Development of hPSC-based cell therapy resistant to host-to-graft α-synuclein transmission

Abstract

Astrocytes are glial cells that contact and interact with all CNS cell types, including neurons and their synapses. These cells also act as a scavenger for wastes generated in the CNS, phagocytosing unnecessary substances such as aggregated mutant proteins. In our previous study, we have established a 3D and 2D-based Ventral Midbrain type Dopaminergic(VM-DA) Neural Stem Cell(NSC) differentiation protocol and compared each other. Interestingly, NSCs produced with the 3D-organoid based protocol(Og-NSCs) were superior to the NSCs from 2D-based protocol in all aspects of Parkinson’s Disease cell therapy, and were containing a portion of astrocyte progenitor population while little or none was detected in 2D-NSCs. In this study, I described the protective effects of astrocytes against α-synucleinopathy in a cell therapeutic perspective. Beneficial effects of the presence of astrocytes were assessed compared to the other group lacking astrocyte portion, using Pre-formed fibrils of human α-synuclein(PFF) and Magnetic Associated Cell Sorting(MACS). Astrocytes rapidly internalized and degraded α-synuclein in higher rates compared to neurons and co-culturing astrocytes with neurons attenuated neuronal α-synucleinopathy. Since preclinical assessment of Stem cell-based therapies for treating Parkinson’s disease(PD) has primarily been tested in the 6-hydroxydopamine toxin model which does not reflect the progressive nature of the disease, I utilized a humanized transplantation model of PD which recapitulates the pathological features of PD. Here, I have shown that astrocytes reduce the transition of α-synucleinopathy from host to graft cells when co-transplanted with Og-NSCs, through immunohistochemical analyses of grafts. Moreover, astrocytes seem to mildly attenuate the inflammatory response of host microglia leading to reduced synucleinopathy in grafts. Together, our results highlight the importance of the protective effects of astrocytes from α-synucleinopathy.|파킨슨병은 중뇌의 도파민 신경세포의 사멸에 의해 발병하는 퇴행성 뇌신경 질환이다. 중뇌 도파민 신경세포 사멸을 유발하는 세포 내 단백질인 a-synuclein (a-syn) 의 응집 및 집적은 파킨슨병 발달 과정의 중요한 특징이며, 실제 태아 유래 중뇌 도파민 신경세포를 파킨슨병 환자에게 이식하였을 경우에 환자의 뇌에서 이식된 조직으로의 a-syn 병변 전이가 확인된 바 있다. 이러한 결과를 바탕으로 파킨슨병 세포치료 전략에 있어 공여세포의 a-syn 병변에 대한 저항성을 증대시킬 방법을 모색하기 위해 본 연구를 계획하였다. 본 연구에서는 인간 배아줄기세포로부터 중뇌 도파민 신경전구세포를 만들어, human a-synuclein Pre-formed fibril 과 human a-syn AAV 바이러스를 이용해 인간 파킨슨병 in-vitro, in-vivo 질환 모델을 구축하여, 각각 성상교세포의 존재 하에 어떤 병변의 변화를 나타내는지 관찰하였다. 그 결과 성상교세포가 섞여 있는 중뇌 도파민 신경세포들은 a-syn 에 의한 병변이 성상교세포가 섞여 있지 않은 군에 비해 적게 나타남이 확인되었다. 또한 a-syn 병변에 대한 성상교세포의 간접적 기여를 알아보기 위해 성상교세포 조건화 배지를 만들어 파킨슨병 in-vitro 질환 모델, 또는 직접적으로 a-syn PFF에 처리했을 때에도 비슷한 효과를 나타내는 것을 관찰하였다. 이 외에도 성상교세포는 신경세포보다 a-syn 의 흡수, 분해 및 소화가 더욱 효율적으로 잘 일어난다는 것을 일련의 실험들을 통해 확인하였다. 마지막으로 In-vivo 파킨슨병 질환 모델 동물에 성상교세포가 같이 이식되었을 때에도 Iba1+ 미세교세포의 염증반응 및 a-syn 병변이 완화된 것을 확인하였다. 이렇듯, 성상교세포는 비정상적 a-syn 단백의 분해 및 소화를 직·간접적으로 도움으로서 공이식 시 파킨슨병 세포이식의 효과를 증대해줄 것으로 기대된다.