Adapting Advanced Cellular Models to Patient-Specific Cells for Studying Neurodegenerative Disease

Abstract

Mangelen på en kur for nevrodegenerative sykdommer som amyotrofisk lateral sklerose (ALS) stammer delvis fra mislykkede forsøk på overføring av potensielle medisiner fra dyremodeller til pasienter. I tillegg gjør de genetiske og biologiske forskjellene mellom arter og pasienter det ønskelig med menneske-baserte, pasient-spesifikke modeller, for å forstå de fortsatt uavklarte sykdomsmekanismene i ALS. Da tidlige patologiske tegn har blitt identifisert i den nevromuskulære synapsen, er in vitro-modeller av denne synapsen relevant for å belyse de underliggende mekanismene i ALS.

I dette prosjektet brukte vi motornevroner differensiert fra induserte pluripotente stamceller (iPSCs) fra en C9orf72-ALS pasient og en frisk donor. Vi bekreftet funksjonaliteten til motornevronnettverk fra begge gruppene, og sammenliknet nettverkenes morfologi og spontane elektrofysiologiske aktivitet, på flerbrønnede mikroelektrodearrays (MEAs). De ALS-spesifikke motornevronnettverkene viste redusert fyringsrate og andel spikes som del av bursts, sammenliknet med de friske nettverkene. Dette samsvarer med tilsynelatende kortere aksoner og dendritter, og mindre fasikulering av de ALS-spesifikke motornevronene, hvilket er i tråd med tidligere demonstrasjoner av en C9orf72-spesifikk fenotype.

Videre etablerte vi ALS-spesifikke motornevronnettverk sammen astrocytter og muskelceller i ulike brønner av en tre-delt mikrofluidisk enhet, utviklet på vår lab, uten og med integrerte MEAs (mfMEAs). Basert på tidligere arbeid i vår lab (Bauer, Fiskum, et al., 2022; van de Wijdeven et al., 2019) ble dette gjort for å videreutvikle en stadig mer kompleks in vitro modell for den menneskelige nevromuskulære synapsen. Vi viste at den mfMEAen kan anvendes for detaljerte morfologiske og elektrofysiologiske undersøkelser av sykdomsrelevante celletyper og deres synaptiske sammenkoblinger. Vi kommer også med anbefalinger for videre optimalisering av den mfMEAen, tilpasset den demonstrerte C9orf72 fenotypen.

The lack of a cure for neurodegenerative diseases like amyotrophic lateral sclerosis (ALS) partly stems from unsuccessful translations of drug candidates from animal models to the clinic. Furthermore, the genetic and biological differences between species and patients, make human-based, patient-specific models favorable to unravel the still poorly understood disease mechanisms of ALS. As early pathological signs have been identified at the neuromuscular junction, in vitro models of this synapse are relevant for elucidating the underlying mechanisms of ALS.

In the current project, we used motor neurons (MNs) differentiated from induced pluripotent stem cells (iPSCs), derived from a C9orf72-ALS patient and a healthy donor. We confirmed the functionality of MN networks from both groups, and compared the morphology and spontaneous electrophysiological activity of the networks on multiwell microelectrode arrays (MEAs). Compared to the healthy networks, the ALS-specific MN networks showed reduced firing rate and fraction of spikes in bursts. This corresponds to seemingly shorter neurites and less axon fasciculation of the ALS-specific MNs, which is in line with previous reports of a C9orf72-specific MN phenotype.

Next, we seeded ALS-specific MNs together with astrocytes and myocytes in different compartments of a three-nodal, in-house-developed microfluidic chip without and with integrated MEAs (mfMEAs). Building on previous work in our lab (Bauer, Fiskum, et al., 2022; van de Wijdeven et al., 2019), this was done to further develop an increasingly complex in vitro model of the human neuromuscular unit. We demonstrated that the mfMEA is applicable for detailed morphological and electrophysiological investigations of disease-relevant cell types and their synaptic connections. We also provide recommendations for further optimization of the mfMEA, adapted to the demonstrated C9orf72 MN phenotype.