Pluripotent stem cells as a tool to model Parkison’s disease in vitro

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease worldwide, typically characterized by the degeneration of the substantia nigra pars compacta (SNpc) and widespread pathology of Lewy-bodies. Multiple in vitro models have been used to address the phenotypical changes in the susceptible substantia nigra dopaminergic neurons and test potential neuroprotective drugs. Traditionally, changes have been triggered through genetic engineering approaches that induce the pathological effect of genetic mutations in PD or toxins that mimic environmentally induced phenotypes, usually in cell lines or primary cultures. However, the intrinsic flaws of these models are the low representation of dopaminergic neurons in culture, the technical challenges to genetically modify the genome, the high variability between primary cultures or the results reproducibility between the model original species and humans. Pluripotent stem cells specifically induced pluripotent stem cells have provided an alternative for developing models with high yield of dopaminergic neurons, both in 2D and 3D cultures, overcoming most of the drawbacks from other models. Here we explore pluripotent stem cells as a tool for the development of a dopaminergic neuron model by means of directed differentiation. For that we started by characterizing induced pluripotent stem cells for their stemness, then we directly differentiated pluripotent stem cells into dopaminergic neurons and established a 2D, 6-OHDA neurotoxin-based model for the screening of neuroprotective molecules. Moreover, we showed the biocompatibility of differentiated neurons with functionalized fluorescent nanodiamonds that may serve as a novel imaging tool for the dysfunction of dopaminergic neurons, and the growth of dopaminergic neurons in Ormocomp™ based structures that may serve as a grid for in vitro three-dimensional assessment of dopaminergic dysfunction, when combined with the functionalized nanodiamonds.

A doença de Parkinson (DP) é a segunda doença neurodegenerativa mais comum mundialmente, tipicamente caracterizada pela degeneração da substantia nigra pars compacta (SNpc) e patologia de corpos de Lewy difusa. Vários modelos in vitro têm sido usados para melhor compreender as alterações fenotípicas nos neurónios dopaminérgicos da SNpc e testar moléculas com potencial neuroprotetor. Tradicionalmente, as alterações têm sido induzidas por intermédio de alterações do genoma que simulam o efeito das mutações genéticas na DP ou toxinas que mimetizam os fenótipos induzidos por fatores ambientais, geralmente em linhas celulares ou culturas primárias. No entanto, as falhas intrínsecas destes modelos são a baixa representatividade de neurónios dopaminérgicos na cultura, as dificuldades técnicas para alterar o genoma do modelo, o elevado grau de variabilidade entre culturas primárias ou a reprodutibilidade dos resultados entre a espécie original do modelo e os humanos. As células estaminais pluripotentes, nomeadamente as células estaminais pluripotentes induzidas têm sido uma alternativa para o desenvolvimento de modelos com elevado rendimento de neurónios dopaminérgicos, tanto em 2D como em 3D, superando a maioria dos obstáculos dos restantes modelos. Neste trabalho exploramos o potencial das células estaminais pluripotentes induzidas como ferramenta para o desenvolvimento de um modelo de neurónios dopaminérgicos. Para tal, iniciamos com a caracterização de células estaminais pluripotentes induzidas para o seu grau de pluripotencia, seguida da diferenciação dirigida de neurónios dopaminérgicos, a partir de células estaminais pluripotentes e o estabelecimento de um modelo 2D baseado na neurotoxina 6-OHDA, para descoberta de moléculas com potencial neuroprotetor. Demais, demonstramos a biocompatibilidade dos neurónios dopaminérgicos diferenciados com nanodiamantes fluorescentes funcionalizados que podem servir como uma nova ferramenta imagiológica para a disfunção dos neurónios dopaminérgicos, e o crescimento dos neurónios em estruturas de Ormocomp™ que poderão servir de base para a avaliação da disfunção dopaminérgica in vitro, em três dimensões, quando combinada com os nanodiamantes funcionalizados.