for IF analysis (section 5.3) |
Microscope | Leica | DMI8 | Used for IF analysis (section 5.7) |
New Standard Stereotaxic, mouse | Stoelting, Wood Dale, IL, USA | 51500 | stereotaxic frame for surgery |
Peristaltic Pump | Masterflex | C-flex L/S16 | |
Power supply unit | Olympus | U-RFL-T | Used for IF analysis (section 5.3) |
Surgical suture | Sylkam®, B Braun | C0760171 | |
Syringe 100 U | BD | 324918 | For anesthesia before transcardial perfusion, 29G needle |
Syringe RN 5uL SYR W/O NEEDLE | Hamilton | HA-7641-01 | For viral vector innoculation |
BUFFERS AND REAGENTS | |||
Aviden, Peroxidase Conjugate | Merck, Darmstadt, Germany | 189728 | |
Bovine Serum Albumin | Merck, Darmstadt, Germany | 9048-46-8 | |
Cryotrotection buffer | Home made | N/A | 20% glycerine and 2% DMSO in PBS |
DAPI | Abcam | ab228549 | |
Diaminobenzidine | Merck, Darmstadt, Germany | D8001 | |
Fluoromount -G T | Electron Microscopy Science | 17984-25 | |
Gelatin | Merck, Darmstadt, Germany | 104078 | |
Normal goat serum | Jackson ImmunoResearch Laboratory | 5000121 | |
Paraformaldehyde | Merck, Darmstadt, Germany | 104005 | |
PBS | Home made | N/A | 0.125 M, pH 7.4 |
Peroxidase inactivating buffer | Home made | N/A | 0.03% H2O2 in methanol |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 9036-19-5 | |
Trizma Hydrochloride | Merck, Darmstadt, Germany | 1185-53-1 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich | 822184 | |
ANTIBODIES | |||
Biotin-SP (long spacer) AffiniPure Goat Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch Laboratory | 111065003 | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Alexa Fluor 546 | ThermoFisher Scientific | A11010 | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Alexa Fluor 647 | ThermoFisher Scientific | A21244 | |
Goat anti-Rat IgG (H+L) Alexa Fluor 546 | ThermoFisher Scientific | A11081 | |
Rabbit monoclonal anti-alpha-Synuclein | Abcam | ab138501 | |
Rabbit monoclonal anti-Iba-1 | Abcam | EPR16588 | |
Rabbit polyclonal anti-Tyrosine Hydroxylase | Millipore | AB152 | |
Rat monoclonal anti-CD4 | Biolegend | 100402 | |
SOFTWARES | |||
GraphPad | Prism | 6.0 | Fos stats analysis |
ImageJ | National Institute of Health | N/A | For image analysis |
LAS X | Leica | N/A | For image capture with Leica microscope |
ProgRes Capture Pro | Jenoptik | N/A | For image capture with Olympus microscope |
VLC media player | VideoLAN Organization | N/A | For analysis of behavioural tests |