Generation of human dopaminergic neurons from induced pluripotent stem cells to model Parkinson's disease

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is an incurable, chronically progressive neurodegenerative disease leading to premature invalidity and death. The locomotor disability of PD patients is mainly rooted in the gradual and insidious degeneration of dopaminergic neurons (DA) projecting from the midbrain substantia nigra (SN) to the basal ganglia striatum, a pathological process highlighted microscopically by the formation of insoluble cytosolic protein aggregates, known as Lewy bodies and Lewy neurites. The pathogenic mechanisms leading to PD remain poorly understood, arguably owing to the lack of suitable animal and cellular experimental models of the disease. Therefore, there is an urgent need for developing reliable experimental models that recapitulate the key features of PD. The recent development of induced pluripotent stem cell (iPSC) technology has enabled the generation of patient-specific iPSC and their use to model human diseases, although it is currently unclear whether this approach could be useful to successfully model age-related conditions. Importantly, disease modeling using iPSC largely relies on the existence of efficient protocols for the differentiation of disease-relevant cell types. Here, we first developed an efficient protocol for the differentiation of iPSC to authentic midbrain-specific DA neurons with SN properties by forced expression of LMX1A using a lentivirus-mediated gene delivery system. Next, we generated an iPSC-based cellular model of PD that recapitulates key phenotypic features of PD, such as DA neuron loss and α-synuclein accumulation in DA neurons from PD patients. Overall, our results demonstrate that we have developed a valuable tool for elucidating the pathogenic mechanisms leading to PD, as well as an experimental platform for screening new drugs that may prevent or rescue neurodegeneration in PD.

La malaltia de Parkinson (MP) és una malaltia neurodegenerativa incurable que causa invalidesa i mort prematura. Els pacients de la malaltia de Parkinson presenten alteracions motores degudes a una degeneració gradual de les neurones dopaminèrgiques que projecten des de la substància nigra fins a l’estriat. A nivell microscòpic s’observa la presència d’agregats proteics insolubles en el citosol de les neurones coneguts com cossos o neurites de Lewy. Els mecanismes patològics responsables de la MP no es coneixen bé, possiblement a causa de la manca de models animals i cel•lulars adequats. Per tant, existeix una gran necessitat de desenvolupar models experimentals fiables que recapitulin les característiques bàsiques de la MP. El recent desenvolupament de les cèl•lules mare pluripotents induïdes (iPSC) ha permès la generació de iPSC específiques de pacient i el seu ús per modelar malalties humanes, ara bé, no és clar si aquesta estratègia es pot utilitzar per modelar exitosament malalties d’origen tardà, com ara la MP. És important destacar que el modelatge de malalties utilitzant iPSC, es basa, en gran mesura en l'existència de protocols eficients per a la diferenciació de les iPSC cap al tipus cel•lular rellevant per a la malaltia. Durant aquest període, per primera vegada, s’ha desenvolupat un protocol per a l’eficient diferenciació de les iPSC cap a neurones dopaminèrgiques amb les propietats característiques de neurones dopaminèrgiques nigrostriatals, mitjançant l’expressió forçada de LMX1A utilitzant vectors lentivirals. A continuació, s’ha generat un model cel•lular usant iPSC derivades de pacients de MP que recapitula les principals característiques fenotípiques de la malaltia, com ara la pèrdua de neurones dopaminèrgiques i l'acumulació de α-sinucleïna en les neurones dopaminèrgiques. En general, els nostres resultats demostren que hem desenvolupat una eina valuosa per a l’estudi dels mecanismes patològics que condueixen a la MP, així com una nova plataforma pel descobriment de nous fàrmacs encaminats a prevenir o evitar la neurodegeneració.