Functionele karakterisering van de humane neuronen in het chimere muismodel voor de ziekte van Alzheimer

De Ziekte van Alzheimer is één van de meest voorkomende neurodegeneratieve ziekten en de meest prevalente oorzaak voor de ontwikkeling van dementie bij ouderen. Momenteel wordt er geschat dat ongeveer 50 miljoen mensen lijden aan dementie, een getal dat verwacht wordt te verdrievoudigen tegen 2050. In het geval van ‘late-onset cases’ (>65jaar) binnen de ziekte van Alzheimer zijn er vanuit genome-wide association (GWAS) studies een 40-tal loci toegewezen aan een verhoogd risico om de ziekte te ontwikkelen. Dit in tegenstelling tot ‘early-onset cases’ (<65jaar), waarbij een directe causaliteit tussen mutaties in genen zoals het Amyloid precursor proteïne (APP), Presenilin1 (PSEN1) en Presenilin2 (PSEN2) en de ontwikkeling van de ziekte wordt waargenomen. De ziekte van Alzheimer wordt gekarakteriseerd door de aanwezigheid van extracellulaire amyloïde plaques (Aβ), intracellulaire gehyperfosforyleerde TAU-filamenten ‘TAU tangles’ en neuro inflammatie. De productie en aggregatie van het toxische amyloïde proteïne is één van de eerst detecteerbare pathologische veranderingen die waarneembaar zijn in de hersenen. En dit gebeurt reeds enkele jaren voor de aanvang van symptomen gerelateerd aan de ziekte van Alzheimer.

Om potentiële behandelingen te onderzoeken en te evalueren, moeten we de mechanismen in de vroege stadia van de ziekte van Alzheimer bestuderen. Dit impliceert de noodzaak van goede onderzoeksmodellen zoals chimere en/of transgene muismodellen die alle pathologische aspecten van die ziekte van Alzheimer omvatten, evenals betrouwbare in-vivo detectiemethoden.

Ons laboratorium heeft een doorbraak bereikt in het creëren van een nieuw chimeer model waarbij we vanuit humane stamcellen, humane corticale neuronale precursor cellen genereren en deze nadien transplanteren in de hersenen van een APP-PS1 transgene muizen. Dit model is in de loop der jaren verder verbeterd door gebruik te maken van het AppNL-G-F knock-in muismodel (Balusu S. et al., ingediend, 2022). In dit chimere muismodel worden de genetisch normale menselijke neuronen, blootgesteld aan Aβ-plaques waarna ze alle kenmerken van de ziekte van alzheimer vertonen. Dit biedt ons een nieuwe manier om de pathologische veranderingen en reacties van de menselijke neuronen hierop tijdens het proces van Aβ productie verder te onderzoeken.

Er zijn al reeds enkele onderzoeken gedaan op amyloïde muis modellen, waarbij een abnormale neuronale activiteit werd waargenomen. Hetgeen ook is aangetoond in alzheimerpatiënten met behulp van functionele MRI (fMRI). Ons laboratorium bevestigde onlangs de aanwezigheid van vroege netwerkhyperactiviteit gerelateerd aan amyloïde pathologie in muizen en bij mensen (Shah D., et al, submitted, 2022).

In een volgende stap gaan we een longitudinale studie doen waarbij we de getransplanteerde humane neuronen in-vivo opvolgen en verder karakteriseren waarbij we nagaan hoe ze zich gedragen gedurende de ontwikkeling van de pathologie. Eén van de hoofdvragen dat moet worden beantwoord is, of en op welke manier humane neuronen reageren op de Amyloid pathologie en of dit anders is dan muis neuronen. Hiervoor zullen we gebruik maken van calcium imaging technieken, waarbij calcium indicators zoals GCaMP zullen worden gebruikt om neuronale activiteit te meten in in-vivo omstandigheden. Daarnaast zullen ook MRI technieken gebruikt worden, gebruik makende van super paramagnetische ijzeroxide partikels (SPIOs) om de humane neuronen te volgen en lokaliseren in de muis.

In dit project zullen we trachten de methode van MRI-tracking te optimaliseren, zodat we de humane neuronen beter kunnen terugvinden na transplantatie in de APP knock-in muismodel. Vervolgens, willen we een longitudinale functionele karakterisering van de getransplanteerde humane neuronen uitvoeren en hun reactie op Aβ-pathologie beoordelen gebruikmakende van calcium imaging technieken. En tot slot gaan we nagaan op hoe de humane neuronen reageren op een behandeling met anti-amyloïde antibodies. En of deze reactie verschillend is tussen humane en muis neuronen.