Reversing Parkinson’s in Mice Achieved by Replacing Lost Neurons / Invertire il Parkinson nei topi ottenuto sostituendo i neuroni perduti
Reversing Parkinson’s in Mice Achieved by Replacing Lost
Neurons / Invertire il Parkinson nei topi ottenuto sostituendo i neuroni perduti
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Left: mouse astrocytes (green) before reprogramming; Right: neurons (red) induced from mouse astrocytes after reprogramming with PTB antisense oligonucleotide treatment. / A sinistra: astrociti di topo (verde) prima di riprogrammare; A destra: neuroni (rossi) indotti da astrociti di topo dopo riprogrammazione con trattamento oligonucleotide antisenso PTB. [UC San Diego Health Sciences]
Like many other neurodegenerative diseases, there are no disease-modifying treatments available for Parkinson’s disease. Characterized by the loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra region of the brain, most treatment strategies aim to prevent neuronal loss or protect vulnerable neuronal circuits. Another strategy is to replace the lost neurons by creating new neurons that produce dopamine. And, a team from the University of California (UC), San Diego School of Medicine, has just achieved that goal, in mice.
In the paper, “Reversing a model of Parkinson’s disease with in situ converted nigral neurons,” published in Nature, the team reported an “efficient one-step conversion of isolated mouse and human astrocytes to functional neurons.” They achieved this by depleting the RNA-binding protein PTB.
“Researchers around the world have tried many ways to generate neurons in the lab, using stem cells and other means, so we can study them better, as well as to use them to replace lost neurons in neurodegenerative diseases,” said Xiang-Dong Fu, PhD, professor in the department of cellular and molecular medicine at UC San Diego School of Medicine. “The fact that we could produce so many neurons in such a relatively easy way came as a big surprise.”
Mouse brain before reprogramming, with dopaminergic neurons shown in green. Bottom: Mouse brain after reprogramming with PTB antisense oligonucleotide treatment, which converted astrocytes into more dopaminergic neurons (green). / Cervello del topo prima di riprogrammare, con i neuroni dopaminergici mostrati in verde. In basso: cervello del topo dopo la riprogrammazione con il trattamento oligonucleotidico antisenso PTB, che ha convertito gli astrociti in più neuroni dopaminergici (verde). [UC San Diego Health Sciences]
Fu and his team study the PTB protein (also known as PTBP1), a well-known RNA binding protein that influences gene expression in a cell. Several years ago, the Fu lab used siRNA to silence the PTB gene in fibroblasts. They also created a stable cell line that’s permanently lacking PTB which led to the discovery that mouse cells lacking PTB are transformed into neurons.
Applying this approach to the mouse brain, they demonstrated “progressive conversion of astrocytes to new neurons that innervate into and repopulate endogenous neural circuits.” The authors added that astrocytes from different brain regions are converted to different neuronal subtypes.
In mice, just a single treatment to inhibit PTB in mice converted native astrocytes into neurons that produce the neurotransmitter dopamine. As a result, the mice’s Parkinson’s disease symptoms disappeared.
The team used a chemically induced model of Parkinson’s disease in mice, in which the mice lose dopamine-producing neurons and develop symptoms similar to Parkinson’s disease, such as movement deficiencies.
Using these mice, the researchers showed conversion of midbrain astrocytes to dopaminergic neurons, which provide axons to reconstruct the nigrostriatal circuit. Notably, “re-innervation of striatum is accompanied by restoration of dopamine levels and rescue of motor deficits.”
Antisense oligonucleotide treatment
The treatment works like this: The researchers developed a noninfectious virus that carries an antisense oligonucleotide sequence designed to specifically bind the RNA coding for PTB, thus degrading it, preventing it from being translated into a functional protein and stimulating neuron development.
Antisense oligonucleotides are a proven approach for neurodegenerative and neuromuscular diseases which forms the basis for an FDA-approved therapy for spinal muscular atrophy and several other therapies currently in clinical trials.
The researchers administered the PTB antisense oligonucleotide treatment directly to the mouse’s midbrain, which is responsible for regulating motor control and reward behaviors, and the part of the brain that typically loses dopamine-producing neurons in Parkinson’s disease. A control group of mice received mock treatment with an empty virus or an irrelevant antisense sequence.
