Functional analysis of hESC(hPSC) derived cortical and ventral midbrain astrocyte

Abstract

Transplantation of neural stem/precursor cells (NSCs) is a potential therapy for treating neurodegenerative disorders, but this approach has faced many challenges and limited success, primarily because of inhospitable host brain environments that may be detrimental for donor neuron engraftment and function. Astrocytes play neurotrophic roles in the developing and adult brain, making them potential candidates for helping with modification of hostile brain environments. However, the available methods for generation of human

astrocyte from hPSC is still far from the desired outcome due to low expression of astrocytic markers and lack of physiological relevance. Moreover, these methods require excessively long time to generate the astrocyte. In this study, we examined whether astrocytic function could be utilized to overcome the current limitations of cell-based therapies by improving host environments. Therefore, I obtained functional human NSC-derived ventral midbrain astrocytes(hVM-Ast) using organoid based protocol. We showed here that grafting astrocytes, in particular those derived from the ventral midbrain, remarkably enhanced brain environments by reducing inflammation and cell senescence. Collectively, these findings suggest that grafting astrocytes could be a potential strategy for successful cell therapeutic outcomes in neurodegenerative disorders.|파킨슨병은 중뇌의 흑색질(substantia nigra)에 존재하는 도파민 신경세포의 소실이 원인이 되어 발병하는 퇴행성 신경계질환으로 신경 전구 세포(NPCs) 이식을 이용하여 사멸한 신경세포를 대체하는 세포치료법이 시행되고 있다. 그러나 세포 이식 후 이식세포의 생존능력과 기능의 저하 등 여러 한계점에 직면해 있는 상태이다. 이러한 한계점을 해결하기 위하여 이번 연구에서 이식세포의 생존능력과 기능의 향상, 이식 부위 환경 개선을 위해, 성상세포의 기능 분석 연구를 수행했다.

지난 기간 동안 성상세포는 신경세포를 보조하는 역할로써 알려졌다. 그러나 최근 들어서 성상세포는 뇌의 발생 과정 외에도 정상적인 뇌 활동을 유지시키는 중요한 기능이 밝혀져, Synaptogenesis, neurotropic기능 등 능동적인 역할 규명이 이루어지고 있다. 성상세포의 역할에 대한 중요성이 알려짐에 따라 human astrocyte를 획득하기 위하여 효율적인 분화 프로토콜 개발을 위한 다양한 방법들이 제시되어 왔다. 그러나 기존의 이차원(two-dimensional: 2D)적인 방법은 세포수 증식 및 기능에 있어서 한계성을 지니며, Sorting등의 단계를 거쳐야 하는 등 배양의 복잡성을 가진다. 본 연구에서는 이러한 한계점을 해결하기 위하여, Human ESC(iPSC)로부터 오가노이드 배양 기술을 이용하여 재현 가능한 부위 특이적인 cortex(Ctx), ventral midbrain(VM) Astrocyte를 얻었다. 오가노이드를 이용한 성상세포 분화 기술은 3차원의 발생 단계를 거치므로 보다 생체 유사하게 세포를 분화 시키는 방법으로, 분화 유도 후 충실한 마커 발현뿐 아니라, 기능면에서도 우수하다. glutamate uptake, GSH level 측정, inflammatory response, phagocytosis activity, 더욱이 α-syn 의 clearance 등 기능이 탁월하다. 또한 in vitro에서 도파민 신경세포와의 공동배양을 통하여 도파민 신경세포의 분화와 성숙 그리고 생존능력을 향상시켜주는 것을 확인할 수 있었다. 특히 신경 영양성 기능 형태의 성상세포 타입(A2)인 human ESC(iPSC) derived Astrocyte는, in vivo에서 세포이식 시 자체적으로 뇌의 병적 환경을 개선하고, 해로운 면역반응을 유발하는 타입(A1)의 endogenous 한 성상세포를 A2로 전환시킨다. 이러한 결과들을 종합하여, 성상세포의 이식을 통하여 파킨슨병 환자에서 세포 이식 치료 효율의 향상을 기대할 수 있다.; Transplantation of neural stem/precursor cells (NSCs) is a potential therapy for treating neurodegenerative disorders, but this approach has faced many challenges and limited success, primarily because of inhospitable host brain environments that may be detrimental for donor neuron engraftment and function. Astrocytes play neurotrophic roles in the developing and adult brain, making them potential candidates for helping with modification of hostile brain environments. However, the available methods for generation of human

astrocyte from hPSC is still far from the desired outcome due to low expression of astrocytic markers and lack of physiological relevance. Moreover, these methods require excessively long time to generate the astrocyte. In this study, we examined whether astrocytic function could be utilized to overcome the current limitations of cell-based therapies by improving host environments. Therefore, I obtained functional human NSC-derived ventral midbrain astrocytes(hVM-Ast) using organoid based protocol. We showed here that grafting astrocytes, in particular those derived from the ventral midbrain, remarkably enhanced brain environments by reducing inflammation and cell senescence. Collectively, these findings suggest that grafting astrocytes could be a potential strategy for successful cell therapeutic outcomes in neurodegenerative disorders.