Phänotypisches Profiling von aus menschlichen Stammzellen gewonnenen dopaminergen Neuronen im Mittelhirn

Bei der Parkinson-Krankheit (PD) sind verschiedene zellbiologische Prozesse gestört. Zum Beispiel wurden mitochondriale Dysfunktion, oxidativer Stress, Proteinabbaudefekte, Störung des vesikulären Transports und der endolysosomalen Funktion mit dem Verlust von dopaminergen (mDA) Neuronen im Mittelhirn in Verbindung gebracht, die häufig bei PD¹ beobachtet werden. Daher scheint Parkinson mehrere Krankheitsmechanismen zu beinhalten, die miteinander interagieren und sich gegenseitig verschlimmern können. Eine nützliche Möglichkeit, dieses mechanistische Zusammenspiel zu untersuchen, ist die Erstellung eines umfassenden phänotypischen Fingerabdrucks oder Profils von dopaminergen (mDA) Neuronen im Mittelhirn.

Phänotypisches Profiling ist ein Ansatz, bei dem ein Profil einer Stichprobe auf der Grundlage einer Sammlung messbarer Merkmale erstellt wird, und zweitens werden auf der Grundlage dieses Profils Vorhersagen über eine Stichprobe getroffen ^2,3. Das Ziel der Profilerstellung ist es, eine Vielzahl von Merkmalen zu erfassen, von denen einige zuvor möglicherweise nicht mit einer Krankheit oder Behandlung in Verbindung gebracht wurden³. Infolgedessen kann das Profiling unerwartete biologische Prozesse aufdecken. Die Erstellung von phänotypischen Profilen beruht in der Regel auf fluoreszenzgefärbten Zellen, und standardisierte Assays, wie z. B. Cell Painting, wurden entwickelt, um phänotypische Profile zu erstellen⁴. In jüngster Zeit wird phänotypisches Profiling beispielsweise für die Charakterisierung kleiner Moleküle oder die genaue Vorhersage von PD-Subtypen ausschließlich auf der Grundlage von patienteneigenen Fibroblasten eingesetzt ^5,6. Trotz dieser Fortschritte wurde die phänotypische Profilerstellung bisher nur selten auf post-mitotisch differenzierte Zellen angewendet, wie z. B. von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) abgeleitete mDA-Neuronen, die PD-assoziierte Mutationen wie LRRK2 G2019S exprimieren. Zu den wesentlichen Herausforderungen von iPSC-abgeleiteten Modellen gehören das Vorhandensein subtiler oder variabler pathologischer Merkmale über Differenzierungschargen oder Genotypen hinweg und die Tatsache, dass isolierte PD-Phänotypen nicht die volle Komplexität der Krankheit erfassen. Darüber hinaus sind neuronale iPSC-Modelle zwar physiologisch relevant, werden aber aufgrund von Bedenken hinsichtlich der technischen Komplexität nur selten in der PD-Wirkstoffforschung eingesetzt ^7,8.

Wir haben zuvor eine robuste Methodik entwickelt, um mehrere Parkinson-bedingte pathophysiologische Phänotypen in menschlichen mDA-Neuronen zu messen, die sowohl empfindlich auf genetische als auch auf durch chemische Verbindungen induzierte phänotypische Veränderungen reagieren⁹. Dieser Artikel beschreibt detailliert eine weiter optimierte Version dieser Methodik, um phänotypische Profile aus mDA-Neuronen zu erstellen (Abbildung 1). Dieses Protokoll hat mehrere Vorteile gegenüber den zuvor beschriebenen phänotypischen Profiling-Ansätzen, wie z.B. die Verwendung hochwertiger mDA-Neuronen und die technische Reproduzierbarkeit. Dieses Protokoll ermöglicht zum ersten Mal ein phänotypisches Profiling in physiologisch relevanten post-mitotischen mDA-Neuronen nach chemischen Störungen in einer hochskalierbaren Weise. Vollständig differenzierte und kryokonservierte mDA-Neuronen sind kommerziell erhältlich, wodurch die Variabilität der Differenzierung von Charge zu Charge erheblich verringert wird. Zweitens kann die technische Variabilität durch ein klar definiertes Versuchsdesign (d. h. Kulturdauer oder Vermeidung von Randvertiefungen), automatisiertes Liquid Handling und automatisierte Mikroskopie weiter reduziert werden. Darüber hinaus werden hier die ersten Schritte der phänotypischen Profilanalyse unter Verwendung von unüberwachtem Clustering oder überwachten Klassifikationsansätzen skizziert, die zeigen, wie phänotypische Profiling-Daten analysiert werden können. Dieses Protokoll wird für Forscher von Nutzen sein, die sich für phänotypische Veränderungen von mDA-Neuronen interessieren, die durch genetische oder chemische Störungen induziert werden, insbesondere wenn ein hochgradig skalierbarer Studienaufbau erforderlich ist, z. B. bei Screening-Kampagnen oder wenn die Wirkung einer kleineren Anzahl von Verbindungen untersucht werden soll, z. B. um toxische Wirkungen zu bestimmen. Zusammenfassend wird erwartet, dass die Anwendung des phänotypischen Profilings menschlicher Neuronen eine wertvolle Technik ist, um komplexe krankheitsbedingte Phänotypen zu untersuchen und die zellulären Effekte von Wirkstoffkandidaten zu charakterisieren.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des experimentellen Protokolls zur Generierung bildbasierter phänotypischer Profile aus humanen iPSC-abgeleiteten mDA-Neuronen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.