In the treated mice, a small subset of astrocytes converted to neurons, increasing the number of neurons by approximately 30%. Dopamine levels were restored to a level comparable to that in normal mice. What’s more, the neurons grew and sent their processes into other parts of the brain. There was no change in the control mice.
By two different measures of limb movement and response, the treated mice returned to normal within three months after a single treatment and remained completely free from symptoms of Parkinson’s disease for the rest of their lives. In contrast, the control mice showed no improvement.
“I was stunned at what I saw,” said study co-author William Mobley, MD, PhD, professor of neurosciences at UC San Diego School of Medicine. “This whole new strategy for treating neurodegeneration gives hope that it may be possible to help even those with advanced disease.”
What is it about PTB that makes this work? “This protein is present in a lot of cells,” Fu said. “But as neurons begin to develop from their precursors, it naturally disappears. What we’ve found is that forcing PTB to go away is the only signal a cell needs to turn on the genes needed to produce a neuron.”
Of course, mice aren’t people, he cautioned. The model the team used doesn’t perfectly recapitulate all essential features of Parkinson’s disease. But the study provides a proof of concept, Fu said.
Next, the team plans to optimize their methods and test the approach in mouse models that mimic Parkinson’s disease through genetic changes. They have also patented the PTB antisense oligonucleotide treatment in order to move forward toward testing in humans.
“It’s my dream to see this through to clinical trials, to test this approach as a treatment for Parkinson’s disease, but also many other diseases where neurons are lost, such as Alzheimer’s and Huntington’s diseases and stroke,” Fu said. “And dreaming even bigger—what if we could target PTB to correct defects in other parts of the brain, to treat things like inherited brain defects?” Fu asserted that he intends “to spend the rest of my career answering these questions.”
ITALIANO
Come molte altre malattie neurodegenerative, non esistono trattamenti modificanti la malattia per il morbo di Parkinson. Caratterizzata dalla perdita di neuroni dopaminergici nella regione del sostantia nigra del cervello, la maggior parte delle strategie di trattamento mira a prevenire la perdita neuronale o a proteggere i circuiti neuronali vulnerabili. Un'altra strategia è quella di sostituire i neuroni persi creando nuovi neuroni che producono dopamina. E un gruppo dell'Università della California (UC), la San Diego School of Medicine, ha appena raggiunto questo obiettivo, nei topi.
Nel documento, "Inversione di un modello della malattia di Parkinson con neuroni nigral convertiti in situ", pubblicato su Nature, il gruppo ha riportato una "conversione in un solo passaggio efficiente di topo isolato e astrociti umani in neuroni funzionali". Hanno raggiunto questo obiettivo esaurendo la proteina PTB che lega l'RNA.
"I ricercatori di tutto il mondo hanno provato molti modi per generare neuroni in laboratorio, usando cellule staminali e altri mezzi, così possiamo studiarli meglio e usarli per sostituire i neuroni persi nelle malattie neurodegenerative", ha detto Xiang-Dong Fu , PhD, professore nel dipartimento di medicina cellulare e molecolare presso la UC San Diego School of Medicine. "Il fatto che siamo riusciti a produrre così tanti neuroni in un modo relativamente semplice è stata una grande sorpresa."
Fu e il suo gruppo studiano la proteina PTB (nota anche come PTBP1), una ben nota proteina legante l'RNA che influenza l'espressione genica in una cellula. Diversi anni fa, il laboratorio Fu ha usato il siRNA per silenziare il gene PTB nei fibroblasti. Hanno anche creato una linea cellulare stabile che è permanentemente priva di PTB, il che ha portato alla scoperta che le cellule del topo prive di PTB vengono trasformate in neuroni.
Applicando questo approccio al cervello del topo, hanno dimostrato "la progressiva conversione degli astrociti in nuovi neuroni che innervano e ripopolano i circuiti neurali endogeni". Gli autori hanno aggiunto che gli astrociti provenienti da diverse regioni del cervello vengono convertiti in diversi sottotipi neuronali.
Nei topi, un solo trattamento per inibire la PTB nei topi ha convertito gli astrociti nativi in neuroni che producono il neurotrasmettitore dopamina. Di conseguenza, i sintomi del morbo di Parkinson dei topi sono scomparsi.
