Biomaterials:人类骨骼肌和运动神经元中的 ALS 突变对神经肌肉接头的完整性和功能有不同的影响
2022-09-26 随艺(brainnews创作团队) brainnew神内神外
由于改善ALS hSKM状况可能有助于减轻症状的严重程度,在开发治疗方法时应把ALS hSKM的因素考虑进去。
肌萎缩侧索硬化症(ALS)是一种使人衰弱的成人发病疾病,患者通常会在诊断后2-5年内走向死亡。这种疾病的特点是上下运动神经元进行性丧失,以及骨骼肌无力和消瘦。虽然ALS发病的原因仍未解决,但研究人员已将神经肌肉接头(NMJ)功能障碍确定为ALS进展的最早事件之一。虽然目前尚不清楚诱发NMJ功能障碍的过程,但最近的研究结果表明,骨骼肌可能与ALS NMJ破坏有关。
2022年8月19日,来自University of Central Florida的James J.Hickman课题组在Biomaterials上发表了题为“ALS mutations in both human skeletal muscle and motoneurons differentially affects neuromuscular junction integrity and function”的研究文章,该研究通过对人来源的骨骼肌和运动神经元研究其在ALS神经肌肉病理中的贡献,结果表明与运动神经元无关的ALS骨骼肌固有的病理缺陷也会影响神经肌肉接头功能障碍。
研究结果
1. iPSC衍生的骨骼肌和运动神经元之间的NMJ形成
研究者前期的工作已对两个SOD1系(SOD1L144P和SOD1E100G)进行功能表征,明确其表现出肌原性降低、肌管形态萎缩、线粒体功能受损以及响应电刺激的肌纤维收缩功能降低。接下来研究者对hSKMWT-hMNWT、hSKMSOD1-hMNWT、hSKMWT-hMNSOD1和hSKMSOD1-hMNSOD1共培养,包括与一个突变组织与健康组织(即hSKMSOD1-hMNWT、hSKMWT-hMNSOD1)配对的共培养物,以研究特定组织类型对ALSNMJ完整性的影响,而突变体hSKM-突变体hMN共培养物旨在研究两种组织类型中SOD1突变对NMJ功能的累加效应。
结果显示,这两种细胞类型的密切相互作用,表明NMJ形成(图1),共培养第14天和第17天的功能性NMJ测试验证了NMJ的形成。总体而言,在所有共培养变化中都观察到了NMJ(图2)。
图1:尼古丁乙酰胆碱受体(nAChR)的免疫细胞化学染色为绿色,表示骨骼肌和突触素(神经元轴突标记)为红色,显示室中NMJs的形成。
2. SOD1突变体培养物中的NMJ数
接下来研究者量化了在共培养的第14天和第17天的hSKMSOD1-hMNWT、hSKMWT-hMNSOD1和hSKMSOD1-hMNSOD1中的NMJ数量。结果显示,hSKMSOD1-hMNSOD1共培养物的NMJ数量最少,显着低于hSKMWT-hMNWT共培养物(图3A和B)。随后是hSKMSOD1-hMNWT共培养物(图2A和B),并且在共培养物的第14天,hSKMWT-hMNSOD1的NMJ数显着低于hSKMWT-hMNWT。然而,在共培养的第17天,hSKMSOD1L144P-hMNWT的NMJ数量比第14天略有增加,而在hSKMSOD1E100G-hMNWT中未观察到增加(图2B)。
图2:所有遗传组的hSKMWT-hMNSOD1、hSKMSOD1-hMNWT和hSKMSOD1-hMNSOD1共培养在第14天的平均NMJ数评估。
3. SOD1突变培养物的NMJ保真度
NMJ保真度是一种衡量跨突触的hMN-hSKM传输可靠性的方法,用于评估hMN或hSKM中的SOD1突变如何影响NMJ的功能完整性对体内刺激的反应。结果显示,与hSKMWT-hMNWT共培养物相比,所有ALSNMJ模型都表现出降低的收缩保真度,尤其是在测试的第14天和第17天,在较高的刺激频率(即1和2Hz)下(图3和4)。然而,与hSKMWT-hMNSOD1系统相比,hSKMSOD1-hMNWT和hSKMSOD1-hMNSOD1的共培养物具有低得多的NMJ保真度。
另外有趣的是,与SOD1E100GhMNs共培养的WThSKM通常表现出收缩保真度的显着下降(图3A、4A),而与SOD1L144PhMNs一起培养的那些没有显示收缩保真度缺陷的迹象,这表明从hMNs到hSKM的一些前馈恶化信号,以及不同突变之间的表型变异。结果表明所有ALS系统的功能性NMJ中断,这在与ALS hSKM的共培养中更为严重。
图3:分析第14天含有突变SOD1运动神经元和/或SKM的NMJ系统与相应WT条件下的NMJ保真度。
图4:分析含有突变SOD1运动神经元和/或SKM的第17天NMJ系统与相应WT条件的NMJ保真度。
4. SOD1突变体培养物中的NMJ稳定性和疲劳指数
由于在ALS临床病理学中报道的NMJ稳定性降低而形成的NMJ的稳定性,研究者测量该参数以检查各种NMJ模型在剧烈活动后维持功能性突触的能力。结果表明,ALS突变的hSKM显著降低了NMJ的稳定性,并且在一定程度上比ALS突变的MNs更严重(图5)。另外骨骼肌无力和易疲劳性是ALS的标志,研究者评估了ALS hSKM对NMJ疲劳指数的贡献,结果表明内在的hSKM功能障碍显着导致ALSNMJ疲劳(图6)。
图5:对两种SOD突变系hSKMWT-hMNWT、hSKMWT-hMNSOD1、hSKMSOD1-hMNWT和hSKMSOD1-hMNSOD1共培养14d时NMJ的平均稳定性进行量化。
图6:hSKMWT-hMNWT、hSKMWT-hMNSOD1、hSKMSOD1-hMNWT和hSKMSOD1-hMNSOD1第14天NMJ疲劳指数量化。
综上所述,James J.Hickman团队的这项工作证实了和运动神经元无关,ALS hSKM中内在形态和功能缺陷也会影响对NMJ的完整性和功能。此外,这项工作展示了ALS hSKM的存在的情况下,症状严重程度是如何提高的。这种情况下ALS hSKM并不是神经元功能障碍的结果,而可能是ALS发病机制中一个重要的因素。
因此,由于改善ALS hSKM状况可能有助于减轻症状的严重程度,在开发治疗方法时应把ALS hSKM的因素考虑进去。最后需要注意的是,LAS是一种具有许多相关基因突变的异质性疾病。虽然这项工作侧重于SOD1基因的突变,但本工作中描述的为生理学平台可以用于探索其他fALS相关突变以及sALS当中去。
参考文献
Badu-Mensah A, Guo X, Nimbalkar S, Cai Y, Hickman JJ. ALS mutations in both human skeletal muscle and motoneurons differentially affects neuromuscular junction integrity and function [published online ahead of print, 2022 Aug 19]. Biomaterials. 2022;289:121752. doi:10.1016/j.biomaterials.2022.121752
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