Il gruppo ha utilizzato un modello indotto chimicamente della malattia di Parkinson nei topi, in cui i topi perdono i neuroni produttori di dopamina e sviluppano sintomi simili alla malattia di Parkinson, come carenze di movimento.
Usando questi topi, i ricercatori hanno mostrato la conversione degli astrociti del mesencefalo in neuroni dopaminergici, che forniscono assoni per ricostruire il circuito nigrostriatale. In particolare, "la reinnervazione dello striato è accompagnata dal ripristino dei livelli di dopamina e dal salvataggio dei deficit motori".
Trattamento oligonucleotidico antisenso
Il trattamento funziona in questo modo: i ricercatori hanno sviluppato un virus non infettivo che trasporta una sequenza di oligonucleotidi antisenso progettata per legare in modo specifico il codice RNA per il PTB, degradandolo, impedendogli di essere tradotto in una proteina funzionale e stimolando lo sviluppo dei neuroni.
Gli oligonucleotidi antisenso sono un approccio comprovato per le malattie neurodegenerative e neuromuscolari che costituisce la base per una terapia approvata dalla FDA per l'atrofia muscolare spinale e diverse altre terapie attualmente in fase di sperimentazione clinica.
I ricercatori hanno somministrato il trattamento con oligonucleotide antisenso PTB direttamente al mesencefalo del topo, che è responsabile della regolazione del controllo motorio e dei comportamenti premianti, e della parte del cervello che in genere perde neuroni produttori di dopamina nella malattia di Parkinson. Un gruppo di controllo di topi ha ricevuto un trattamento simulato con un virus vuoto o una sequenza antisenso irrilevante.
Nei topi trattati, un piccolo sottoinsieme di astrociti si è convertito in neuroni, aumentando il numero di neuroni di circa il 30%. I livelli di dopamina sono stati ripristinati a un livello comparabile a quello dei topi normali. Inoltre, i neuroni sono cresciuti e hanno inviato i loro processi in altre parti del cervello. Non ci sono stati cambiamenti nei topi di controllo.
Con due diverse misure di movimento e risposta degli arti, i topi trattati sono tornati alla normalità entro tre mesi dopo un singolo trattamento e sono rimasti completamente liberi dai sintomi del morbo di Parkinson per il resto della loro vita. Al contrario, i topi di controllo non hanno mostrato alcun miglioramento.
"Sono rimasto sbalordito da ciò che ho visto", ha affermato il coautore dello studio William Mobley, MD, PhD, professore di neuroscienze presso la UC San Diego School of Medicine. "Questa strategia completamente nuova per il trattamento della neurodegenerazione dà la speranza che possa essere possibile aiutare anche quelli con malattie avanzate."
Cos'è PTB che fa funzionare tutto questo? "Questa proteina è presente in molte cellule", ha detto Fu. “Ma quando i neuroni iniziano a svilupparsi dai loro precursori, scompare naturalmente. Quello che abbiamo scoperto è che costringere il PTB ad andare via è l'unico segnale di cui una cellula ha bisogno per attivare i geni necessari per produrre un neurone ".
Certo, i topi non sono persone, ha ammonito. Il modello utilizzato dal gruppo non ricapitola perfettamente tutte le caratteristiche essenziali della malattia di Parkinson. Ma lo studio fornisce una prova del concetto, ha detto Fu.
Successivamente, il gruppo prevede di ottimizzare i propri metodi e testare l'approccio nei modelli murini che imitano la malattia di Parkinson attraverso cambiamenti genetici. Hanno anche brevettato il trattamento con oligonucleotidi antisenso PTB per avanzare verso i test sull'uomo.
"È il mio sogno vedere questo attraverso gli studi clinici, testare questo approccio come trattamento per la malattia di Parkinson, ma anche molte altre malattie in cui i neuroni sono persi, come le malattie di Alzheimer e Huntington e l'ictus", ha detto Fu. "E sognare ancora di più: e se potessimo scegliere come obiettivo PTB la correzione di difetti in altre parti del cervello, per trattare cose come difetti cerebrali ereditari?" Fu ha affermato che intende "passare il resto della mia carriera a rispondere a queste domande".
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